高倍率聚合物锂电池全面分析(以手机、移动电源、电动车等进行分析)

来源:高倍率聚合物锂电池   2019-07-12  阅读数:

所谓内行看门道,外行看热闹,在2012年开始,高倍率聚合物锂电池的应用已经相当普遍了,但是却很少有人真正的了解它。这里我们重点介绍一下高倍率聚合物锂电池的几个重要参数;并结合手机及平板电池、笔记本及移动电源电池,电动车电池进行分析。

高倍率聚合物锂电池充放电倍率

充放电倍率高越好。一般形容电池充放电电流大小的专用符号是“C”。聚合物锂电池的1C放电就代表1小时内把电池从满电放到空的电流大小。

举个例子,比如iPhone8电池容量为1821mAh,那么这颗电池的1C放电电流就是1.82安培。一个高倍率聚合物锂电池如果用高倍率放电,通常放出的能量比低倍率要少。

高倍率聚合物锂电池放电量

上图为不同放电倍率下聚合物锂电池放出的电量,从图中测试结果可知这颗电池使用10C放电放出的能量只有1C放电下的85%,使用20C放电放出的能量只有1C放电下的70%。

高倍率聚合物锂电池充放电循环次数

循环次数越多越好。一般500次是锂电池的常见值,根据不同材料制作的锂电池充放电次数从300-3000次不等。这个值的具体含义每个锂电池生产厂家可能略有不同,大致可以理解为:按厂商规定的充放电倍率(比如1C放电,0.3C充电;每次从0%充放到100%,照此循环)下,500次循环后,电池容量还剩最初的80%。

充放电次数和使用习惯的关系太大了,举几个例子:

1、充放电强度对锂电池循环次数的影响

每次从0%充放到100%,1C放,0.3C充,500次后容量衰减到80%,这是最严苛的测试循环,也可以不这么严格,请往下看

如果每次电量的循环都在25%-75%,1C放,0.3C充,2000次后容量衰减到80%

如果每次电量的循环都在25%-75%,3C放,0.3C充,1600次后容量衰减到80%

2、浅充浅放对锂电池寿命的影响

同样,每次从0%充放到100%,1C放,0.3C充,500次后容量衰减到80%,是最严苛的测试循环,也可以不这么严格,请往下看

每次电量的循环都在25%-75%,1C放,0.3C充,2000次后容量衰减到80%

每次电量的循环都在50%-100%,1C放,0.3C充,1800次后容量衰减到80%

通过以上两个例子可看出聚合物锂电池充放电的倍率越小、越有利于寿命提升;浅充浅放也有利于寿命提升。

高倍率聚合物锂电池内阻

内阻越小越好,这个参数会随负载轻重、温度等因素随时变化,随着电池寿命减少,内阻也在逐渐增大。内阻越小的电池越可以高倍率充放电,18650的普通电池内阻在50mΩ左右,动力型的18650电池在15mΩ左右。

想知道内阻多大需要用专用的设备测量,普通万用表可不行。

电池内阻测试仪

电池一致性

采用相同材料、相同工艺生产的电池在容量、内阻、充放电曲线上的一致性越高越好。电池能否大规模组成电池组这一点非常关键,电池组规模越大对一致性要求越高。根据不同的应用领域,对各参数做详细分析:手机、平板等消费电子用锂电池,笔记本和移动电源用锂电池,电动车用锂电池。

手机及平板等消费电子用锂电池

这个领域相对简单,因为这些设备里一般只有一块锂电池,而且基本都是钴酸锂电池。

一、充放电倍率

在数码设备中使用的锂电池通常对此项要求较低。你很难一个小时内把满电的手机用到自动关机吧?也没有厂家会设计一个续航只有1小时的数码设备。至少都可以续航3小时,所以电池的放电倍率达到0.3C左右就能满足需求,充电要求往往也很低,通常3-4小时充满的数码设备大家都能接受,所以充电上对电池提出的要求也是0.3C左右。

聚合物锂电池

不论国产还是进口锂电池,1C放电是最起码的规格,数码设备对电池放电的要求都远低于电池行业的普遍标准。充电倍率上和电池行业目前能做到的基础指标大致相当,如果没有极特殊设计一般也不用担心。

二、充放电循环次数

数码设备中,手机算是使用强度最高的产品,我们按一天一充计算,循环次数是500次就是500天寿命,这样算对吗?其实是脱离了使用条件,所以是错的。

500次的循环指的是1C放电,0.3C充电下连续循环500次,电池容量还剩最初的80%。但我们平时使用手机放电倍率远小于1C,往往是0.01C-0.5C之间。所以循环次数通常可以700次后还有80%电量剩余,这已经2年时间了,手机也快过时了。

苹果在这方面设计的很精明,有意不使用大电量的电池,不但可以获得轻薄的优势,还因为2年后你必然要换下一代iPhone了,干嘛非要多花成本在电池上呢?至于有一些人一年就明显感觉续航少了,也是确有原因的,这个之后分析。

随时保持100%电量并不好,其他数码设备,比如平板电脑,电池充放周期就更久了,但有时也会发现不到2年续航就明显下降了,这个原因也是有解释的,看完整篇文章你就会知道。

三、电池内阻

前面有提到,没有什么特别解释的。

四、电池一致性

没有特别解释的。

笔记本与移动电源用锂电池

笔记本电池规格常见的4芯、6芯,8芯。什么意思?这指的是18650电芯数量,以8芯为例,有2种组合方式,一种是2串4并,一种是4串2并,具体采用哪一种要根据笔记本厂商电压变换电路的设计,和电池仓形状。

后来的轻薄的笔记本采用聚合物电池的也比较多了。

移动电源也是采用多节锂电池并联的情况,市售正经品牌的移动电源10400mAh容量的产品就是由4节2600mAh的18650电芯并联而成。

一、充放电倍率

新的笔记本电池少有1小时就放光电的情况,所以放电倍率1C已经足够,充电的要求也不高,比如笔记本电池在3-4小时内充满大家都可以接受。而对移动电源来说对电池充放电倍率的要求就更低了,几乎是所有数码设备中最低的。

以目前市场中10400mAh(3.7V)的移动电源来说,最大输出电流为2A(5V),也就是用最大电流也需要3.7个小时才能放光电,放电倍率只要满足0.3C都够用。充电方面,通常的规格是10400mAh配备一个1.0A的输入口。这样充电的倍率只有0.13C。

这就是为什么移动电源劣质产品特别多的原因:哪怕是正规厂商也可以购买电池市场中性能最低档(注意,性能低和质量差并不完全等同,但还是高度相关的)的产品用在移动电源中,而且还可以满足使用规格的需求。

二、充放电循环次数

笔记本和移动电源使用频率相较于手机大幅降低,手机最多三天充一次,但是移动电源和笔记本平均下来往往一周都不一定能完成一次充放电,这样算下来,只要保证50次充放电寿命就能撑一年。

对于成熟的聚合物锂电池来说最差也能提供300次的循环寿命,这个次数对使用笔记本和移动电源的人来说都够正常使用6年的了。

而我们往往用不到这么久就更新换代了,所以尤其是移动电源这个行业,实际使用中的轻负载和低频率的充放电次数,让我们很难察觉到产品质量的好坏。

一些无良的厂商就会用最差的电芯,甚至把拆机电芯用在移动电源上。拆机电芯可能从前用在其他设备中,已经循环了400次,按寿命看还有100次左右就要淘汰了,而100次也足够让移动电源撑上两年时间,所以废物利用买来装移动电源里面,根本不会有人发现。

相对移动电源来说,笔记本中的原配电池电芯都来自国际大厂。但我们也经常发现周围有人的笔记本买来不到2年电池续航就大幅下降了,这是什么原因呢?

还记得前面我们说到平板电脑使用周期不频繁,但有的也会出现1-2年,电池续航就大幅下降吧?其实他们都是由同一个原因引起的:电池保存不当。

如果你经常没事就把电池充满,或者充电线一直插在设备上,那就随时维持最高电量,电池容量就会快速减少。这个原因涉及到锂电池的结构。

锂电池的正极是由含有锂离子的金属氧化物组成,负极一般是石墨构成的晶格,充电时锂离子向石墨一端移动,最终钻入由石墨构成的稳定的晶格中,蓄势待发。可以容纳锂离子的晶格越多,可以移动的锂离子越多,电池容量越大。

长期满电存放主要影响的是可以移动的锂离子数量,因为满电后电池达到4.2V电压,维持的高电压让电解液和电池的正负极均发生一些反应,而这些反应在3.0V-3.7V的状态下虽然也在发生,但是非常微弱。

这种反应在电极上生成了钝化膜,电压越高膜越厚,膜越厚可以移动的到负极钻入石墨晶格的锂离子数量越少。于是宏观上的表现就是电池容量衰减。

聚合物锂电池高电压长期储存有多恶劣?

这里有个例子,玩航模的人有2块规格一样的全新三元材料航模锂电池A和B,6月份买来同时存放,A剩余电量30%存放,B充满100%存放,3个月后测试电池容量,A容量为最初的98%,B容量为最初的60%。

没错,影响就是如此恶劣,所以你的笔记本电池经常长期维持高电压,一年后续航大幅下降也就不要稀奇了。

手机是最不容易遇到长期满电存放的设备,因为即便充满了,也一直在使用,不到几个小时电压就降下来了。但手机偶尔也会遇到这个问题,比如充满电后关机了,这时没有任何耗电,电池就一直维持高压,也许一周后你打开盒子一看,电池已经鼓包了。

正确的做法是充30%-40%的电量,然后长期保存。

木桶效应说的是一个木桶能盛多少水取决于围城木头中最短的那个木片的高度,放在锂电池组上来形容一致性再好不过了。电池一致性表现不好对串并联组数比较多的电池影响更大。

假设一个6芯电池中第三颗18650因为某种原因容量下降的比较快,很快容量就只剩下75%了,他们6个是并联在一起的,那么放电过程中第三颗电池会最早达到放电终止电压,于是不论另外5颗电池还有没有电量,电池组放电都会停止。

充电时也是一样。结果另外5颗电池没有任何问题,也都跟着有问题的18650同步充放电,这组电池从外部看就是严重容量衰减的。实际上里面只有一颗有问题。这就是电池一致性的重要性的体现。

电动车用锂电池

绿源、新日等品牌电动车从2010年开始进入每个家庭,但那时绝大多数电动车用的都是铅酸电池。从2012年后开始出现了采用锂电池的电动车,常见的规格是电压36V/48V,容量8Ah-12Ah。

带脚蹬子的那种电动车如果使用48V12Ah的锂电池,纯电续航达50公里。

一、充放电倍率

电动车对充电方面没有特别要求,常见的充电倍率是0.1C-0.3C之间,电池厂轻松达标,但放电倍率上稍高,至少要满足1C,这对电池厂来说压力也不大。但是目前还有一种电动摩托车,采用踏板摩托车外形,时速甚至可以超过100km/h,这种车对电池的要求一下提高到2C-3C,所以如果你是自己组装这种高性能电动车,选购电池时要计算好。

厂商配的电池往往不用操心,自己配的电池一般有3种类型:磷酸铁锂电池,三元锂电池,动力三元电池。他们最高的放电倍率分别是:2C,1.5C,10C。你也可以通过增大电池组的容量来提升1C放电对应的电流。

二、充放电循环次数

磷酸铁锂电池寿命约2000次,三元锂电池约800次,动力三元锂电约800次。但是由于电动车中往往不是单体电池,木桶效应导致成组后第一次出现容量上的故障,时间上会提前,大约是单体寿命周期的1/4到1/2。

当然,这也和使用习惯相关。刚刚说过的一切规律在这里都适用,因为我们这里涉及到另一种正极材料:磷酸铁锂了,所以要单说一下。

磷酸铁锂的能量密度比三元锂电低40%,同样能量的电池磷酸铁锂体积大,分量沉,优势在于循环次数多,好保养。比如还是刚刚所说的条件,三元锂电满电存放3个月,电池容量衰减到初始的60%,但磷酸铁锂面对这样严酷的存放条件还可以保持90%,虽然也损失了,但远没有三元锂电那么严重。

这个原因和磷酸铁锂绝大部分能量(85%以上)都集中在3.2V电压上有关,虽然这种电池充电的截止电压有3.6V,但从3.6V到3.2V的区间内存储能量还不到总能量的1%,即便充满后,放置几分钟电压也会回落到3.2V。所以磷酸铁锂自动维持低的电压应力。不容易形成钝化膜。

一致性问题更加重要,目前电动车采用的单体电池大致有2类:

1、小单体电池,也就是18650电池,容量2.2Ah-2.6Ah,每组电池单体数量200个-500个。

2、大单体电池,容量一般为20Ah-40Ah之间,每组电池单体数量15个-30个。

我们以72V40Ah的电池组为例,如果采用小单体电池,就需要20串19并的方式,共380颗18650电池。每20颗首尾相接为一条,19条电池组在任何时候充放电都要求电压差在0.02V以内,听上去要求很高,但实际上却不像想象中的难,因为18650电池的工艺已经非常成熟,同批次电池的一致性相当的好。

如果采用20Ah大单体电池,就需要20串2并的方式,共40颗大单体电池,只要这40颗工作起来同步就没问题了,总得来说大单体电池成组后在一致性上出现问题的几率更小。不利因素也有,如果是磷酸铁锂的大单体电池,一致性会比三元锂电差很多,所以电池组都需要再添加一个自动均衡的电路,在每次充电的末尾判断哪一颗电池需要单独多充一会儿电,来解决磷酸铁锂一致性不佳的弱点。

一致性问题在这里已经上升到很重要的地位,但还没有到极致。