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能可逆的嵌入與脫嵌的鋰離子化合物作為正負極構(gòu)成的二次電池。鋰電池主要由正極板、負極板、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，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入。當(dāng)電池放電時，鋰離子從負極中脫嵌，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）電動勢電池正極負極之間的電位差E。（2）額定電壓電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定條件下工作時應(yīng)達到的電壓。（3）工作電壓(負載電壓、放電電壓)在電池兩端接上負載R后，在放電過程中顯示出的電壓，等于電池的電動勢減去放電電流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，電池的電壓將逐漸降低，當(dāng)電池再不宜繼續(xù)放電時，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間的乘積。（3）標(biāo)稱容量用來鑒別電池的近似安時值。（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）實際能量在一定條件下電池所能輸出的能量，電池的實際能量是電池的實際容量與平均電壓的乘積。（3）比能量(Wh/kg)動力電池組單位質(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，電池在單位時間內(nèi)所輸出的能量。（1）比功率(W/kg)動力電池組單位質(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，電池放電時端電壓低于電動勢和開路電壓。充電時端電壓高于電動勢和開路電壓。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。鋰離子電池的實際內(nèi)阻是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。電池內(nèi)阻大，會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，放電時間縮短，對電池性能、壽命等造成嚴(yán)重的影響。電池內(nèi)阻大小的精確計算相當(dāng)復(fù)雜，而且在電池使用過程中會不斷變化。根據(jù)經(jīng)驗表明，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不斷充電放電充電放電的循環(huán)過程。在每一個循環(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的時間或放電電流與額定電流的比例來表示。（1）時率(時間率)電池以某種電流強度放電，放完額定容量所經(jīng)過的放電時間。（2）倍率(電流率)電池以某種電流強度放電的數(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、放電時率。8. 自放電率自放電率電池在存放時間內(nèi)，在沒有負荷的條件下自身放電，使得電池的容量損失的速度，自放電率用單位時間(月/年)內(nèi)電池容量下降的百分數(shù)來表示。三、電池SOC值計算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，電壓遞減，溫度遞增。鋰電池恒定電

9、流充電時，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?？梢愿鶕?jù)檢測某一時段電池的電壓、溫度情況，來判斷電池處于充電、放電還是靜止?fàn)顟B(tài)。（2）計算電池初試電量用開路電壓法獲取充電完成時（靜止）的初始電量C0電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池電動勢，其與電池的放電深度存在相對線性的對應(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）計算電池充電、放電狀態(tài)下t時刻SOC值假設(shè)t時間內(nèi)，電池以恒定電流充放電，在時刻t其電池實際容量Ct=Ct-1-C(C>0表示電池放電，C<0表示電池充電)。且C=I*t，則時刻t電池容量。為充放電倍率修正系數(shù)。電池t時刻的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時電池放出的總?cè)萘浚珻i為在電流i時放出的電量。b) 溫度TC為電池在溫度