鋰電池工作原理和性能指標(biāo)

1、一、鋰電池工作原理與種類1. 鋰電池工作原理鋰電池是指用兩個(gè)能可逆的嵌入與脫嵌的鋰離子化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。鋰電池主要由正極板、負(fù)極板、電解質(zhì)、隔膜與外殼組成。其中，正極板上的活性物質(zhì)一般選用LiCo02、LiNi02或者LiMn204，負(fù)極板上的活性物質(zhì)一般選擇碳材料。電解質(zhì)采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。隔膜采用聚烯微多孔膜PE、PP或他們的復(fù)合膜。外殼采用鋼或者鋁材料。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入。當(dāng)電池放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極中脫嵌，在正極中嵌入。2. 鋰電池分類鋰離子電池目前有

2、液態(tài)鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLIB)兩類，聚合物鋰離子電池與液態(tài)鋰的工作原理相同，主要區(qū)別是電解液的不同。液態(tài)鋰離子電池采用的是液態(tài)電解液，而聚合物鋰離子電池主要采用聚合物電解質(zhì)，這種聚合物可以是干態(tài)，也可以是膠態(tài)，目前大部分采用聚合物鋰離子電池。由于聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質(zhì)，不會(huì)像液體電解液一樣泄露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕，很薄。也不會(huì)產(chǎn)生由于漏液與燃料爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而提高整個(gè)電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以采用高分子做正極材料，其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰離子電池提高50%以上。二、鋰電池主要性能指標(biāo)1.

3、 電壓（V）（1）電動(dòng)勢(shì)電池正極負(fù)極之間的電位差E。（2）額定電壓電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下工作時(shí)應(yīng)達(dá)到的電壓。（3）工作電壓(負(fù)載電壓、放電電壓)在電池兩端接上負(fù)載R后，在放電過程中顯示出的電壓，等于電池的電動(dòng)勢(shì)減去放電電流i在電池內(nèi)阻r上的電壓降，U=E-i*r。（4）終止電壓電池在一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下放電時(shí)，電池的電壓將逐漸降低，當(dāng)電池再不宜繼續(xù)放電時(shí)，電池的最低工作電壓稱為終止電壓。當(dāng)電池的電壓下降到終止電壓后，再繼續(xù)使用電池放電，化學(xué)“活性物質(zhì)”會(huì)遭到破壞，減少電池壽命。 2. 電池容量（Ah）（1）理論容量根據(jù)蓄電池活性物質(zhì)的特性，按法拉第定理計(jì)算出的高理論值，一般用質(zhì)量容量Ah/

4、kg或體積容量Ah/L來表示。（2）實(shí)際容量在一定條件下所能輸出的電量，等于放電電流與放電時(shí)間的乘積。（3）標(biāo)稱容量用來鑒別電池的近似安時(shí)值。（4）額定容量按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池應(yīng)該放出的最低限度的容量。（5）荷電狀態(tài)(SOC)電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條下額定容量的比值。反映電池容量的變化。3. 能量(W*h、kw*h)（1）標(biāo)稱能量按一定標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的放電條件下，電池所輸出的能量，電池的標(biāo)稱能量是電池額定容量與額定電壓的乘積。（2）實(shí)際能量在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的實(shí)際能量是電池的實(shí)際容量與平均電壓的乘積。（3）比能量(Wh/kg)動(dòng)力電池組單位質(zhì)量中所能輸

5、出的能量。（4）能量密度(Wh/L)動(dòng)力電池組單位體積中所能輸出的能量。4. 功率(W、kW)在一定的放電制度下，電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量。（1）比功率(W/kg)動(dòng)力電池組單位質(zhì)量中所具有的電能的功率。（2）功率密度(W/L)動(dòng)力電池組單位體積中所能輸出的能量。5. 電池內(nèi)阻電流流過電池內(nèi)部受到的阻力，使電池電壓降低，此阻力稱為電池內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻的作用，電池放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。充電時(shí)端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。鋰電池的內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液、隔膜電阻以及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極極化和濃

6、差極化引起的電阻。鋰離子電池的實(shí)際內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。電池內(nèi)阻大，會(huì)引起大量焦耳熱引起電池溫度升高，導(dǎo)致電池放電工作電壓降低，放電時(shí)間縮短，對(duì)電池性能、壽命等造成嚴(yán)重的影響。電池內(nèi)阻大小的精確計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，而且在電池使用過程中會(huì)不斷變化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)表明，鋰離子電池的體積越大，內(nèi)阻越小。6. 壽命電池以充放電的循環(huán)次數(shù)或使用年限來定義電池壽命。循環(huán)次數(shù)：蓄電池的工作是一個(gè)不斷充電放電充電放電的循環(huán)過程。在每一個(gè)循環(huán)中，電池中的化學(xué)活性物質(zhì)發(fā)生一次可逆的化學(xué)反應(yīng)，充放電次數(shù)的增加，化學(xué)活性物質(zhì)老化變質(zhì)，使電池充放電效率降低，最終喪失功能，電池報(bào)廢。電池的循環(huán)次數(shù)與很多

7、因素有關(guān)：電池充放電形式、電池溫度、放電深度、電池組均衡性、電池安裝，等等。循環(huán)次數(shù)是衡量電池壽命的指標(biāo)。使用年限：SOH（State of Health）反映電池的預(yù)期壽命。SOH=CM/CN ，其中，CM表示蓄電池預(yù)測(cè)容量；CN表示蓄電池標(biāo)稱容量。7. 放電速率（放電率）一般用電池在放電時(shí)的時(shí)間或放電電流與額定電流的比例來表示。（1）時(shí)率(時(shí)間率)電池以某種電流強(qiáng)度放電，放完額定容量所經(jīng)過的放電時(shí)間。（2）倍率(電流率)電池以某種電流強(qiáng)度放電的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。例如，放電電流為0.1C20，對(duì)于120A·h(C20)的電池，即以0.1*120=12的電流放電。C的下腳表示

8、放電時(shí)率。8. 自放電率自放電率電池在存放時(shí)間內(nèi)，在沒有負(fù)荷的條件下自身放電，使得電池的容量損失的速度，自放電率用單位時(shí)間(月/年)內(nèi)電池容量下降的百分?jǐn)?shù)來表示。三、電池SOC值計(jì)算1. SOC定義電池荷電狀態(tài)SOC（State of charge）描述電池剩余電量的數(shù)量，是電池使用過程中的重要參數(shù)。從電量的角度來定義SOC，是指電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值。SOC=Creal/Crated式中，Creal表示電池剩余電量，Crated表示電池額定容量。2. SOC計(jì)算步驟（1） 獲取鋰電池當(dāng)前電流、電壓和溫度值鋰電池恒定電流放電時(shí)，電壓遞減，溫度遞增。鋰電池恒定電

9、流充電時(shí)，電壓遞增，溫度遞增。鋰電池靜止或者充電完成后，電壓保持恒定，溫度保持恒定。可以根據(jù)檢測(cè)某一時(shí)段電池的電壓、溫度情況，來判斷電池處于充電、放電還是靜止?fàn)顟B(tài)。（2）計(jì)算電池初試電量用開路電壓法獲取充電完成時(shí)（靜止）的初始電量C0電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池電動(dòng)勢(shì)，其與電池的放電深度存在相對(duì)線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。C0=A*U0+B，其中A、B為常量修正值，可有鋰電池類型確定（由電池制造商提供）。（3）計(jì)算電池充電、放電狀態(tài)下t時(shí)刻SOC值假設(shè)t時(shí)間內(nèi)，電池以恒定電流充放電，在時(shí)刻t其電池實(shí)際容量Ct=Ct-1-C(C>0表示電池放電，C<0表示電池充電)。且C=I*t，則時(shí)刻t電池容量。為充放電倍率修正系數(shù)。電池t時(shí)刻的SOC值，。（4） SOC影響因素及其修正a) 充放電倍率修正系數(shù)=CI/Ci，定義CI表示在標(biāo)準(zhǔn)電流I時(shí)電池放出的總?cè)萘?，Ci為在電流i時(shí)放出的電量。b) 溫度TC為電池在溫度