科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來
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隨著越來越多的人需要了解儲(chǔ)能行業(yè)，而電池又是儲(chǔ)能的核心，輕舟科技匯編了相關(guān)資料，整理了一份深入淺出的資料，方便大家學(xué)習(xí)。相信大家看完后，會(huì)對(duì)電池形成較為專業(yè)的知識(shí)框架，成為半個(gè)專家，祝大家學(xué)習(xí)愉快~電池家族電池分類*“鋰電池”這個(gè)名稱本來指
隨著越來越多的人需要了解儲(chǔ)能行業(yè)，而電池又是儲(chǔ)能的核心，輕舟科技匯編了相關(guān)資料，整理了一份深入淺出的資料，方便大家學(xué)習(xí)。相信大家看完后，會(huì)對(duì)電池形成較為專業(yè)的知識(shí)框架，成為半個(gè)專家，祝大家學(xué)習(xí)愉快~
電池家族
電池分類
* “鋰電池”這個(gè)名稱本來指鋰金屬電池，是一次電池，但因?yàn)橐妆ㄋ栽缫巡辉賾?yīng)用?，F(xiàn)在所稱的鋰電池一般都是鋰離子電池。
平時(shí)我們使用的7號(hào)、5號(hào)電池，都屬于干電池；早年磚頭手機(jī)“大哥大”使用的則是鎳氫電池；小電車?yán)锸褂玫耐ǔＪ倾U酸電池，4個(gè)一組方方正正打包地在一起；而我們的手機(jī)里、筆記本電腦里，乃至電動(dòng)汽車?yán)?，使用的大多都是鋰離子電池了。
主要電化學(xué)電池儲(chǔ)能電池的特性比較
性能指標(biāo) | 鋰離子電池 | 鉛碳電池 | 液流電池（全釩、鋅溴） | 鈉硫電池 |
比能量 （Wh/kg） | 75～250 | 30～60 | 15～85 | 150～240 |
比功率 （W/kg） | 150～315 | 75～300 | 50～170 | 90～230 |
循環(huán)壽命 （千次） | 2.5～5 | 2～4 | 2～10 | 2～3 |
系統(tǒng)成本 （元/kWh） | 2500～4000 | 1250～1800 | 2000～6000 | 2000～3000 |
度電成本 （元/kWh） | 0.9～1.2 | 0.45～0.7 | 0.7～1.2 | 0.9～1.2 |
充放電效率 （%） | 85～98 | 80～90 | 60～75 | 70～85 |
安全性 | 過熱爆炸危險(xiǎn) | 鉛污染 | 全釩比較安全，鋅溴有溴蒸汽泄漏風(fēng)險(xiǎn) | 鈉泄漏風(fēng)險(xiǎn) |
優(yōu)點(diǎn) | 比能量高、循環(huán)性能好、充放效率高、環(huán)保 | 循環(huán)性能好、度電成本低、可回收 | 一次性好、可靠性高、壽命長(zhǎng)、規(guī)模大 | 比能量大、高功率放電 |
缺點(diǎn) | 成本高、不耐過充過放、安全性需提高、低溫性能差 | 比能量小、場(chǎng)地要求高 | 維護(hù)成本高、能量密度低、自放電嚴(yán)重 | 工作溫度高、過度充放電時(shí)很危險(xiǎn) |
電池名詞解析
SOX：全稱是State Of X,電池的狀態(tài)描述，H是英文Health,C是容量，P是功率，E是能量，有點(diǎn)像發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)，排量，功率，能量，運(yùn)行時(shí)間等。大致意思是一致的。
SOC：(State of Charge) 指電池的荷電量，電池的電量好比水桶中的水，在某一時(shí)刻電池中含有多少可用電量即稱為該時(shí)刻電池的SOC.在完全放電完畢的情況下SOC為0，完全充滿電的情況下SOC為1?？捎萌萘?實(shí)際容量。
DOD: (Depth of Discharge) 指電池的放電深度，電池在充滿的情況下其DOD為0，完全放電完畢其DOD為1，所以，正常情框下面電池的DOD是一個(gè)介于0和1之間的數(shù)值，DOD和SOC的關(guān)系為：DOD+SOC＝1。
SOH：(State of health) 指電池當(dāng)前實(shí)際容量/電池初始額定容量，隨著電池老化，SOH會(huì)不斷降低。 一般根據(jù)容量和內(nèi)阻來衡量
采用電池容量衰減定義SOH的文獻(xiàn)最多，給出的 SOH定義如下：
式中：Caged為電池當(dāng)前容量；Crated為電池額定容量。
鋰電池發(fā)展歷史
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzAwNTA5NTYxOA==&mid=2650872680&idx=1&sn=97ab3c95cbf8eeb16ef75ad18700d970&scene=21#wechat_redirect
鋰電池分類
鋰電池分類
按實(shí)用性能分：功率型（短跑，短時(shí)高功率輸出）和能量型（長(zhǎng)跑，高能量存儲(chǔ)）
按外觀：圓柱，方形（鋼/鋁外殼），軟包（鋁塑膜）
按電解質(zhì)材料：液態(tài)鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）。
液態(tài)鋰離子電池使用液體電解質(zhì)（目前動(dòng)力用電池多為此種）。聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是“干態(tài)”的，也可以是“膠態(tài)”的，目前大部分采用聚合物凝膠電解質(zhì)。關(guān)于固態(tài)電池，嚴(yán)格意義上的是指電極和電解質(zhì)均為固態(tài)的。
按正極材料：磷酸鐵鋰電池（LFP）、鈷酸鋰電池（LCO）、錳酸鋰電池（LMO）、（二元電池：鎳錳酸鋰/鎳鈷酸鋰）、（三元：鎳鈷錳酸鋰電池（NCM）、鎳鈷鋁酸鋰電池（NCA））。
按負(fù)極材料：鈦酸鋰電池（LTO）、石墨烯電池、納米碳纖維電池。
18650電池
18650是一種鋰離子電池的型號(hào),類似干電池的7號(hào)5號(hào)1號(hào)等等。
18650是鋰離子電池的鼻祖--日本SONY公司當(dāng)年為了節(jié)省成本而定下的一種標(biāo)準(zhǔn)性的鋰離子電池型號(hào)，其中18表示直徑為18mm，65表示長(zhǎng)度為65mm，0表示為圓柱形電池。 常見的18650電池分為鋰離子電池、磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池電壓為標(biāo)稱電壓為3.7v，充電截止電壓為4.2v，容量通常為1200mAh-3350mAh，磷酸鐵鋰電池標(biāo)稱電壓為3.2V，充電截止電壓為3.6v，常見容量是2200mAh-2600mAh。
18650的優(yōu)點(diǎn)：
標(biāo)準(zhǔn)化：18650電池是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰離子電池，日本廠商積在一致性方面積累了很高水準(zhǔn)，單個(gè)電池發(fā)生問題時(shí)好替換。
安全性：18650電池一般是鋼殼，相對(duì)于可能的碰撞問題方面安全性更好；而且隨著18650電池生產(chǎn)工藝水平的的不斷提高，安全性也在不斷提高。鋼殼鋰電池容易發(fā)生爆炸問題，不過現(xiàn)在18650電芯上都設(shè)計(jì)有安全閥，不僅可以釋放內(nèi)部過大壓力，還會(huì)物理斷開電池與外界的電路連接，相當(dāng)于將該電芯物理隔斷，以保證電池包其它電芯的安全。
但其他電池與之相比也有一定優(yōu)勢(shì)，例如聚合物鋰電池的相對(duì)安全性高，能量密度高，包裝膜強(qiáng)度低，不會(huì)爆炸，最惡劣就是燃燒。能夠定制設(shè)計(jì)，但相應(yīng)研發(fā)成本提高，通用性降低。
磷酸鐵鋰電池（LFP）
磷酸鋰鐵（分子式LiFePO4，Lithium Iron Phosphate ，又稱磷酸鐵鋰、鋰鐵磷，簡(jiǎn)稱LFP），是一種鋰離子電池的正極材料，也稱為鋰鐵磷電池，特色是不含鈷等貴重元素，原料價(jià)格低且磷、鋰、鐵存在于地球的資源含量豐富，不會(huì)有供料問題。其工作電壓適中（3.2V）、電容量大（170mAh/g）、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。
鋰電池電壓、容量
鋰離子電池的電壓只能是 3.7V 嗎? - 知乎
鋰電池容量
鋰離子電池的電壓會(huì)隨著放電電流、環(huán)境溫度和正負(fù)極材料的不同而變化。
這張圖是使用鈷酸鋰作正極材料的松下2550mAh鋰離子電池的放電曲線，從上到下3根曲線代表使用三種不同的放電電流時(shí)電壓和容量變化的情況。
首先，在充放電過程中，電壓是持續(xù)變化的。以490mA為例，電池充滿電時(shí)開路電壓為4.2V，隨著放電的進(jìn)行，電壓（縱坐標(biāo)）緩慢降低，放出的電量（橫坐標(biāo)）逐漸增加，直至3.5V時(shí)電壓開始陡降。雖然在整個(gè)放電過程中電壓一直都在變化，但為簡(jiǎn)單起見，只把曲線平緩放電部分的均值3.7V標(biāo)注為電池電壓。這段電壓也叫做標(biāo)稱電壓。
該電壓是在小電流和室溫環(huán)境下測(cè)得的，會(huì)隨放電電流增大和溫度降低而減小。
另一個(gè)影響電池電壓的重要因素是正負(fù)極材料，上述松下電池分別使用鈷酸鋰和石墨作為正負(fù)極材料，這也是前幾年整個(gè)鋰電池產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)材料。隨著新材料在電池中的應(yīng)用，這兩年出現(xiàn)了一些3.6V或3.8V的鋰電池，它們使用了不同的正極材料，相對(duì)于鈷酸鋰電池，它們都能提高能量密度，即在單位重量和體積內(nèi)存儲(chǔ)更多的電量。
充電終止電壓 | 標(biāo)稱電壓 | 放電終止電壓 | |
鋰離子電池 | 4.2V | 3.7V | 2.7V |
磷酸鐵鋰電池 | 3.6V | 3.2V | 2.0V |
電池容量分為額定容量和實(shí)際容量。
1、實(shí)際容量是指在一定的放電條件下，電池實(shí)際放出的電量。實(shí)際容量總是低于理論容量。
2、額定容量是指在設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定電池在一定放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量。
電池容量一般以AH(安培小時(shí)，安時(shí))計(jì)算，單體電池上為了方便一般都標(biāo)注為mAh（毫安時(shí)）。若電池的額定容量是1300mAh，即130mA的電流給電池放電，那么該電池可以持續(xù)工作10小時(shí)（1300mAh/130mA=10h）。這是理想狀態(tài)下的分析，數(shù)碼設(shè)備實(shí)際工作時(shí)的電流不可能始終恒定在某一數(shù)值。
18650鋰電池的容量一般為1200mah~3600mah之間。
現(xiàn)在衡量手機(jī)電池容量的單位是mAh，高中知識(shí)告訴我們，這是電量的單位，還需要乘上個(gè)電壓才是能量的單位。
電池容量計(jì)算方法：
電池能量計(jì)算方法：
等等，手機(jī)消耗的明明是能量，怎么用個(gè)電量的單位來衡量它？！這其實(shí)是因?yàn)樵谑謾C(jī)這類便攜式電子設(shè)備中，為了減小電池的體積，鋰離子電池的正極使用的都是鈷酸鋰，這種正極材料具有很高的壓實(shí)密度。正因?yàn)槭謾C(jī)電池的正極用的都是同一種材料，所以電池的電壓都比較接近（理論上是3.7V，這個(gè)具體和不同電池生產(chǎn)商的工藝有關(guān)），再加上手機(jī)里面往往只有一塊單體電池（請(qǐng)忽視最近某手機(jī)廠出的某款手機(jī)，里面有兩塊2000mAh的電池），只用容量其實(shí)就可以衡量電池儲(chǔ)存能量的大小。
但是電腦上的電池卻會(huì)同時(shí)標(biāo)注電池的容量（電量）和能量。這是因?yàn)椋娔X中不只有一塊單體電池啊，里面有很多塊電池串并聯(lián)，形成了電池組，就不能用電池的容量來衡量了。高中知識(shí)告訴我們：同一型號(hào)的電池，電池并聯(lián)后，電池組的電壓不變，但會(huì)增加電池組的容量；電池串聯(lián)，電池組的容量不變，但是會(huì)增加電池組的電壓。
電池并聯(lián) | 來源：esigara.eu
電池串聯(lián) | 來源：batteryuniversity.com
現(xiàn)在就以小編手頭上的這臺(tái)筆記本電腦為例，它的規(guī)格參數(shù)上寫著“57.4Wh/7565mAh@7.6V（典型容量）”，這就說明，這是由四塊容量為3782.5mAh，電壓為3.8V鋰離子電池串并聯(lián)形成的電池組，7565mAh×7.6V=57.494Wh。那么為什么不是由兩塊7565mAh的電池串聯(lián)呢？嘿嘿，7565mAh的電池容量太大了，對(duì)生產(chǎn)的要求比較高；其次3782.5mAh的電池其實(shí)就是手機(jī)上用的電池，對(duì)工廠來說，只要一條生產(chǎn)線就可以同時(shí)生產(chǎn)手機(jī)、電腦用的電池，這樣可以減少成本。
然后小編去看了另一臺(tái)筆記本電腦的電池規(guī)格參數(shù)，見下圖。
乍一看，這塊電池的容量就比手機(jī)電池大一點(diǎn)，怎么能給筆記本電腦用？但是看一下它的電壓就恍然大悟。這是由6塊容量為2200mAh，電壓為3.6V的電池串并聯(lián)而成的，也就是傳說中的6芯鋰離子電池（里面有6個(gè)單體電池）。從這根電池的形狀（長(zhǎng)長(zhǎng)的）和2200mAh的容量可以看出，這是18650電池（就是電池直徑為18mm，高度為65mm的圓柱電池）。
所以，衡量電池的續(xù)航能力，還是看能量比較靠譜，自己動(dòng)手算一算。
為什么選擇鋰離子電池
輕便
鋰離子電池的重量能量密度目前一般在200～260wh/g；鉛酸電池一般在50~70wh/g，鎳氫電池在40～70wh/kg。這就意味著相同容量的情況下，另外兩種電池是鋰電池的3~5倍重。所以在儲(chǔ)能裝置輕量化上，鋰電池占居絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。
鋰電池的體積容量密度通常是鉛酸電池的1.5倍左右，鎳氫電池的能量密度只有鋰離子電池的60-80%，所以相同容量的情況下，鋰電池的體積也更小。
充電快
由于鋰離子性能活潑，在電池內(nèi)部移動(dòng)的速度較快，所以充電電流較大，充電速度較快，一根鋰離子電池大約3小時(shí)就能充滿；而鎳氫電池充電速度很慢，充滿大致需要1天。
沒有記憶效應(yīng)
記憶效應(yīng)是電池因?yàn)槭褂枚闺姵貎?nèi)容物產(chǎn)生結(jié)晶的一種效應(yīng)。對(duì)鎳基電池來說，放久了之后鎳極板上的晶體會(huì)變得粗大，影響和電解液的接觸，導(dǎo)致容量下降。進(jìn)行幾次完全的充放電能讓晶粒細(xì)化，讓容量部分恢復(fù)，這就是所謂的“激活”。
而鋰電池并沒有記憶效應(yīng)，只需要通過3-5次正常的充放循環(huán)就可以激活電池，恢復(fù)正常容量。
環(huán)保
在環(huán)保政策下，為了保障所處的環(huán)境能夠減少污染，在鉛酸電池的生產(chǎn)，使用和回收中，都存在因處理不當(dāng)而造成的污染，而鋰電池由于本身的包裝和密封工作比較完善，會(huì)相對(duì)環(huán)保一些。
鋰電池的安全性問題
鋰電池有輕便、充電快等優(yōu)點(diǎn)，那為什么鉛酸電池等其他二次電池也還在市場(chǎng)流通呢？
除了成本、適用領(lǐng)域不同等問題，還有一個(gè)原因是安全性。
鋰是世界上最活潑的金屬，由于其化學(xué)特性太活潑，當(dāng)鋰金屬暴露在空氣中時(shí)會(huì)與氧氣產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)，因此容易產(chǎn)生爆炸、燃燒等現(xiàn)象。此外，鋰電池充放電過程中內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)，爆炸和自燃主要都是因?yàn)殇囯姵匕l(fā)熱后所累積起來、來不及擴(kuò)散和釋放所導(dǎo)致的。簡(jiǎn)單來說就是鋰電池在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高以及單體電池之間的溫度不均勻，從而造成電池的性能不穩(wěn)定。
熱失控
鋰離子電池的不安全行為（包括電池在過充過放、快速充放電、短路、機(jī)械濫用條件和高溫?zé)釠_擊等情況）容易觸發(fā)電池內(nèi)部的危險(xiǎn)性副反應(yīng)而產(chǎn)生熱量，直接破壞負(fù)極和正極表面的鈍化膜。
鋰離子電池?zé)崾Э厥鹿实挠|發(fā)原因有很多種，根據(jù)觸發(fā)的特征，可以分為機(jī)械濫用觸發(fā)、電濫用觸發(fā)和熱濫用觸發(fā)三種方式。
機(jī)械濫用：指的是由汽車碰撞等引起的針刺、擠壓以及重物沖擊等；
電濫用：一般由電壓管理不當(dāng)或電器元件故障引起，包括短路、過充電和過放電等；
熱濫用：由溫度管理不當(dāng)導(dǎo)致的過熱引起的。
這三種觸發(fā)方式之間相互關(guān)聯(lián)，如上圖所示，機(jī)械濫用一般會(huì)引起電池隔膜的變形或破裂，導(dǎo)致電池內(nèi)部正負(fù)極直接接觸短路，出現(xiàn)電濫用；而電濫用下，焦耳熱等產(chǎn)熱增加，引起電池溫度上升，發(fā)展為熱濫用，進(jìn)一步觸發(fā)電池內(nèi)部的鏈?zhǔn)疆a(chǎn)熱副反應(yīng)，最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э匕l(fā)生。
電池?zé)崾Э囟际怯捎陔姵氐纳鸁崴俾蔬h(yuǎn)高于散熱速率，且熱量大量累積而未及時(shí)散發(fā)出去所引起的。從本質(zhì)上而言，“熱失控”是一個(gè)能量正反饋循環(huán)過程：升高的溫度會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)變熱，系統(tǒng)變熱后溫度升高，又反過來讓系統(tǒng)變得更熱。
熱失控的過程：
過充
過充時(shí)析出鋰枝晶的問題：
鈷酸鋰電池，在充滿電后，仍有大量的鋰離子留在正極。也就是說，負(fù)極上容納不了更多的附著在正極上的鋰離子，但在過充狀態(tài)下，正極上多余的鋰離子仍會(huì)向負(fù)極游動(dòng)，因不能完全容納便會(huì)在負(fù)極上形成金屬鋰，由于這種金屬鋰是樹枝狀的晶體，因而被稱為枝晶，枝晶過長(zhǎng)后容易刺穿隔膜，導(dǎo)致內(nèi)部短路。由于電解液的主要成分是碳酸脂，燃點(diǎn)和沸點(diǎn)較低，這樣，在溫度較高的情況下就會(huì)燃燒甚至爆炸。
如果是聚合物鋰電池，電解液為膠體，容易發(fā)生更猛烈的燃燒。
為了解決這一點(diǎn)，科學(xué)家們嘗試更換更安全的正極材料。錳酸鋰電池的材料具有一定的優(yōu)點(diǎn)，它可以保證在滿電狀態(tài)下，正極的鋰離子可以完全嵌入到負(fù)極炭孔中，而不是像鈷酸鋰那樣會(huì)在正極有一定殘留，一定程度上避免了枝晶的產(chǎn)生。錳酸鋰穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)使其氧化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，即使外部短路(而非內(nèi)部短路)，也基本能避免析出金屬鋰引發(fā)燃燒和爆炸。磷酸鐵鋰的熱穩(wěn)定更高，電解液氧化能力低，因而安全性高。
老化
鋰離子電池的老化衰減外在表現(xiàn)為容量衰減和內(nèi)阻增加，其內(nèi)部的老化衰減機(jī)理包括正負(fù)極活性材料損失和可用鋰離子損失等。
當(dāng)發(fā)生負(fù)極材料老化衰減、負(fù)極容量不足的情況時(shí)，也更易發(fā)生負(fù)極析鋰的危險(xiǎn)。
在過放電等情況下，負(fù)極對(duì)鋰電勢(shì)會(huì)升高到3V以上，高于銅的溶解電位，造成銅集流體的溶解。溶解的銅離子會(huì)在正極表面析出，并形成銅枝晶。銅枝晶會(huì)穿過隔膜，造成內(nèi)短路，嚴(yán)重影響電池的安全性能。
此外，老化電池的耐過充能力會(huì)有一定程度的下降，主要由于內(nèi)阻增加和正負(fù)極活性物質(zhì)的減少，導(dǎo)致電池過充電過程中焦耳熱增加，在更少的過充電量下便可能觸發(fā)副反應(yīng)，引發(fā)電池?zé)崾Э?。而在熱穩(wěn)定性方面，負(fù)極析鋰會(huì)導(dǎo)致電池?zé)岱€(wěn)定性的急劇下降。
總而言之，老化后的電池安全性能會(huì)大大降低，嚴(yán)重危害電池的安全。
解決辦法
最常見的方案是為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)配備電池管理系統(tǒng)（BMS），例如Tesla Model S中使用的8000個(gè)18650電池，就是通過其電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池各種物理參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估電池使用狀態(tài)、并進(jìn)行在線診斷和預(yù)警，同時(shí)也能夠進(jìn)行放電與預(yù)充控制、電池的均衡管理和熱管理等。
鋰電池應(yīng)用
現(xiàn)階段，在鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，應(yīng)用的大多是磷酸鐵鋰（LFP）電池。磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。
三元鋰電池（Ternary Lithium Battery），是指以鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰為正極材料，以石墨為負(fù)極材料，以六氟磷酸鋰為主的鋰鹽作為電解質(zhì)的鋰電池。 因?yàn)槠湔龢O材料包含了鎳、鈷、錳/鋁三種金屬元素，因此得名“三元”。三元鋰電池主要應(yīng)用在動(dòng)力電池領(lǐng)域，稍微犧牲其能量密度等指標(biāo)，以達(dá)到更高的安全性。
參考：
關(guān)于鋰離子電池，你所不知道的一些事兒
鈷酸鋰18650鋰電池與磷酸鐵鋰18650鋰電池參數(shù)
鋰離子電池的安全性：熱失控、材料、老化、工藝
鋰電池安全嗎？會(huì)爆炸嗎？種類有哪些？各種類鋰電池的安全性比較
鋰電池安全問題真的無解嗎？
高同