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锂离子电池技术参数简明选型指南

创作时间:

作者:

@小白创作中心

锂离子电池技术参数简明选型指南

引用

来源

http://www.uinio.com/Electronics/Battery/

锂离子电池是一种采用锂金属化合物作为正负极材料，中间再填充电解质溶液的化学电池，属于一种可反复充放电的二次电池。内部主要依靠锂离子在正极与负极之间的移动来进行充放电。在充放电过程中，锂离子在两个电极之间不断的往返，嵌入正负极材料或者从正负极材料当中脱嵌。例如在充电时，锂离子就会从正极材料脱嵌，穿过电解质溶液之后再嵌入负极材料，使得负极逐渐呈现出富锂状态，而在放电的时候这个化学过程正好相反。

长期以来，围绕锂离子电池安全性的话题层出不穷，大量的行业规范与政策法规，伴随着锂离子电池的大规模市场化应用而被不断推出。自从 2024 年 8 月 1 日起，我国已经对锂离子电池实施3C强制认证管理，未获得3C认证并且标注3C认证标识的锂电池产品，将不得出厂进行销售和进行其它经营活动。本文总结了各类锂离子电池材料的特性，以及选型过程当中的一些重要事项，希冀能够对于广大电子工程师的物料选型工作有所裨益。

基本原理

锂离子电池主要是由正极（锂化合物）和负极（石墨）材料，以及两极之间填充的电解液和隔膜构成。主要依靠锂离子在正负极之间移动，从而将化学能转换为电能。下面的示意图分别展示了锂离子电池在充电与放电的时刻，电池内部锂离子的运动方向，以及外电路当中电流的运动方向：

寿命参数

锂离子电池（后续直接简称为锂电池）通常会使用循环次数和日历寿命两指标来表示电池的寿命：

循环次数：将电池从0％充电至100％，再从100％放电到0％作为一个循环，能够反复进行充放电的次数。
日历寿命：表示电池在规定的充电状态下即使静置也能够使用的时间，即从生产之日起至电池寿命结束的时间长度。

在接下来的表格里，展示了三种常用电池（铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池）的循环次数和日历寿命：

电池类型	循环次数	日历寿命
铅蓄电池	3150 次	17 年
镍氢电池	2000 次	5~7 年
锂离子电池	3500 次	6~10 年

注意：虽然铅蓄电池的寿命长于锂离子电池，但是其能量密度相较于锂离子电池要差上许多。综合循环次数与日历寿命两个指标，

材料分类

根据正极材料所采用锂化合物的不同，可以将锂离子电池划分为如下几个种类：

钴酸锂电池：钴酸锂比较容易合成，但是钴是稀有金属，价格比较昂贵，并且化学性质非常活泼，需要限制充放电电流，避免出现热失控。
锰酸锂电池：放电电压与钴酸锂电池相类似，但是制造成本更加低廉，但是充放电过程当中，锰可能会溶入电解质，缩短电池寿命。
三元锂电池：即镍钴锰酸锂，优点在于安全性相对高，而且以铁作为原材料，生成成本相比锰酸锂更低，缺点在于放电电压非常低。
磷酸铁锂电池：为了减少钴的用量，同时使用了钴、镍、锰三种材料，其中镍的比例较高，虽然放电电压相比钴酸锂、锰酸锂略低，但是能够降低生产成本，并且容量较高。但是缺点在于材料化学属性较为活泼，高温性能不稳定。
钛酸锂电池：负极材料采用钛酸锂，正极材料采用上述其它几种锂离子材料，稳定性和安全性更好，循环寿命更长。但是价格昂贵，且能量密度过低，不太适合作为动力电池。

锂离子电池类型	标称电压	典型工作电压范围	充电截止电压	放电截止电压	循环寿命	热失控温度	容量（能量密度法，Wh/Kg）
钴酸锂电池	3.6V	3.0V ~ 4.2V	4.2V	2.5V	500 ～ 1000次	150°C	150 ~ 200 Wh/Kg
锰酸锂电池	3.7/3.8V	3.0V ~ 4.2V	4.2V	2.5V	300 ～ 700次	250°C	100 ~ 150 Wh/Kg
三元锂电池	3.6/3.7V	3.0V ~ 4.2V	4.2V	2.5V	1000 ～ 2000次	210°C	150 ~ 220 Wh/Kg
磷酸铁锂电池	3.2/3.3V	2.5V ~ 3.65V	3.65V	2.5V	1000 ～ 2000次	270°C	90 ~ 120 Wh/Kg
钛酸锂电池	2.4V	1.8V ~ 2.85V	2.85V	1.8V	3000 ～ 7000次	500°C	50 ~ 80 Wh/Kg

封装规格

根据封装形式的不同，大体上可以将锂离子电池划分为软包（下图左，尺寸形状可定制）和金属壳（下图右，尺寸形状固定）两种类型，

其中在国际电工技术委员会 IEC61960 规范当中，对于圆柱形金属壳锂离子电池的命名形式进行了定义：

1 正极材料代码 + 负极材料代码 + 直径 + 高度

其中，正极材料包括有 C/U（钴酸锂）、M（锰酸锂）、NB（氧化铌）、V（氧化钒）、T（钛酸锂），而负极材料包括有 C（碳）、L（铝酸锂）、S（硅酸锂）、T/TL（钛酸锂）。除此之外，直径和高度的单位均为 mm 毫米。为了书写方便，通常会省去前面的正负极材料代码，而直接使用外形尺寸来描述不同的电池规格。例如在下面的表格里，就展示了常用圆柱形金属壳锂离子电池的型号与规格：

型号	直径（mm）	高度（mm）	容量（时间乘积法，mAh）
14500型	14 毫米	50 毫米	800 ~ 1000 毫安时
18650型	18 毫米	65 毫米	2000 ~ 3500 毫安时
18500型	18 毫米	50 毫米	1000 ~ 2000 毫安时
26650型	26 毫米	65 毫米	3200 ~ 3500 毫安时
21700型	21 毫米	70 毫米	3000 ~ 4800 毫安时
32650型	32 毫米	65 毫米	4500 ~ 6500 毫安时
32700型	32 毫米	70 毫米	4500 ~ 6500 毫安时

注意：上述表格当中，电池型号末尾的 0 代表其为圆柱形锂电池。

串并联关系

概而言之，电阻器是串联分压，并联分流，而锂电池则是串联增压，并联增流增容，它们各自的连接方式分别如下图所示：

串联（上图左）：将锂电池单体首尾相连，此时负载 Load 两端的输出电压，等于各个单体的端电压之和 36V。
并联（上图右）：将锂电池单体的正极分别相互连接到一起，此时负载 Load 两端的输出电压不变，输出电流等于各个单体的输出电流之和 3A，并且最终构成的电池包总容量也会相应的提升至三个单体容量之和。

注意：由单体锂电芯组成的锂电池包，其串并联关系的选型，要依据电源电路所需要的工作电压范围、后级负载的持续运行时间以及其所消耗的电流来综合进行判断。特别需要注意满足在后级负载上电启动的一瞬间，所产生的瞬时峰值电流需求。最好先将后级负载连接至可编程电源，观察一下该峰值电流的大小，并以该电流值作为锂电池包输出电流的上限值来进行选型，并且尽量保留一定的性能冗余。

电池容量

锂电池容量的计算方法，根据表达意义所侧重的不同，可以进一步划分为能量密度法和时间乘积法两种方式：

能量密度法：即电池容量与电池质量的比值，通常以瓦时/千克（Wh/kg）作为单位进行表示。
时间乘积法：通常以安时（Ah，Ampere-hour）作为单位，表示在一定放电条件下（环境温度 25°C 左右），其所能够提供的电流和持续时间的乘积。例如，如果一节锂电池能够以 1 安培的电流持续放电 1 小时，那么其容量就等于 1Ah 安时。

注意：这两种表达方式都已经体现到了前述内容的表格当中。

充放电倍率

充放电倍率 C 用于表示锂电池在单位时间内，完全放电所输出的电流大小。例如一节标称为 3300mAh 容量的 18650 型三元锂电池，其放电倍率为 3C，则其以 1 小时单位时间内进行放电，输出的电流应当为 9.9A 安培，具体计算公式如下所示：

[ I_{输出电流} = C_{充放电倍率} \times P_{锂电池额定容量} ]

根据放电倍率的不同，还可以将锂电池划分为功率/动力型（放电倍率大于 10C）和容量型（放电倍率 1C ~ 3C）两种类型。下图是某国产 18650 型锂电池的规格书，注意其中关于锂电池充放电倍率的描述：

锂电池内阻

锂电池的内阻是指电池在工作时，电流经过电池内部所受到的阻力（不是常量，会随时间和温度变化）。主要由欧姆内阻（电解液、电极材料、隔膜的体电阻或者接触电阻）和极化内阻（正负极发生电化学反应时极化所产生的阻抗）两个部分组成。

较低的锂电池内阻可以减少充放电过程当中的能量损失，也有助于降低锂电池在大电流充放电时候所产生的热量，从而降低热失控的风险。除此之外，锂电池内阻的增高通常与锂电池内部材料的老化过程相关，因而监测内阻的变化对于预测电池的健康状态也具有重要意义。锂电阻的内阻测量方法主要包括直流和交流两种：

直流测量法：通过在锂电池两端施加恒定电压并测量通过锂电池的电流来计算内阻。
交流测量法：通过在锂电池两端施加小幅的交流电压，并测量其电流响应来计算内阻。

充电的三个过程

为了确保锂电池充电过程的安全，需要采用特定的电流与电压（即限压恒流）进行充电，整个充电过程主要划分为涓流充电、恒流充电、恒压充电三个阶段，下面以三元锂电池的充电过程为例进行说明：

涓流充电阶段：当电池电压低于 3V 时进行低压预充，充电电流为恒流充电倍率的 0.1C。
恒流充电阶段：当电池电压上升至涓流充电电压的阈值之上时，就可以提高充电电流至 0.2C ~ 1C 进行恒流充电，直至电压上升至 4.2V 时结束恒流充电。
恒压充电阶段：保持充电电压为 4.2V，伴随着电池电量的逐渐饱和，当充电电流逐渐减小至 0.01C 的时候，就可以终止充电。