浅谈锂电池寿命

admin · 发表于 2019-10-10 16:28

EDA365欢迎您！

您需要登录才可以下载或查看，没有帐号？注册

x

作者：创易栈小助手，排版：晓宇

ID：创易栈（ID：emakerzone）

导语：
锂电池作为最常见的能量存储设备，在我们生活和工作中都经常用到。锂电池也是电子产品短命的主要元件之一。作者也是在某个项目中用到锂电池，也不是专业的锂电专业，就不班门弄斧，下文的主要结论主要参考电池大学（Battery University）研究结论，电池大学主要由电池仪器厂商Cadex 80年代创建，专注于电池的特性研究以及电池测试仪器的生产开发，在行业内有很高的权威。

No.1
国标对锂电池寿命的计算方法

国标规定的锂电池循环寿命测试条件及要求:在环境温度20℃±5℃的条件下，以1C充电，当电池端电压达到充电限制电压4.2V时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于1/20C，停止充电，搁置0.5h~1h，然后以1C电流放电至终止电压2.75V，放电结束后，搁置0.5h~1h，再进行下一个充放电循环，直至连续两次放电时间小于36min，则认为寿命终止，循环次数必须大于300次。
从国标的定义上看，我们提炼出两点：
1、.这个定义规定了循环寿命的测试是以深充深放方式进行的；?
2、锂电池的循环寿命按照这个模式，经过≥300次循环后容量仍然有60%以上可用容量。

No.2
影响锂电池寿命的因素

1. 锂电池寿命有关的因素
根据电池大学认为，影响锂电池寿命的主要因素有以下：
1) 充电次数；
2) 放电深度；
3) 充电截止电压；
4) 充电速度；
5) 使用温度；

2. 充电次数对寿命的影响
很多消费者甚至是部分工程师认为，很多锂电池规格书上标注的寿命估算：充电次数300次左右，以为是只要插入充电器一次，就算一次充电，这样估算的话，如果消费者一天插入充电器2次，电池寿命就只有半年不到了。由于很多人认识电池还是停留在镍氢电池和镍镉电池上，由于该类型的电池是具备记忆效应，但是锂电池没有记忆效应，电池大学认为，锂电池的一次完整循环应该这样描述：锂电池以1C（充电最大电流）的电流充电到额定电压4.2V，并且以0.05C充电电流涓流充电至电池饱和，然后再以1C的放电速度放电到3V，此过程为一次完整的充放电循环。没有充满没有放完都不算一次完整的充放电循环。如果你的电池从满电状态，用了十分之一的电量，然后又充满了，这是十分之一个循环，这样充10次，才基本算一个循环。一般的锂电池的寿命的循环次数是300~500次（此时电池并没有完全损坏，只是容量只有初始容量的60%~70%）。

图1 电池大学认为锂电池深充深放才算一次完整的循环

3.放电深度DoD对寿命的影响

很多消费者甚至是部分工程师认为，锂电池充电次数过多是有损电池的，所以使用过程中，都是满充满放，等到电池容量接近0再充电，充电截止电压设置为最高的阈值电压4.2V。电池大学却认为，锂电池放电深度越低越好，如下图2，举个例子，1AH的LiPO4电池，100% DoD时，循环次数约600次，寿命内提供的容量 J=1AH*600=600AH，如果以40%的DoD深度放电，可以循环3000次，寿命内提供的容量 J=1AH*0.4*3000=1200AH，比100%放电深度提高了50%的寿命。丰田的双擎混动汽车，电池提供8年16万公里的质保，对外宣传就是：浅充浅放，寿命更长。

图2；电池大学认为浅充浅放更有利于电池的寿命

4. 充电电压对寿命的影响
电池大学认为，充电截止电压对电池的寿命影响是关键性的，锂电池在4.2V以下，有两个重要的准则：
1、充电截止电压在4.2V以下，每降低0.1V，可充电的循环次数就会提高一倍。
2、充满电压每下降70mV，电池的可用容量就会降低10%。
电动汽车，卫星中的锂离子电池还必须具有8年以上的使用寿命。为实现此目的，电池仅被充电至3.90V /电池或更低。NASA的一个有趣发现是，驻留在4.10V /电池以上的锂离子由于阴极上的电解质氧化而趋于分解，而充电至较低电压的锂离子则由于SEI在阳极上积聚而失去容量。美国国家航空航天局（NASA）报告说，一旦锂离子在卫星中传递了大约40,000个周期之后，它通过了8年大关，则由这种现象引起的电池质量恶化很快就会发展。充电至3.92V /电池似乎可以最大程度地延长使用寿命，但这只能使容量降低约60％。瑞典查尔默斯科技大学报告说，使用降低的50％SOC（state-of-charge 充电方式）充电量可使汽车锂离子电池的预期寿命提高44–130％。
大多数用于手机，笔记本电脑，平板电脑和数码相机的设计者将将锂离子电池充电至4.20V 。这是运行的极限阈值。因为消费电子更新周期一般是3年，使用者希望的是更长的续航时间，很多山寨品牌就是为了追求榨干所有的容量，将充电电压提高到4.3V甚至更高。另一方面，工业界更关注寿命，并可能选择较低的电压阈值，充电阈值由各个厂家自行设定，并没有统一的标准。
下图3显示，充电截止电压越低，对寿命越有利。

图3；充电截止电压对寿命的影响

下图4显示，黄色曲线表面，电池充电到75%，放电到65%容量时，即使循环8000次，容量损失也非常小。

图4；充电策略对寿命的影响

5. 充电速度如何影响寿命
电池大学认为，锂电池充电速度（充电电流）对锂电池的寿命有关键的影响，充电速度越快，电池的寿命越短。下图5是900mAH锂电池作为对比实验，C：电池表示的容量数值。例如，2600mAh的锂充电电池，1C=2.6A；3400mAh的锂充电电池1C=3.4A。由实验结果可知，1C的充电速度，500个循环后剩余满容量为800mAH，减少100mAH，容量下降约11%。如果以2C的充电速度充电，500个循环后剩余满容量为500mAH，减少400mAH，容量下降约44%。现在的手机厂商都在追求充电速度，却是牺牲电池寿命为代价，好在消费电子更新频率足够高。
图5；充电速度对寿命的影响

6. 温度对寿命的影响？
电池大学认为，锂电池的工作温度对电池寿命有很大的影响，实验显示，锂电池经历过100次的循环充放电，在20℃时，NCM材质锂电池的容量只下降到97.7，而温度升高到60℃，电池的容量下降到只有60%左右。所以要尽可能让电池维持在常温的状态。

No.3
总结

通过电池大学的结论，我们知道锂电池的寿命评估和设计是一项系统的工程，涉及到充电次数、放电深度、充电截止电压、充电速度、使用温度五个关键因素，这些因素与成本、用户体验、性能、质量、可靠性息息相关，这就需要产品经理在具体的产品中做取舍，例如手机的产品经理，追求的就是充电更快、续航更长，寿命不要紧（一两年就要换手机），而工业产品的产品经理，基本是追求产品质量更稳定，寿命更长，充电速度和续航是可以降低优先级的。

往期好文合集

【视觉盛宴】你没见过的电子元器件的另一面！

【视觉盛宴二】长见识了，你见过BGA封装芯片的横截面吗！

【视觉盛宴三】不好意思，这些线材接口的横截面真的没见过

【最强干货】618个3D封装免费分享% R& X& C N+ Y, U' G4 }

【干货第二波】一大波3D封装免费分享, y# ?/ ?& j2 `# A& s+ }

【干货第三波】一套完整STM32F4开发板分享

【收藏】芯片之家精选好文合集