原理和定義

2020-08-11 08:07

電池或存儲系統的容量和能量

電池或蓄電池的容量是根據特定溫度，充電和放電電流值以及充電或放電時間存儲的電量。

額定容量和C率

C速率用於縮放電池的充電和放電電流。對於給定的容量，C速率是一種度量，用於指示電池以什麼電流充電以及 放電以達到其定義的容量。 

1C（或C / 1）充電會在一個小時內以1000 A的電流加載額定為1000 Ah的電池，因此一小時結束時，電池的容量將達到1000 Ah。 1C（或C / 1）放電會以相同的速率消耗電池電量。
0.5C或（C / 2）的充電會在500 A的電流下加載額定為1000 Ah的電池，因此以1000 Ah的額定容量充電需要兩個小時。
2C充電可為2000 A的電池充電，額定電流為1000 Ah，因此理論上以1000 Ah的額定容量充電需要30分鐘。
通常在電池上標有Ah額定值。
最後一個示例是，額定容量為C10（或C / 10）為3000 Ah的鉛酸電池應在10小時內充電或放電，而電流為300A。

為什麼知道電池的C速率或C速率很重要

C速率是電池的重要數據，因為對於大多數電池而言，存儲或可用的能量取決於充電或放電電流的速度。通常，對於給定的容量，如果在1小時內放電，則比20小時內放電的能量要少；反之，在1小時內充電100 A電流的電池中，所存儲的能量要比充電1小時的能量少。 10小時內10A。

計算電池系統輸出中可用電流的公式

如何根據C率計算電池的輸出電流，功率和能量？
最簡單的公式是：

I =鉻* Er
要么
鉻= I / Er
哪裡
Er =儲存在Ah中的額定能量（製造商給定的電池額定容量）
I =充電或放電電流，單位為安培（A）
Cr =電池的C率
根據電流和額定容量獲得充電或充電或放電時間“ t”的公式為：
t = Er / I
t =時間，充電或放電持續時間（運行時間），以小時為單位
Cr與t的關係：
鉻= 1 / t
t = 1 /鉻

鋰離子電池如何工作

鋰離子電池 這些天非常受歡迎。您可以在筆記本電腦，PDA，手機和iPod中找到它們。它們之所以如此普遍，是因為它們是一磅一磅的電池，是目前市場上最具活力的可充電電池。

鋰離子電池最近也有新聞報導。這是因為這些電池偶爾會起火。這種情況不是很常見-每百萬隻使用兩到三個電池組就會出現問題-但當這種情況發生時，這是極端的情況。在某些情況下，故障率可能會上升，而一旦發生這種情況，您最終將在全球範圍內召回電池，這可能使製造商損失數百萬美元。

所以問題是，是什麼讓這些電池如此充滿活力，如此受歡迎？他們如何爆炸？您是否可以採取任何措施來防止該問題或使電池使用時間更長？在本文中，我們將回答這些問題以及更多問題。

鋰離子電池之所以受歡迎，是因為它們比競爭技術具有許多重要優勢：

• 它們通常比相同尺寸的其他類型的充電電池輕得多。鋰離子電池的電極由輕量的鋰和碳製成。鋰也是一種高反應性元素，這意味著大量能量可以存儲在其原子鍵中。對於鋰離子電池，這轉化為非常高的能量密度。這是一種透視能量密度的方法。典型的鋰離子電池在1千克電池中可以存儲150瓦時的電量。 NiMH（鎳氫金屬）電池組每公斤可以存儲100瓦時，儘管60到70瓦時更為典型。鉛酸電池每公斤只能存儲25瓦時。使用鉛酸技術，需要花費6公斤才能存儲1公斤鋰離子電池可以處理的能量。那是很大的不同
• 他們負責。鋰離子電池組每月只損失約5％的電量，而鎳氫電池每月損失20％。
• 它們沒有記憶效應，這意味著您無需像其他電池化學物質一樣在充電之前將它們完全放電。
• 鋰離子電池可以處理數百次充電/放電循環。

但這並不是說鋰離子電池是完美的。它們也有一些缺點：

• 他們一離開工廠就開始降解。無論您是否使用它們，它們都將從製造日期算起僅持續兩三年。
• 它們對高溫極其敏感。熱量會使鋰離子電池組的降解速度比正常情況快得多。
• 如果將鋰離子電池完全放電，則會損壞。
• 鋰離子電池組必須具有車載計算機才能管理電池。這使它們比以前更加昂貴。
• 如果鋰離子電池組發生故障，極有可能會爆炸。

通過查看鋰離子電池內部的化學性質，可以了解許多這些特性。接下來我們來看。

鋰離子電池組有各種形狀和尺寸，但內部看起來都差不多。如果要拆開筆記本電腦的電池組（由於電池短路和起火的可能性，我們不建議您這樣做），您會發現以下情況：

• 鋰離子電池可以是外觀幾乎與AA電池相同的圓柱形電池，也可以是棱柱形的，這意味著它們是方形或矩形的。該計算機包括：
• 一個或多個溫度傳感器來監控電池溫度
• 電壓轉換器和調節器電路，可保持電壓和電流的安全水平
• 屏蔽式筆記本電腦連接器，可讓電源和信息流入和流出電池組
• 電壓抽頭，用於監視電池組中單個電池的電量
• 電池充電狀態監視器，這是一台小型計算機，可以處理整個充電過程，以確保電池盡快快速充滿電。

如果電池組在充電或使用過程中溫度過高，計算機將關閉電源以嘗試冷卻電池。如果您將筆記本電腦放在非常熱的汽車中並嘗試使用筆記本電腦，則此筆記本計算機可能會在您冷卻之前一直無法開機。如果電池完全放電，電池將因為電池損壞而關閉。它還可以跟踪充電/放電循環的次數並發送信息，以便筆記本電腦的電池電量表可以告訴您電池中還剩多少電量。

這是一台非常複雜的小型計算機，它從電池中汲取能量。這種功耗是鋰離子電池閒置時每月損失5％電量的原因之一。

鋰離子電池

與大多數電池一樣，您的外殼由金屬製成。在這裡，金屬的使用特別重要，因為電池是加壓的。該金屬外殼具有某種壓敏通風孔。如果電池過熱，有可能因超壓而爆炸，則此通風孔將釋放額外的壓力。此後電池可能會沒用了，因此應避免這種情況。通風孔嚴格位於安全位置。正溫度係數（PTC）開關也是如此，該器件應能夠防止電池過熱。

該金屬外殼保持一個長螺旋狀，包括三個壓在一起的薄片：

• 正極
• 負極
• 分隔符

在錶殼內部，這些薄板浸沒在用作電解質的有機溶劑中。醚是一種常見的溶劑。

分離器是非常薄的微孔塑料薄片。顧名思義，它將正極和負極分開，同時允許離子通過。

正極由鈷酸鋰或LiCoO2製成。負極由碳製成。當電池充電時，鋰離子通過電解質從正電極移動到負電極並附著在碳上。在放電過程中，鋰離子從碳移回到LiCoO2。

這些鋰離子的移動發生在相當高的電壓下，因此每個電池產生3.7伏特。這比您在超市購買的普通AA鹼性電池的1.5伏特高得多，這有助於使鋰離子電池在諸如手機之類的小型設備中變得更緊湊。有關不同電池化學成分的詳細信息，請參見電池的工作原理。

我們將研究如何延長鋰離子電池的壽命，並探討為什麼它們接下來會爆炸。

鋰離子電池的生與死

鋰離子電池組價格昂貴，因此，如果要延長使用壽命，請牢記以下幾點：

• 鋰離子化學方法更喜歡局部放電而不是深度放電，因此最好避免將電池完全降低到零。由於鋰離子化學物質沒有“記憶”，因此不會因部分放電而損壞電池組。如果鋰離子電池的電壓降到一定水平以下，就會被破壞。
• 鋰離子電池老化。即使它們閒置在架子上，它們也只能使用兩到三年。因此，不要以為電池組可以使用五年來“避免使用”電池。不會的另外，如果您要購買新的電池組，則要確保它確實是新的。如果它已經在商店的貨架上坐了一年，它不會持續很長時間。製造日期很重要。
• 避免加熱，否則會使電池退化。

爆炸電池

現在我們知道瞭如何使鋰離子電池工作更長的時間，讓我們看看它們為什麼會爆炸。

如果電池變熱足以點燃電解液，則將著火。網絡上有視頻片段和照片，顯示了這些火災的嚴重程度。 CBC的文章“爆炸性筆記本電腦的夏天”總結了其中幾起事件。

當發生此類火災時，通常是由於電池內部短路引起的。回顧上一節，鋰離子電池包含一個分隔板，可將正極和負極分隔開。如果該板被刺穿並且電極接觸，則電池會很快加熱。如果您將普通的9伏電池放在口袋裡，您可能已經經歷過電池會產生的熱量。如果硬幣在兩個端子之間短路，則電池會變得很熱。

如果隔板發生故障，鋰離子電池內部也會發生同樣的短路現象。由於鋰離子電池能量很高，因此它們會變得很熱。熱量會使電池排出用作電解質的有機溶劑，而熱量（或附近的火花）會點燃它。一旦其中一個電池內部發生火災，火的熱量就會散佈到其他電池上，整個煙囪會燃燒起來。

重要的是要注意，火災非常罕見。不過，只需要幾口大火和一點媒體 覆蓋範圍以提醒召回。

不同的鋰技術

首先，重要的是要注意，有許多類型的“鋰離子”電池。在此定義中要注意的一點是“電池組”。
該系列中有幾種不同的“鋰離子”電池，其正極和負極採用不同的材料。結果，它們表現出非常不同的特性，因此適用於不同的應用。

磷酸鐵鋰（LiFePO4）

磷酸鐵鋰（LiFePO4）是澳大利亞著名的鋰技術，因其用途廣泛且適用於廣泛的應用。
價格低，安全性高和比能量高的特性使其成為許多應用的強大選擇。
LiFePO4電池的電壓為3.2V /電池，也使其成為許多關鍵應用中替代密封鉛酸的首選鋰技術。

鋰電池

在所有可用的鋰選項中，為什麼選擇LiFePO4作為替代SLA的理想鋰技術有多個原因。在查看SLA當前存在的主要應用程序時，主要原因歸結於其良好的特性。這些包括：

• 與SLA相似的電壓（每個電池3.2V x 4 = 12.8V）使其非常適合SLA更換。
• 最安全的鋰技術形式。
• 環保–磷酸鹽無害，因此對環境友好，對健康無害。
• 溫度範圍廣。

的功能和優點 磷酸鐵鋰 與SLA相比

以下是磷酸鐵鋰電池的一些關鍵功能，這些電池在許多應用中都提供了SLA的一些重要優勢。這絕對不是一個完整的列表，但是確實涵蓋了關鍵項目。已選擇100AH AGM電池作為SLA，因為它是深循環應用中最常用的電池之一。將此100AH AGM與100AH LiFePO4進行了比較，以便盡可能地比較相似。

功能–重量：

比較方式

• LifePO4不到SLA重量的一半
• AGM深循環– 27.5Kg
• LiFePO4 – 12.2Kg

好處

• 提高燃油效率
  • 在大篷車和船上的應用中，拖曳重量得以減輕。
• 提高速度
  • 在船上應用中，可以提高水速
• 減輕整體重量
• 運行時間更長

重量在許多應用中都有很大的影響，特別是在涉及牽引或速度的地方，例如大篷車和划船。其他應用包括需要攜帶電池的便攜式照明和相機應用。

功能–更長的循環壽命：

比較方式

• 循環壽命長達6倍
• AGM深循環– 300次循環@ 100％DoD
• LiFePO4 – 2000次循環@ 100％DoD

好處

• 更低的總擁有成本（LiFePO4的電池使用壽命內每千瓦時的成本要低得多）
• 降低更換成本–在需要更換LiFePO4之前最多更換6次AGM

更長的循環壽命意味著LiFePO4電池的額外前期成本遠遠超過了電池的整個使用壽命。如果每天使用一次，則大約需要更換一次AGM。 LiFePO4需要更換之前的6次

功能–平坦的放電曲線：

比較方式

• 在0.2C（20A）放電
• AGM –下降至12V以下
• 1.5小時的運行時間
• LiFePO4 –運行約4小時後降至12V以下

好處

• 更有效地利用電池容量
• 功率=伏特x安培
• 一旦電壓開始下降，電池將需要提供更高的安培來提供相同的電量。
• 較高的電壓對電子產品更好
• 設備運行時間更長
• 即使在高放電率下也能充分利用容量
• AGM @ 1C放電= 50％容量
• LiFePO4 @ 1C放電= 100％容量

此功能鮮為人知，但具有很強的優勢，並且具有多項優勢。由於LiFePO4的放電曲線平坦，因此端子電壓可保持12V以上，從而可達到85-90％的容量使用率。因此，為了提供相同的功率（P = VxA），需要較少的安培數，因此，更有效地利用容量會導致更長的運行時間。用戶也不會注意到設備的速度變慢（例如高爾夫球車）。

與此同時，鋰的Peukert定律的影響遠不如AGM大。不管放電率如何，這都會導致電池容量的很大一部分可用。在1C（或100AH電池100A放電）下，LiFePO4選件仍將為您提供100AH，而AGM僅提供50AH。

功能–容量使用增加：

比較方式

• AGM建議國防部= 50％
• LiFePO4推薦DoD = 80％
• AGM深循環– 100AH x 50％= 50Ah可用
• LiFePO4 – 100Ah x 80％= 80Ah
• 差異= 30Ah或容量使用增加60％

好處

• 延長了運行時間或更換了較小容量的電池

可用容量的增加使用意味著用戶可以從LiFePO4的相同容量選項中獲得最多60％的運行時間，或者選擇較小容量的LiFePO4電池，同時仍能實現與較大容量的AGM相同的運行時間。

功能–更高的充電效率：

比較方式

• 年度股東大會–充滿電大約需要8小時
• LiFePO4 –充滿電可低至2小時

好處

• 電池已充電，可以更快地再次使用

在許多應用中的另一個強大優勢。由於內部電阻較低等因素，LiFePO4可以比AGM接受更高的電荷率。這使它們可以充電並可以更快地使用，從而帶來很多好處。

特點–低自放電率：

比較方式

• AGM – 4個月後放電至80％SOC
• LiFePO4 – 8個月後放電至80％

好處

• 可以保存更長的時間

此功能是休閒車的重要功能，一年僅可使用幾個月，然後在一年中剩下的時間（例如大篷車，輪船，摩托車和摩托艇等）入庫。與此同時，LiFePO4不會鈣化，因此即使長時間放置，電池也不太可能永久損壞。 LiFePO4電池不會因未處於充滿電狀態而受到傷害。

因此，如果您的應用程序保證具有上述任何功能，那麼您肯定會物有所值，以額外購買LiFePO4電池。後續文章將在接下來的幾週內發布，其中將包括有關LiFePO4和不同鋰化學物質的安全性方面。