锂电池基本原理解析和充电及放电机制

　　电池充电最重要的就是这三步：

　　第一步：判断电压<3V，要先进行预充电，0.05C电流；

　　第二步：判断 3V<电压<4.2V，恒流充电0.2C~1C电流；

　　第三步：判断电压>4.2V，恒压充电，电压为4.20V，电流随电压的增加而减少，直到充满。

　　一、锂电池

　　1、简述锂电池以及工作原理

　　锂离子电池自1990年问世以来，因其卓越的性能得到了迅猛的发展，并广泛地应用于社会。锂离子电池以其它电 池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等等。

　　目前锂电池公认的基本原理是所谓的“摇椅理论”。锂电池的冲放电不是通过传统的方式实现电子的转移，而是通过锂离子在层壮物质的晶体中的出入，发生能量变化。在正常冲放电情况下，锂离子的出入一般只引起层间距的变化，而不会引起晶体结构的破坏，因此从冲放电反映来讲，锂离子电池是一种理想的可逆电池。在冲放电时锂离子在电池正负极往返出入，正像摇椅一样在正负极间摇来摇去，故有人将锂离子电池形象称为摇椅电池。

　　我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镍镉电池（Ni/Cd）和镍氢电池（Ni/MH）来讲的。 具有工作电压高比能量大循环寿命长自放电率低无记忆效应等优点。

　　2、锂电池日常使用过程中的常识

　　（1）、误区：“电池激活，前三次充电12小时以上”

　　对于锂电池的“激活”问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反复做三次，以便激活电池。这种“前三次充电要充 12小时以上”的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。经过抽样调查，可以看出有相当一部分人混淆了两种电池的充电方法。

　　锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别，所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电。通常，手机说明书上介绍的充电方法，就是适合该手机的标准充电方法。

　　（2）、 不益长时间充电、电池完全用完再充电

　　锂电池的手机或充电器在电池充满后都会自动停充，并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。如果锂电池在充满后，放在充电器上也是也不再充电。

　　超常时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。

　　（3）、电池寿命

　　关于锂离子电池充放电循环的实验表，关于循环寿命的数据列出如下(DOD是放电深度的英文缩写)：

　　循环寿命 (10％DOD)：> 1000次

　　循环寿命 (100％DOD)：> 200次

　　从上面数据可见，可充电次数和放电深度有关，10％DOD时的循环寿命要比100％DOD的要长很多。当然 如果折合到实际充电的相对总容量10％*1000=100，100％*200=200，后者的完全充放电还是要比较好一 些。但是锂电池的寿命主要体现在充放电周期上，这个周期是一个绝对概念，上次使用了30％电力，充满电，下次又使用了70％的电力，又充满电，这个刚好是 一个充电周期。所以还是遵循锂电池发明者的口号“即用即充，即充即用”的方法使用锂电池。

　　（4）、定期深度充放电进行 电池校准

　　锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、 温度、ID 、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化。使用说明中的“使用一个月左右应该全充放一次”的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当 的值。

　　二、锂电池的充电方式是限压横流方式

　　主要分三步完成：

　　第一步：判断电压<3V，要先进行预充电，0.05C电流；

　　第二步：判断 3V<电压<4.2V，恒流充电0.2C~1C电流；

　　第三步：判断电压>4.2V，恒压充电，电压为4.20V，电流随电压的增加而减少，直到充满。

　　其实今天我就是这一点有些不懂，在网上查了一下，然后上面那些做为常识了解。

　　充电开始时，应先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流 的1/10，一般选0.05C左右。电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。

　　一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

　　术语解释：充放电电流一般用C作参照，C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的电池容量1200mAh，对应的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

　　三、锂电池的放电，对电池来说，正常使用就是放电过程

　　锂电池放电只需要注意很少的几点：

　　1、放电电流不能过大， 过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害；

　　2、绝对不能过放电！锂电池最怕过放电，一旦放电 电压低于2.7V，将可能导致电池报废。

　　所以，一般情况下电池大负荷工作后，减少负荷会出现电压回升现象，就是所说的“回电”现象。

前驱的宋EV电动SUV、燃油版宋以及全轮驱动的混动版宋，与秦、唐、元构成了比亚迪“王朝系列”。与在售的秦、唐等车型匹配的“磷酸铁”锂电池不同的是，宋EV以及相继推出的秦80、唐100等车型匹配全新的“镍钴锰”系三元锂电池。

宋EV使用的三元锂电池归属于“镍钴锰”材质，而以特斯拉为代表的众多电动汽车搭载的三元锂电池多采用“镍钴铝”材质。

实际上采用“镍钴铝”材质的三元锂电池也是日本、南朝鲜等电池厂重点推荐。自2016年8月份，因朴槿惠在南朝鲜部署“萨德”系统之后，中国开始对南韩系电池厂利用“电池目录”进行制裁，众多中国车厂纷纷弃用“镍钴铝”系三元锂电池，而转用由本土厂商生产的动力电池。

暂且不提“镍钴铝”系材质与“镍钴锰”系材质长短板，日韩系动力电池厂商难以在短期内获得进入中国政府颁布的“电池目录”，或意味着这“镍钴铝”系三元锂电池难以在中国市场大规模推广。

此前，王传福曾宣布，比亚迪坚持使用“磷酸铁”动力电池。2015-2016年，比亚迪在T3（商EV）以及e5车型上搭载“磷酸铁锰”锂电池。这款综合“磷酸铁”锂电池高稳定性、“镍钴铝”系三元锂电池的较高能量密度的中间性动力电池，并未在随后比亚迪制造新能源车型匹配。甚至全新的秦EV和e5继续装配的是改进的“磷酸铁”锂电池。

虽然，“镍钴铝”和“镍钴锰”系锂电池已经成为“三元锂”系动力电池两大发展方向，那么比亚迪为什么要弃用“磷酸铁锰”锂电池，而选用全新的“镍钴锰”动力电池？

要知道所有“三元锂”系动力电池能量密度高于“磷酸铁”锂电池，但是电池稳定性以及安全性相对较低。这也是为什么特斯拉采用“镍钴铝”动力电池接二连三的出现自燃事故的根源（实际上与18650电池个体和连接方式有着较大关联）。

为什么明知道三元锂电池存在稳定性的不足，比亚迪还要坚持使用？

“技术为王”的比亚迪，2016电池总产能将会增至10GWH，2017年“三元锂”系动力电池产能将提升至6GWH。很明显，比亚迪将会将动力电池生产份额逐步分配给“三元锂”系动力电池，受政策影响，新能源商用车（大巴）仍将“强制”匹配“磷酸铁”锂电池。而销量逐步提升的比亚迪K系列电动大巴对“磷酸铁”锂电池的需求仍将扩大。

，相对2014年开始流行的“三元锂”系动力电池被众多车厂采用，比亚迪迟迟在2016年才开始匹配自行研发与生产的“镍钴锰”系三元锂电池，或为“磷酸铁”锂电池仍具有相当发展潜力，并通过提升装车量而持续降低成本。但也不能排除，比亚迪在比对改进的“磷酸铁锰”锂电池优缺点，更具性能优势“镍钴锰”系三元锂电池长短板后，决定使用“三元锂”系动力电池。

而衡量“磷酸铁”、“磷酸铁锰”、“镍钴锰”系电池后，促使比亚迪选择“三元锂”系动力电池的关键因素，必定是找到了安全效能、能量密度和制造成本平衡点。

“磷酸铁”锂电池发到今天，实验室状态下电芯电压或可提升至3.7V、能量密度突破160WH/KG。在实际装车状态下，电芯电压通常维持在3.2（3.3）V、能量密度在110-120WH/KG。如果在装车状态继续提升相关参数，制造成本将会大幅提升（包括控制策略复杂度、安全防护效能）而失去市场竞争优势。

“三元锂”系动力电池发展到今天，装车状态的电芯电压基本突破3.7V、电池能量密度或突破160WH/KG。

很明显，两种动力电池优劣状态明显。现在入场的比亚迪之所以选择“镍钴锰”系锂电池作为宋EV300车型以及未来多款新能源汽车动力源，在相当程度上克服了安全性与能量密度矛盾。或通过电池配方进行源头层面进行主动掌控、或通过电池控制系统（BMS）的完善进行被动掌控。

看似比亚迪使用“三元锂”系动力电池装备宋EV300，背后却折射出坚持驱动电机、动力电池和控制系统坚持自行研发、自行制造发展模式所具备的强大发展潜力，性能和成本控制的优势。装备“三元锂”系动力电池的宋EV以及其他车型，也将对竞争对手持续保持更高性价比优势，并较大程度改善以往搭载“磷酸铁”锂电池车辆低温充放电效能不佳的问题。

虽然“电池目录”的出台，抑制了日韩系“三元锂”系动力电池在大陆市场的侵蚀，但也要看清本土动力电池厂，与三星SDI、LG“三元锂”系动力电池能量密度突破250WH/KG巨大差距。