锂电池的基础知识以及性能介绍（不同类型的锂离子电池对比）

一 锂电池的分类

根据锂电池内锂的存在形态不同，锂电池可划分为锂金属电池和锂离子电池两大类。

图：锂电池分类图

1、锂金属电池

（1）原理：

锂金属电池是把锂金属作为电极，通过对金属锂的腐蚀或氧化而产生电能；

图：锂金属纽扣电池构成（图源来自网络）

（2）特点：

a）电能量高，远大于其他材料制造的干电池；

b）正因为电能量很高，所以锂金属电池容易发生火灾和爆炸；

c）锂金属电池的产品形态大多是一次性电池，不能充电和循环利用；

（3）用途：

锂金属电池应用最多的形式为纽扣电池。主要应用在电脑板卡或车钥匙等设备上，用作RTC时钟的备电供电或车钥匙供电。

（4）纽扣电池：

常见的纽扣电池形态有CR2016、CR2032、CR2450等。CR代表扣式锂锰电池的国际IEC编号、20&24代表电池直径为20&24mm、16/32/50代表电池厚度为16/32/50mm。

此类纽扣电池标准工作电压一般为3V且不可充电。CR2016常规容量在70mAh左右，CR2032容量可做到200mAh以上，CR2450容量则可以做到600mAh。

图：CR2450电池容量

纽扣电池最高电压不超过3.2V、最低电压2.0V，电池容量集中在2.8~3.0V区间。

由下述的电池放电曲线图可以看到：在3.0V~2.8V区间电池容量占比较多、电池电压比较稳定，2.8V以下电池电压迅速下跌。

图：CR2032纽扣电池放电曲线

2、锂离子电池

（1）原理：

锂离子电池是一种可充电电池，主要依靠锂离子在正极和负极之间往返嵌入和脱嵌实现充放电。充电时LI+充正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态。放电时则相反。

图：锂离子电池构成示意图（图源网络）

（2）分类：

锂离子电池还可以细分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池。

（a）液态锂离子电池

俗称“锂电”，电解质为液态电解质。正极材料一般为含锂的化合物（没有金属锂，只有锂离子），主流的正极材料是磷酸铁锂、锰酸锂、三元锂以及钴酸锂等。负极材料一般为石墨材料。电池形态主要为圆柱形金属外壳电池，如14500、18650、26500等。

市面上最为常见和广泛应用的是18650电池。目前市面上18650电池标称电压一般为3.6V或3.7V、最高电压一般为4.2V、主流容量从1800mAh到3000mAh不等。

18650含义：18指电池直径为18.0mm，65指电池高度为65.0mm，0指圆柱形电池。

图：18650电池

为了避免密封的金属外壳发生爆炸，液态锂离子电池（如18650电池）都会在电池外壳顶部配有安全阀（即电流切断装置CID，current interrupt device）。

安全阀是18650电池最重要的防爆措施。当电池电芯出现热失控时，内部产生大量气体导致电芯钢壳内部压力过大，CID就会发生变形与焊盘脱离，从而切断电流回路，同时还可通过对外排气减压避免电芯爆炸。但CID一旦动作电芯便会彻底失效，从电芯内部泄放出的化学物质在高温条件下和空气发生反应，也有可能出现起火现象。

图：18650电池CID设计图示

（b）聚合物锂离子电池

俗称“软包电池”，电解质为固态聚合物（凝胶态），因此软包电池容易做成各种形状。除电解质形态外，其余与液态锂离子电池基本相同。

优点：聚合物锂离子电池稳定性好，最为安全且能量密度高，电池电压也可以做的比较高（标称电压可以做到3.8V、最高电压可以做到4.35V）。电池外形也不受限。

缺点：成本比较高，使用不当（过充、过放、低温充电等）容易发生鼓包问题，易燃烧。

图：聚合物电池构成示意（电解液为凝胶态）

（c） 不同类型的锂离子电池对比

电池类型	液态锂离子电池 （以18650为例）	聚合物锂离子电池
示例照片

二

锂离子电池指标参数

1，电压

电池主要的电压参数包括标称电压、充电限制电压、放电截止电压以及出货电压等。

（1）标称电压：

也称额定电压。是电池标准放电过程中的平均电压，也是电池能量最为集中的电压点。标称电压值是电池整个放电过程中电压最稳定的电压区间。

锂电池的放电曲线一般分为三个阶段，如下图：以18650电池为例，第一阶段是电压快速下降阶段（最高电压~标称电压区间），第二阶段是缓慢变化阶段（标称电压区间）也是电池容量最集中的电压区间，第三阶段是急剧下降阶段（标称电压~最低电压区间）。

图：锂电池标准放电曲线示例

（2） 充电限制电压：

指电池允许的最高充电电压。充电高于此电压，可能会触发电池过充保护或损坏。

（3） 放电截止电压：

指电池放电的最低输出电压。放电低于此电压，可能会触发电池过放保护或损坏。

（4）出货电压：

指电池出货时的电压限制，出货电压指标和电池对应的使用场景和生产要求相关。

电池出货电压一般不会设置太高，大多设置在3.6V~3.9V左右。

出货电压太高电池运输风险也会变高。

图：锂电池电压参数示例

2，容量

电池容量参数主要包括标称容量和最小容量。

（1） 标称容量

是指锂电池生产厂家标明的锂电池容量。

（2）最小容量

是指在一定的放电条件下锂电池应放出的最低电量。电池厂商都会以最小容量参数作为电池生产的判断依据。

图：锂电池电压参数示例

一般电池的标称容量都会大于电池的最小容量。

3，内阻及电池温度特性

电池的内阻指标包括直流内阻、交流内阻。

（1）直流内阻：

直流内阻即DCR。直流内阻的测试方法一般是对电池施加特定的直流电流I，测量电池的压降差值ΔU，进而可得到电池的直流内阻DCR=ΔU/I。

（2）交流内阻：

交流内阻即ACR。交流内阻的测试方法是对电池施加特定频率（一般为1KHZ）的特定负载进行测量。电池规格书标注的大多是交流内阻

图：电池规格书中的内阻参数

直流内阻包含了电池的极化内阻，因而同一电池同一温度下的直流内阻都会大于交流内阻。

直流内阻的测试方法是对电池施加负载后测量电池电压跌落情况，比较符合电池实际的使用场景，因而电池的直流内阻参数可以较好地衡量电池正常工作时的放电表现。

电池的内阻数值还受电池充放电倍率、循环次数、电池结构、电池SOC以及环境温度等因素的影响。

（3）温度特性

低温时电池内部化学物质活性下降，因此低温时电池的内阻会急剧增大，相同电流下电芯本身的压降相应变高，导致低温时电池的输出电压和可放容量都会迅速降低。

图：电池不同温度下的输出电压和放电容量（图源网络）

普通锂电池的充电温度范围在0~45℃左右，并不支持0℃以下的低温充电。低温下较大电流的充电可能会对电池造成不可逆的损伤，会导致电池快速衰减，甚至可能会出现析锂等问题。

4，循环寿命

锂电池随着循环次数的增加，其可放电容量会随之慢慢衰减。

一般将电池容量降至额定容量的80%定义为电池寿命截止，此时对应电池的循环次数即为电池的循环寿命。

锂电池循环寿命对应的电池循环次数大多在500~1000次之间。品质好的锂电池循环寿命会更久、相应成本也会更高。

图：电池循环寿命指标（500次示例）

编辑：黄飞