锂电常用参数与计算公式、中英对照

(1)电极材料的理论容量

电极材料理论容量,即假定材料中锂离子全部参与电化学反应所能够提供的容量,其值通过下式计算:

其中,法拉第常数(F)代表每摩尔电子所携带的电荷,单位C/mol,它是阿伏伽德罗数NA=6.02214 ×1023mol-1与元电荷e=1.602176 × 10-19 C的积,其值为96485.3383±0.0083 C/mol

故而,主流的材料理论容量计算公式如下:

LiFePO4摩尔质量157.756 g/mol,其理论容量为:

同理可得:三元材料NCM(1:1:1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ) 摩尔质量为96.461g/mol,其理论容量为278 mAh/g,LiCoO2摩尔质量97.8698 g/mol,如果锂离子全部脱出,其理论克容量274 mAh/g.

石墨负极中,锂嵌入量最大时,形成锂碳层间化合物,化学式LiC6,即6个碳原子结合一个Li。6个C摩尔质量为72.066 g/mol,石墨的最大理论容量为:

对于硅负极,由5Si+22Li++22e- ↔ Li22Si5 可知, 5个硅的摩尔质量为140.430 g/mol,5个硅原子结合22个Li,则硅负极的理论容量为:

这些计算值是理论的克容量,为保证材料结构可逆,实际锂离子脱嵌系数小于1,实际的材料的克容量为:材料实际克容量=锂离子脱嵌系数 × 理论容量 

(2)电池设计容量

电池设计容量=涂层面密度×活物质比例×活物质克容量×极片涂层面积

其中,面密度是一个关键的设计参数,主要在涂布和辊压工序控制。压实密度不变时,涂层面密度增加意味着极片厚度增加,电子传输距离增大,电子电阻增加,但是增加程度有限。厚极片中,锂离子在电解液中的迁移阻抗增加是影响倍率特性的主要原因,考虑到孔隙率和孔隙的曲折连同,离子在孔隙内的迁移距离比极片厚度多出很多倍。

(3)N/P比

负极活性物质克容量×负极面密度×负极活性物含量比÷(正极活性物质克容量×正极面密度×正极活性物含量比)

石墨负极类电池N/P要大于1.0,一般1.04~1.20,这主要是出于安全设计,主要为了防止负极析锂,设计时要考虑工序能力,如涂布偏差。但是,N/P过大时,电池不可逆容量损失,导致电池容量偏低,电池能量密度也会降低。

而对于钛酸锂负极,采用正极过量设计,电池容量由钛酸锂负极的容量确定。正极过量设计有利于提升电池的高温性能:高温气体主要来源于负极,在正极过量设计时,负极电位较低,更易于在钛酸锂表面形成SEI膜。

(4)涂层的压实密度及孔隙率

在生产过程中,电池极片的涂层压实密度计算公式:

 

 

而考虑到极片辊压时,金属箔材存在延展,辊压后涂层的面密度通过下式计算:

 

 

涂层由活物质相、碳胶相和孔隙组成,孔隙率计算公式:

 

 

其中,涂层的平均密度为:

 

 

(5)首效

首效=首次放电容量/首次充电容量

日常生产中,一般是先化成再进行分容,化成充入一部分电,分容补充电后再放电,故而:

首效=分容第一次放电容量/(化成充入容量+分容补充电容量)

(6)能量密度

体积能量密度(Wh/L)=电池容量(mAh)×3.6(V)/(厚度(cm)*宽度(cm)*长度(cm))

质量能量密度(Wh/KG)=电池容量(mAh)×3.6(V)/电池重量

常用锂电术语中英对照
合浆mixing
涂布coating
辊压分切rolling slitting
点焊spotwelding
激光切laser cutting
卷绕winding
组装assembly package
激光焊laser welding
烘烤baking
注液injection
高温老化higt temp-baking
化成formation
二次注液2rd injection
分容grading
静置static
IR、OCV测试IR/OCV test
容量密度capacity density
能量密度energy desity
功率密度power density
开路电压open Circuit Voltage
标称电压nominal voltage
额定容量nominal capacity
实际容量pratical capacity
放电速率discharge rate
放电深度depth of discharge

参数详解

能量密度(Wh/L&Wh/kg)

单位体积或单位质量电池释放的能量,如果是单位体积,即体积能量密度(Wh/L),很多地方直接简称为能量密度;如果是单位质量,就是质量能量密度(Wh/kg),很多地方也叫比能量。如一节锂电池重300g,额定电压为3.7V,容量为10Ah,则其比能量为123Wh/kg。

根据2016年发布的“节能与新能源汽车技术,可以大概对动力电池发展趋势有一个概念,如上图所示,到2020年,纯电动汽车电池单体比能量要达到350Wh/kg。

功率密度(W/L&W/kg) 

将能量除以时间,便得到功率,单位为W或kW。同样道理,功率密度是指单位质量(有些地方也直接叫比功率)或单位体积电池输出的功率,单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标。

比能量和比功率究竟有什么区别?

举个形象的例子:比能量高的动力电池就像龟兔赛跑里的乌龟,耐力好,可以长时间工作,保证汽车续航里程长。

比功率高的动力电池就像龟兔赛跑里的兔子,速度快,可以提供很高的瞬间电流,保证汽车加速性能好。

电池放电倍率(C)

放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量(Q)时所需要的电流值,它在数值上等于电池额定容量的倍数。即充放电电流(A)/额定容量(Ah),其单位一般为C(C-rate的简写),如0.5C,1C,5C等。

举个例子,对于容量为24Ah电池来说:

用48A放电,其放电倍率为2C,反过来讲,2C放电,放电电流为48A,0.5小时放电完毕;

用12A充电,其充电倍率为0.5C,反过来讲,0.5C充电,充电电流为12A,2小时充电完毕;

电池的充放电倍率,决定了我们可以以多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。

荷电状态(%)

SOC,全称是StateofCharge,荷电状态,也叫剩余电量,代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。

其取值范围为0~1,当SOC=0时表示电池放电完全,当SOC=1时表示电池完全充满。电池管理系统(BMS)就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作,所以它是电池管理的核心。

目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等,我们以后再详细解读。

内阻 

内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部受到的阻力。

包括欧姆内阻和极化内阻,其中:欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻;极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

用数据说话,下图表示一电池放电曲线,X轴表示放电量,Y轴表示电池开路电压,电池理想放电状态为黑色曲线,红色曲线是考虑到电池内阻时的真实状态。

图示:Qmax为电池最大化学容量;Quse为电池实际容量;Rbat表示电池的内阻;EDV为放电终止电压;I为放电电流。

从图中可以看出,电池实际容量Quse<电池理论上的最大化学容量Qmax。

由于电阻的存在,电池的实际容量会降低。我们也可以看到,电池实际容量Quse取决于两个因素:

放电电流 I 与电池内阻 R 的乘积,以及放电终止电压EDV是多少。

需要指出的是电池内阻Rbat会随着电池的使用而逐渐增大。

内阻的单位一般是毫欧姆(mΩ),内阻大的电池,在充放电的时候,内部功耗大,发热严重,会造成电池的加速老化和寿命衰减,同时也会限制大倍率的充放电应用。所以,内阻做的越小,电池的寿命和倍率性能就会越好。通常电池内阻的测量方法有交流和直流测试法。

电池自放电 

指在开路静置过程中电压下降的现象,又称电池的荷电保持能

一般而言,电池自放电主要受制造工艺、材料、储存条件的影响。

自放电按照容量损失后是否可逆划分为两种:容量损失可逆,指经过再次充电过程容量可以恢复;容量损失不可逆,表示容量不能恢复。

目前对电池自放电原因研究理论比较多,总结起来分为物理原因(存储环境,制造工艺,材料等)以及化学原因(电极在电解液中的不稳定性,内部发生化学反应,活性物质被消耗等),电池自放电将直接降低电池的容量和储存性能。

电池的寿命

分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命指的是电池可以循环充放电的次数。即在理想的温湿度下,以额定的充放电电流进行充放电,计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数。

日历寿命是指电池在使用环境条件下,经过特定的使用工况,达到寿命终止条件(容量衰减到80%)的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求紧密结合的,通常需要规定具体的使用工况,环境条件,存储间隔等。

循环寿命是一个理论上的参数,而日历寿命更具有实际意义。但日历寿命的测算复杂,耗时长,所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。

上图为某三元锂电池的充放电特性图,可以看出,不同的充放电方式对电池的寿命影响不一样,如上图数据,以25%-75%充放电的寿命可以达到2500次,即我们所说的电池浅充浅放。电池寿命这个话题我们以后还会深入讨论。

电池组的一致性

这个参数比较有意思,即使是同一规格型号的电池单体在成组后,电池组在电压、容量、内阻、寿命等性能有很大的差别,在电动汽车上使用时,性能指标往往达不到单体电池的原有水平。

单体电池在制造出来后,由于工艺的问题,导致内部结构和材质不完全一致,本身存在一定性能差异。

初始的不一致随着电池在使用过程中连续的充放电循环而累计,再加上电池组内的使用环境对于各单体电池也不尽相同,导致各单体电池状态产生更大的差异,在使用过程中逐步放大,从而在某些情况下使某些单体电池性能加速衰减,并最终引发电池组过早失效。

需要指出的是,动力电池组的性能决定于电池单体的性能,但绝不是单体电池性能的简单累加。由于单体电池性能不一致的存在,使得动力电池组在电动汽车上进行反复使用时,产生各种问题而导致寿命缩短。

除了要求在生产和配组过程中,严格控制工艺和尽量保持单体电池的一致性外,目前行业普遍采用带有均衡功能的电池管理系统来控制电池组内电池的一致性,以延长产品的使用寿命。

化成

电池制成后,需要对电芯进行小电流充电,将其内部正负极物质激活,在负极表面形成一层钝化层——SEI(solidelectrolyteinterface)膜,使电池性能更加稳定,电池经过化成后才能体现其真实的性能,这一过程称为化成。

化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性,使最终电池组的性能提高,化成容量是筛选合格电池的重要指标。下图为SEI膜,像不像黑色的玫瑰花。

:李亮

:锂电前沿

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