锂电池充、放电机制

项目产品需求中需要对所使用电池电量进行百分比显示：当时第一想法是用电压比来进行百分比显示，发现这是一种错误的思路，正确的做法应该是用电池的电荷量C来进行百分比计算。

于是简单的对锂离子电池进行了资料查询，并同时向做电池管理的前同事做了些咨询。得到的答案大致跟如下报道一致：

 新能源汽车产业中电池分类及前景介绍：

 新能源汽车最核心的技术即为提供能量的电池，续航能力和充电速度则是电池技术发展到今天的瓶颈所在。经过多年发展，锂电池的目前的类型有锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂、钴酸锂、三元材料等，因能量性能和稀有金属成本的原因，锰酸锂、钛酸锂和钴酸锂电池逐渐变为小众选择，而磷酸铁锂和三元锂电池则得到更广泛的推广应用。但是这两者有什么区别呢？让我们就聊一聊锂电池这点儿事。

 

三元锂电池

三元锂电池全称是“三元材料电池”，一般是指采用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2，NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）三元正极材料的锂电池，把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整，所以称之为“三元”，包含了许多不同比例类型的电池。从形状上来区分，可分为软包电池、圆柱电池和方形硬壳电池。其标称电压可达到3.6-3.8V，能量密度比较高，电压平台高，振实密度高，续航里程长，输出功率较大，高温稳定性差，但低温性能优异，造价也比较高。

磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池则是采用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，用铁来做电池原料。一来成本低廉，二不含重金属，对环境污染较小，工作电压为3.2V。磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，因此在零电压存放时并不会有泄漏，高温条件下或过充时安全性非常高，可快速充电，高放电功率，无记忆效应，循环寿命高，缺点为低温性能差，正极材料振实密度小，能量密度较低，产品的成品率和一致性也饱受质疑。

这两类电池各有所长

高温条件下，三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解，产生剧烈的化学反应，释放出氧原子，并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象，因此基于安全的考虑，我国工信部在2016年1月，通过特殊发文规定将三元锂电池的使用暂时限制在纯电动客车之外。而磷酸锂电池的分解温度在800℃，更不容易着火，安全性相对较高。

低温条件下（气温低于-10℃以下），磷酸锂电池衰减得非常快，经过不到100次充放电循环，电池容量将下降到初始容量的20%，基本与寒冷地区的使用绝缘了；而三元锂电池的低温性能优异，在-30℃条件下可保持正常电池容量，更适应北方低温地区的使用条件。

从制造成本上来看，三元锂电池所必需的钴元素在我国储量较少，大部分靠海外进口，受到市场波动影响非常大，所以三元锂电池的成本必然居高不下，而磷酸铁锂电池所需原材料无需进口，供应充足，价格稳定，成本相对较低。

在实验条件下，磷酸铁锂电池循环5000次后，剩余容量为84%，1C（1C表示电池一小时完全放电时电流强度） 循环5 000 次后仍能保持80%以上的初始容量；三元锂电池循环3900次后，剩余容量只剩下66%，1C循环2500次后就下降到80%初始容量。相比起来磷酸锂电池的循环寿命要远远大于三元锂电池。此外，磷酸铁锂电池能量密度为120Wh/kg，已经基本达到理论极致，而三元电池的能量密度180Wh/kg，今后还有很大的提升空间。

前景

日本松下、韩国LG化学、三星SDI等多采用三元锂电池的技术路线，比如新能源巨头特斯拉就采用了松下的镍钴铝酸锂三元锂电池，就是所谓的NCA，在Model S和Model X上采用的是松下18650电池组，而最新的MODEL 3采用了更大容量的21700圆柱体电池组。

国内的新能源汽车企业在早期源于成本问题，大多采用磷酸铁锂电池作为能量来源，如比亚迪等企业则为磷酸铁锂电池的主力厂商，推出了秦、唐、宋等众多明星产品，而现如今由于国家对于续航里程等补贴标准的提升，三元锂电池市场份额在逐渐提升。

 

在与磷酸铁锂电池的竞争中，三元锂电池的安全问题有待提升，这始终是盘桓在汽车企业脑海中的阴影，连特斯拉Model X这样的技术领先产品，也曾在国内外多次发生电池组起火燃烧的事故。但从长远来看，三元锂电池有着磷酸铁锂电池不可比拟的高能量密度、耐低温等特性，在新能源汽车发展的未来，三元锂电池解决掉安全和成本问题之后，将彻底取代目前磷酸铁锂的市场地位，将成为新能源市场上的大势所趋。

18650锂离子电池介绍：

18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。而5号电池的型号是14500，直径14毫米，长50毫米。一般18650的电池在工业上用的比较多，民用的很少，常见的也就在笔记本电池和高档手电上用的比较多。

18650只是电池的尺寸型号，根据电池种类还能分为，锂离子的18650，磷酸铁锂的18650，镍氢的18650（很少见），常见的18650是锂离子的。锂离子电池电压为标称电压为3.7v，充电截止电压为4.2v，磷酸铁锂电池标称电压为3.2V，充电截止电压为3.6v，容量通常为1200mAh-3350mAh，常见容量是2200mAh-2600mAh。

再说回自己项目中使用的电池，通过以上资料的了解，可确定手中电池为1200mAh的锂离子电池，且是三元锂离子电池，标称电压3.7V，截止电压4.2V。若要得到电池电量百分比，则需要继续了解其充放电特性。

锂电池充放电介绍：

　　1、再述锂电池以及工作原理

　　锂离子电池自1990年问世以来，因其卓越的性能得到了迅猛的发展，并广泛地应用于社会。锂离子电池以其它电 池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等等。

　　目前锂电池公认的基本原理是所谓的“摇椅理论”。锂电池的充放电不是通过传统的方式实现电子的转移，而是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入，发生能量变化。在正常充放电情况下，锂离子的出入一般只引起层间距的变化，而不会引起晶体结构的破坏，因此从充放电反映来讲，锂离子电池是一种理想的可逆电池。在充放电时锂离子在电池正负极往返出入，正像摇椅一样在正负极间摇来摇去，故有人将锂离子电池形象称为摇椅电池。

　　我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镍镉电池（Ni/Cd）和镍氢电池（Ni/MH）来讲的。 具有工作电压高、比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点（比能量指的是单位重量或单位体积的能量，电池的比能量就是参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小）。

　　2、锂电池日常使用过程中的常识

　　（1）、误区：“电池**，前三次充电12小时以上”

　　对于锂电池的“**”问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反复做三次，以便**电池。这种“前三次充电要充 12小时以上”的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。经过抽样调查，可以看出有相当一部分人混淆了两种电池的充电方法。

　　锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别，所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电。通常，手机说明书上介绍的充电方法，就是适合该手机的标准充电方法。

　　（2）、 不益长时间充电、电池完全用完再充电

　　锂电池的手机或充电器在电池充满后都会自动停充，并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。如果锂电池在充满后，放在充电器上也是也不再充电。

　　超常时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。

　　（3）、电池寿命

　　关于锂离子电池充放电循环的实验表，关于循环寿命的数据列出如下(DOD是放电深度的英文缩写)：

　　循环寿命 (10％DOD)：> 1000次

　　循环寿命 (100％DOD)：> 200次

　　从上面数据可见，可充电次数和放电深度有关，10％DOD时的循环寿命要比100％DOD的要长很多。当然 如果折合到实际充电的相对总容量10％*1000=100，100％*200=200，后者的完全充放电还是比较好一 些。但是锂电池的寿命主要体现在充放电周期上，这个周期是一个绝对概念，上次使用了30％电力，充满电，下次又使用了70％的电力，又充满电，这个刚好是 一个充电周期。所以还是遵循锂电池发明者的口号“即用即充，即充即用”的方法使用锂电池。

　　（4）、定期深度充放电进行 电池校准

　　锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、 温度、ID 、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化。使用说明中的“使用一个月左右应该全充放一次”的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当 的值。

　　3、锂电池的充电方式：限压横流方式

　　主要分三步完成：

　　第一步：判断电压<3V，要先进行预充电，0.05C电流；

　　第二步：判断 3V<电压<4.2V，恒流充电0.2C~1C电流；

　　第三步：判断电压>4.2V，恒压充电，电压为4.20V，电流随电压的增加而减少，直到充满。

　　充电开始时，应先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流 的1/10，一般选0.05C左右。电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

　　一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

　　术语解释：充放电电流一般用C作参照，C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的电池容量1200mAh，对应的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

　　下面是锂电池典型充电曲线图：

　　

　　4、锂电池的放电：

　　锂电池放电只需要注意很少的几点：

　　1、放电电流不能过大， 过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害；

　　2、绝对不能过放电！锂电池最怕过放电，一旦放电 电压低于2.7V，将可能导致电池报废。

　　下面是一般锂电池的典型放电曲线图：

　　

　　从典型放电曲线图上可以看出，电池放电电流越大，放电容量越小，电压下降更快。

　　所以，一般情况下电池大负荷工作后，减少负荷会出现电压回升现象，就是所说的“回电”现象。

　　给个图看看，这个放电曲线图在放电过程中停了一下，出现了“回电”。