EETALK——与大家一起聊聊电池基本特性（老化与开路电压特性）

sjl2001

EETALK——与大家一起聊聊电池基本特性（老化与开路电压特性） [复制链接]

 

春节就这么不知不觉的过去了，我承认又犯懒了，这么久第二集电池讲座还没有出来，各位久等了。
首先回顾一下上一集的内容
https://bbs.eeworld.com.cn/thread-511714-1-1.html
上一集主要介绍了电池相关的基本概念，这一集将分析一下电池的基本特性。

锂离子电池内部化学反应主要依靠锂离子穿透隔膜在正负极之间的迁移储存和释放能量的。锂电池反应机理如图所示。

电池反应机理

负极材料一般是层状结构的石墨，一般以正极材料命名电池，如钴酸锂电池、磷酸铁锂电池等。锂离子电池利用的是化学反应形成的锂离子浓度差原理构成的，正负极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成。隔膜采用高强度薄膜聚烯烃多孔膜结构，主要作用是分隔正负电极防止短路，此外隔膜还具有导通电解质离子的功能。电子无法通过隔膜只能通过集流体从电池外部形成电流。充电时锂离子从正极脱出经过电解液嵌入负极，负极表面聚集大量锂离子呈富锂状态，正极呈现贫锂状态。此时，电子在外电路形成从正极到负极的电流进行电荷补偿。放电时锂离子从负极脱出，通过电解液嵌入正极，此时正极富锂状态，负极贫锂状态，外电路形成从负极到正极的电流进行电荷补偿。从锂离子电池电化学反应过程可以发现，锂离子传递电荷的能力与锂离子浓度和嵌入化合物的种类有关。
在稳定状态下不同soc状态电池电动势是存在固定的非线性关系的。具体曲线如图所示。

电池电压特性

从图中看，soc低的时候开路电压低，一直到20%soc时几乎是线性增大的，中间20%-60%和70%-100%有两个平台，在实际充电过程中由于极化现象充电末期电压有一个陡增的过程。这个图是磷酸铁锂电池开路电压曲线。三元材料电池也存在类似曲线，但中间平台期不那么明显。有感兴趣的可以找一些相关文献学习一下。

电池根据他的反应特点进行建模，比较常见的模型是等效电路模型

等效电路模型

模型中Uocv就是电动势，R是等效欧姆内组，表示电池正负极材料的固有物理属性，R1就是极化内组，属于电化学特性，并联的电容是极化电容。U代表测量得到的端电压。
电池在充放电过程中，由于电流的作用，内组上产生电压降，充电时高于开路电压，放电时低于开路电压。不同倍率电池放电曲线如图所示。

不同倍率电池放电曲线

电池欧姆内阻、极化内组曲线

图中R0是欧姆内组，R1是极化内组，较低SOC时欧姆内组大，极化内组也大，在中段SOC都相对平稳。一般电池内组几个毫伏，随温度变化规律如上图所示。
此外，锂离子电池老化特性也十分重要，包括日历老化和充放电循环使用造成的老化。所谓日历老化，就是化成完成后，长时间静置，电池容量会衰减，这个过程一般时间比较长，几个月甚至1年。而使用老化主要是电池使用过程中负极表面形成阻碍锂离子迁移的SEI膜，随着SEI膜的增厚，锂离子迁移受阻，传递能量也变少。典型的老化曲线如图所示。

电池老化曲线

图中是不同倍率循环老化的曲线，倍率越大老化越快。这只是恒流充放电老化的曲线，而实际工况下的老化还需要进一步研究，由于没有普遍性和对比的可能，所以一般都采用固定工况和循环老化来评价电池老化特性。


至此，电池开路电压特性、放电特性、老化特性、内组特性等都介绍完毕，希望上述内容对看客们有所益处。


老规矩，提两个问题：
1、从上面图中曲线看，在低温环境下放电时电池开路电压与室温相比大还是小？
2、电池老化后内组变化趋势增大还是减小？




免责声明：本期所用配图来自期刊文献和网络资源，如需转载请注明。本人对本文内容不负任何法律责任。

eric_wang

跟帖回答问题有机会获得10400mAh小米移动电源一个

恭喜@xyx518809  最终获得此移动电源

白丁

抢沙发

qwqwqw2088

总结的不错

低温下锂电池内阻变大，容量变小。低温时电解液粘度增加、锂离子在电解液中扩散系数降低，正负极表面阻抗大

在低温环境下放电时电池开路电压与室温相比，，，好像与剩余电量有关
比如，低温会使电池电压降低，如果用手捂一下就可以升高电压

gmchen

按照楼主给出的老化曲线大致算了一下，以容量下降到90%计算，每次全放电，寿命1200，总放电容量1200；每次放电80%，寿命4000不到一点，总放电容量3200不到一点；每次放电30%，寿命11000，总放电容量3300。看来锂电池还是要勤充电，至少不能放电80%以上。

sjl2001

gmchen 发表于 2017-2-10 09:55
按照楼主给出的老化曲线大致算了一下，以容量下降到90%计算，每次全放电，寿命1200，总放电容量1200；每次 ...

上述数据曲线都来自文献，所用电池存在个例，而且老化数据是恒流循环充放电得到的，与实际工况老化情况有区别。但是循环老化数据可以有一定的参考价值。电池使用尽量避免过高温度和过低温度下使用，如果DOD比较低，循环次数会多一些。尽量工作在电压平台期也是必要的，保证供电稳定性。

sjl2001

qwqwqw2088 发表于 2017-2-10 08:57
总结的不错

低温下锂电池内阻变大，容量变小。低温时电解液粘度增加、锂离子在电解液中扩散系数降低，正 ...

低温下放电确实存在你说的现象，低温下电压曲线畸变比较严重。低温下电量放不出来是可以恢复的，当温度回升后就能放出来了。用手吾一下 其实就是温度回升，这也是热管理常用的办法。

sjl2001

eric_wang 发表于 2017-2-10 14:09
跟帖回答问题有机会获得10400mAh小米移动电源一个

谢谢老大支持

lzwml

sjl2001 发表于 2017-2-10 14:23
低温下放电确实存在你说的现象，低温下电压曲线畸变比较严重。低温下电量放不出来是可以恢复的，当温度回 ...

手捂电池柯南《774 又甜又冰的宅急便》出现过

wmh522

gmchen

sjl2001 发表于 2017-2-10 14:20
上述数据曲线都来自文献，所用电池存在个例，而且老化数据是恒流循环充放电得到的，与实际工况老化情况有 ...

尽管是文献数据，参考价值还是很显然的。
又看了一遍所有的曲线，从容量-SOC来看，20%~30%有一个拐点。从内阻-SOC曲线来看，欧姆电阻变化比较平缓，极化电阻在30%~40%有明显变化。
由于手机一类电器，放电倍率是出厂已经基本固定的，用户唯一能控制的就是充放电的周期，上述曲线似乎也提示用户勤充电。以前用镍镉电池的时候怕记忆效应总是等彻底放电后再充电，看来锂电池要改变这个习惯了。

sjl2001

lzwml 发表于 2017-2-10 16:44
手捂电池柯南《774 又甜又冰的宅急便》出现过

  服了 对柯南是真爱啊

sjl2001

gmchen 发表于 2017-2-10 19:09
尽管是文献数据，参考价值还是很显然的。
又看了一遍所有的曲线，从容量-SOC来看，20%~30%有一个拐点。 ...

我还是觉得对于电子设备 不能用户将就电池 应该是电池配合用户使用习惯，按这个目标来看，现在的电子产品基本满足这个要求，但还需要注意充电周期，低温充电等问题。毕竟电池还没那么完美

okhxyyo

更多sjl2001关于电池方面的讨论尽在：
听sjl2001讲述关于电池的那些事儿
https://bbs.eeworld.com.cn/forum ... 1813&fromuid=536508

sjl2001

okhxyyo 发表于 2017-2-13 09:24
更多sjl2001关于电池方面的讨论尽在：
听sjl2001讲述关于电池的那些事儿
https://bbs.eeworld.com.cn/foru ...

谢谢挂链接

okhxyyo

sjl2001 发表于 2017-2-13 10:22
谢谢挂链接

内容非常精彩，我期待着更多出炉~~啦啦啦~~~

sjl2001

okhxyyo 发表于 2017-2-13 10:51
内容非常精彩，我期待着更多出炉~~啦啦啦~~~

我努力哈

okhxyyo

sjl2001 发表于 2017-2-13 11:10
我努力哈

加油！

xyx518809

有一个问题
soc与电压的关系那张图：
磷酸铁锂电池的上限电压应该在3.7V，下限电压应该是2V图中3.25V是平台电压，是50%SOC

sjl2001

xyx518809 发表于 2017-2-13 23:18
有一个问题
soc与电压的关系那张图：
磷酸铁锂电池的上限电压应该在3.7V，下限电压应该是2V图中3.25V是平 ...

一般磷酸铁锂电池充电上限截止电压3.65V，下限截止电压2.5V
你给出的这张图，缺少横坐标 应该是SOC，这个曲线不是所有电池都固定不变的，不同厂家和配方的电池都会有差别。具体3.25V对应多少soc要先实验测得这个曲线后才好判断。
另外，我说的soc-ocv对应曲线是指的开路电压，你这个是充电电压曲线，由于电池存在内阻，充电时会叠加一个过电势，所以这个实际曲线和开路电压曲线略有差别。简单的获得OCV的方法，就是用极小的电流充电和放电，尽可能小的减少过电势的影响，最终获得近似的开路电压曲线。