芯耀
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一、電池原理及發(fā)展
在看鋰電池原理之前，我們先來(lái)看一下堿性干電池的工作原理，從簡(jiǎn)單的東西入門，也能夠看出技術(shù)的迭代過程，鍛煉創(chuàng)新思維。
干電池的主要工作原理就是氧化還原反應(yīng)在閉合回路中實(shí)現(xiàn)，其化學(xué)方程式為：Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2++Mn2O3+2NH3+H2O金屬鋅皮做的筒，也就是負(fù)極，電池放電就是氯化氨與鋅的電解反應(yīng)，釋放出的電荷由石墨傳導(dǎo)給正極碳棒，鋅和氯化氨的電解反應(yīng)會(huì)釋放氫氣，氫氣是會(huì)增加電池內(nèi)阻的，和石墨相混合的二氧化錳可以用來(lái)吸收氫氣。對(duì)于堿性電池而言，其化學(xué)反應(yīng)是單向的，一旦反應(yīng)結(jié)束，電池就變成了一堆無(wú)法再進(jìn)行新反應(yīng)的廢物。然而，通過電流的反向流動(dòng)，我們可以使化學(xué)反應(yīng)的方程式變得雙向。這實(shí)際上相當(dāng)于將電能儲(chǔ)存為化學(xué)能，從而推動(dòng)了可充電的二次電池的發(fā)明。在早期，我們的電子設(shè)備主要采用鉛酸電池。這一創(chuàng)新的關(guān)鍵在于電池的可逆性，使其能夠在充電和放電之間切換，從而實(shí)現(xiàn)反復(fù)使用，極大地提高了電池的壽命和效能。這項(xiàng)技術(shù)的推動(dòng)，為電子設(shè)備和其他領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。
對(duì)于鋰電池而言，其基本工作原理與其他電池類似，關(guān)鍵區(qū)別在于所使用的反應(yīng)材料。不同的材料在化學(xué)反應(yīng)后釋放的能量差異很大，因此相較于鉛酸電池，鋰電池具有更高的能量密度和放電倍率。由此帶來(lái)的結(jié)果是，鋰電池在存儲(chǔ)相同電量的情況下，能夠設(shè)計(jì)得更小更輕。
在相同的體積和重量下，鋰電池能夠?qū)崿F(xiàn)更大的電流輸出和更多的電量釋放。這使得鋰電池成為電子設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域的首選電源，因?yàn)樗粌H輕便，而且能夠提供更高效的能量輸出。鋰電池的這些優(yōu)勢(shì)對(duì)于現(xiàn)代便攜式技術(shù)的發(fā)展起到了重要推動(dòng)作用。
二、鋰電池的分類
那么選擇不同的正負(fù)極材料就相當(dāng)于更換了不同的化學(xué)方程式，因此他們的性能以及所產(chǎn)生的效果也就不同，因此鋰電池這一個(gè)系列，根據(jù)材料還可以分成很多細(xì)分的種類。
在當(dāng)前常見的鋰電池量產(chǎn)中，我們可以觀察到各種封裝形式。這里提到封裝形式，類似于芯片一樣，相同的芯片被封裝成不同的形態(tài)，有大有小。鋰電池同樣遵循這一原理，其內(nèi)部材料可能相似，但為了實(shí)現(xiàn)更出色的散熱、制造工藝和空間利用率等目標(biāo)，進(jìn)行了多種特殊設(shè)計(jì)，形成了上述各種不同樣式的鋰電池。以手機(jī)和電腦等電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用的鋰電池為例，最初采用的封裝形式是鋼殼的鋰電池。然而，由于鋼殼容易發(fā)生爆炸，工藝逐漸演進(jìn)為鋁殼，并最終發(fā)展為目前廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的鋁塑膜材質(zhì)的聚合物鋰電池。在一些稍大型設(shè)備中，常見的是被稱為圓柱形的18650鋰電池。為什么選擇制作成圓柱形呢？
我們可以聯(lián)想到電解電容，它們的機(jī)械結(jié)構(gòu)非常相似，都是兩層材料加上隔膜被卷繞起來(lái)。由于這種卷繞的加工方式極利于自動(dòng)化，因此大大降低了成本，在行業(yè)內(nèi)形成了一個(gè)良性循環(huán)。因此，許多新產(chǎn)品選擇采用這種標(biāo)準(zhǔn)的圓柱電芯，通過串并聯(lián)的方式組成電池組進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
回顧曾經(jīng)的山寨手機(jī)市場(chǎng)，設(shè)計(jì)各異的鋁殼聚合物電池層出不窮，最終隨著手機(jī)市場(chǎng)的變革，產(chǎn)生了大量廢棄物。因此，為了行業(yè)的良性發(fā)展，首先應(yīng)該確立規(guī)范，初具規(guī)模的企業(yè)更應(yīng)引領(lǐng)行業(yè)風(fēng)向，制定或推動(dòng)這樣的標(biāo)準(zhǔn)。
中間的藍(lán)色方型電池和比亞迪的刀片電池（僅拉長(zhǎng)形態(tài)），都是行業(yè)對(duì)新工藝的嘗試。它們?cè)跐M足更高可靠性的前提下，致力于滿足批量生產(chǎn)，進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
三、鋰電池的一些特性
四、鋰電池的一些參數(shù)定義
單體電池容量：電池在一定的放電條件下所能給出的荷電保持容量被稱為電池的容量，通常我們使用符號(hào) C 表示。常用的單位為安時(shí)（Ah），容量小的電池我們使用毫安時(shí)（mAh）。電池的容量可以分為理論容量，額定容量，實(shí)際容量，這也是一些國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中會(huì)設(shè)計(jì)到的一些定義和標(biāo)識(shí)。
對(duì)于理論容量，一般是用來(lái)評(píng)估某一個(gè)體系的電池的最高理論容量的，它是把活性物質(zhì)的質(zhì)量按法拉第定律計(jì)算而得的最高理論值。其目的是為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，也就是單位體積或者單位質(zhì)量下，電池所能給出的理論電量，單位為 Ah/kg，mAh/g或者 Ah/L, mAh/cm3。
實(shí)際容量是指電池在一定的放電條件下所能輸出的電量，它一般被定義為放電電流在放電時(shí)間上的積分，單位為 Ah 或者 mAh，一般由于各種效率和損耗問題，我們的實(shí)際容量是小于理論容量的。
額定容量也叫做保證容量，這個(gè)就牽扯到了國(guó)家或者相關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電量一般是要求電池在特定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量。
放電倍率：通常我們會(huì)選購(gòu)電池的時(shí)候會(huì)涉及到放電倍率這個(gè)參數(shù)，它指的是放電電流和放電容量之間的倍數(shù)關(guān)系。比如一個(gè)電池單體的容量為 3000mAh，如果這個(gè)電芯可以支持持續(xù)放電電流為 6000mA ,那么我們就可以標(biāo)稱這個(gè)電芯支持 2C 的充電倍率，對(duì)應(yīng)的充電也是一樣。
一般情況下，我們拿三元鋰電池舉例，單體電芯的容量在電芯廠進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，評(píng)估的方法是選取一定樣本量進(jìn)行放電容量檢測(cè)，檢測(cè)條件一般設(shè)為：室溫 25℃下，先通過 0.2C 的充電倍率進(jìn)行充電，充電至截止電壓 4.2V 后，靜置一段時(shí)間，然后通過 0.2C 的放電倍率進(jìn)行放電，截止電壓設(shè)置在 2.5V。最后計(jì)算出累積的放電電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，形成如上圖所示的正態(tài)分布圖。廠家通常也會(huì)提供不同條件下的放電容量。
電池的內(nèi)阻：電流通過電池內(nèi)部時(shí)會(huì)受到阻力，使得電池在放電的時(shí)候電壓會(huì)出現(xiàn)跌落，這種阻力被稱為電池的內(nèi)阻，他就是一個(gè)非理想的電壓源，隨著負(fù)載增大，輸出電壓會(huì)降低。電池的內(nèi)阻不是一個(gè)常數(shù)，它在放電過程中隨著時(shí)間的不斷變化，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的組成，電解液濃度的變化，環(huán)境溫度的變化等因素，也一直在變化，因此很難找到一個(gè)數(shù)學(xué)模型來(lái)描述電池的內(nèi)阻，我們一般都是通過測(cè)量的方式來(lái)評(píng)估電芯的內(nèi)阻。
電池的內(nèi)阻通常包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，歐姆電阻遵守歐姆定律；極化電阻會(huì)隨著電流密度的增加而增大，他們并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是隨著電流密度的對(duì)數(shù)增大而線性增大。
這個(gè)內(nèi)阻的存在使得電池放電時(shí)的端電壓低于電池電動(dòng)勢(shì)和開路電壓，而在充電的時(shí)候端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開路電壓。因此我們?cè)谕ㄟ^開路電壓進(jìn)行電池容量評(píng)估的時(shí)候，通常會(huì)使用這個(gè)電阻值進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。
電阻的測(cè)量通常分為交流內(nèi)阻測(cè)量和直流內(nèi)阻測(cè)量，一般情況下，我們?cè)O(shè)定的測(cè)試條件為：室溫 25 ℃，30%的 SOC。交流采用 1KHz，直流測(cè)試選擇 0.1Hz。如下圖為測(cè)試的樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：
