1.2 鋰離子電池的基本參數(shù)

鋰離子電池具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)充放電延時(shí)、自放電率低、工作溫度范圍寬和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，因而成為電能的一個(gè)比較理想的載體，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。一般而言，我們?cè)谑褂娩囯x子電池時(shí)，會(huì)關(guān)注一些技術(shù)指標(biāo)，并將其作為衡量電池性能“優(yōu)劣”的主要因素，以下一些參數(shù)是在使用時(shí)需要特別關(guān)注的。

1.2.1 電壓

1.電動(dòng)勢(shì)

電動(dòng)勢(shì)是電池在理論上輸出能量大小的度量之一。如果其他條件相同，那么電動(dòng)勢(shì)越高，理論上能輸出的能量就越大。電池的電動(dòng)勢(shì)是兩電極電位之差，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中，E為電池的電動(dòng)勢(shì)；V₊為正極的平衡電位；V_-為負(fù)極的平衡電位。

2.開(kāi)路電壓

開(kāi)路電壓是指在開(kāi)路狀態(tài)下（幾乎沒(méi)有電流通過(guò)時(shí)），電池兩極之間的電位差。電池的開(kāi)路電壓取決于電池正負(fù)極材料的活性、電解質(zhì)和溫度條件等，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸無(wú)關(guān)。一般情況下，電池的開(kāi)路電壓均小于它的電動(dòng)勢(shì)。

3.額定電壓

額定電壓也稱為公稱電壓或標(biāo)稱電壓，指的是在規(guī)定條件下電池工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓，采用額定電壓可以區(qū)分電池的化學(xué)體系。

4.工作電壓

工作電壓是指電池接通負(fù)載后在放電過(guò)程中顯示的電壓，又稱負(fù)載（荷）電壓或放電電壓，其數(shù)學(xué)表達(dá)式見(jiàn)式（1-4）。電池在接通負(fù)載后，由于歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻的存在，電池的工作電壓低于開(kāi)路電壓，當(dāng)然也低于電動(dòng)勢(shì)。

式中，I為電池的工作電流；R_o為歐姆內(nèi)阻；R_p為極化內(nèi)阻。

5.放電終止電壓

對(duì)于所有鋰離子電池，放電終止電壓都是必須嚴(yán)格規(guī)定的重要指標(biāo)。放電終止電壓也稱為放電截止電壓，是指電池放電時(shí)，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值。根據(jù)電池的不同類型及不同的放電條件，對(duì)電池容量和壽命的要求也不同，由此所規(guī)定的放電終止電壓也不同。一般而言，在低溫或大電流放電時(shí)，放電終止電壓規(guī)定值較低；在小電流長(zhǎng)時(shí)間或間歇放電時(shí)，放電終止電壓規(guī)定值較高。

6.充電終止電壓

充電終止電壓是指在規(guī)定的恒流充電期間，電池達(dá)到完全充滿電時(shí)的電壓。到達(dá)充電終止電壓后，若仍繼續(xù)充電，即為過(guò)充電，這一般對(duì)電池性能和壽命有損害。

7.平均電壓

平均電壓是指在規(guī)定的充放電過(guò)程中，用瓦時(shí)數(shù)除以安時(shí)數(shù)所得到的值。在定電流情況下，是某一段時(shí)間內(nèi)的平均電壓。

1.2.2 容量

電池容量：電池在一定放電條件下所能放出的電量稱為電池容量，以符號(hào)C表示。其單位常用A·h或mA·h表示。

1.理論容量

理論容量是假定活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所能提供的電量。理論容量可根據(jù)電池反應(yīng)式中電極活性物質(zhì)的用量，按法拉第定律計(jì)算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量精確求出，計(jì)算方程式為

式中，Q為電極反應(yīng)中通過(guò)的電量（A·h）；z為電極反應(yīng)式中的電子計(jì)量系數(shù)；m為發(fā)生反應(yīng)的活性物質(zhì)的質(zhì)量（g）；M為活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量（g/mol）；F為法拉第常數(shù)，約為965000C/mol或26.8A·h/mol。

法拉第定律指出，電流通過(guò)電解質(zhì)溶液時(shí)，在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過(guò)的電量成正比。

也可以理解為，質(zhì)量為m的活性物質(zhì)完全反應(yīng)后能釋放出的電量Q即為電極活性物質(zhì)的理論容量（C₀）。因此，式（1-5）也可以寫(xiě)為

式中，K為活性物質(zhì)的電化當(dāng)量，（g/（A·h）），是指獲得1A·h電量所需活性物質(zhì)的質(zhì)量。

2.額定容量（Cg）

額定容量是按國(guó)家或有關(guān)部門(mén)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下應(yīng)該放出的最低限度的容量。

3.實(shí)際容量（C）

實(shí)際容量是指在實(shí)際應(yīng)用工況下放電，電池實(shí)際放出的電量，它等于放電電流與放電時(shí)間的積分。實(shí)際放電容量受放電率的影響較大，常在字母C的右下角，以阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明放電率，如C₅=50A·h，表明在5h放完電情況下獲得的容量為50A·h。實(shí)際容量的計(jì)算方法如下：

恒電流放電時(shí)為

變電流放電時(shí)為

式中，I為放電電流，是放電時(shí)間t的函數(shù)；T為放電至放電終止電壓的時(shí)間。

由于內(nèi)阻的存在，以及其他各種原因，活性物質(zhì)不可能被完全利用，即活性物質(zhì)的利用率總是小于1的。因此，化學(xué)電源的實(shí)際容量、額定容量總是低于理論容量。電池的實(shí)際容量與放電電流密切相關(guān)：大電流放電時(shí)，電極的極化增強(qiáng)，內(nèi)阻增大，放電電壓下降很快，電池的能量效率降低，因此實(shí)際放出的容量較低；相應(yīng)地，在低倍率放電條件下，放電電壓下降緩慢，電池實(shí)際放出的容量常常高于額定容量。

4.剩余容量

剩余容量是指在一定放電倍率下放電后，電池剩余的可用容量。剩余容量的估計(jì)和計(jì)算受到電池前期應(yīng)用的放電率、放電時(shí)間等因素以及電池老化程度、應(yīng)用環(huán)境等的影響，所以在準(zhǔn)確估算上存在一定的困難。

1.2.3 內(nèi)阻

電流通過(guò)電池內(nèi)部時(shí)受到阻力，使電池的工作電壓降低，該阻力稱為電池內(nèi)阻。由于電池內(nèi)阻的作用，電池放電時(shí)，端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓；充電時(shí)，充電的端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓。電池內(nèi)阻是鋰離子電池的一個(gè)極為重要的參數(shù)，它直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出能量與功率等，對(duì)于鋰離子電池，其內(nèi)阻越小越好。

電池內(nèi)阻不是常數(shù)，它在放電過(guò)程中根據(jù)活性物質(zhì)的組成、電解液濃度、電池溫度以及放電時(shí)間而變化。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻（R_o）和電極在電化學(xué)反應(yīng)時(shí)所表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻（R_p），兩者之和稱為電池的全內(nèi)阻（R_w），三者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

歐姆內(nèi)阻主要由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成，它與電池的尺寸、結(jié)構(gòu)、電極的成形方式以及裝配的松緊度有關(guān)，歐姆內(nèi)阻遵守歐姆定律。極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)由于極化所引起的內(nèi)阻，是電化學(xué)極化和濃差極化所引起的電阻之和。極化內(nèi)阻與活性物質(zhì)的本性、電極的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝有關(guān)，尤其是與電池的工作條件密切相關(guān)，放電電流和溫度對(duì)其影響很大。在大電流密度下放電時(shí)，電化學(xué)極化和濃差極化均增加，甚至可能引起負(fù)極的鈍化，極化內(nèi)阻增加。低溫對(duì)電化學(xué)極化、離子的擴(kuò)散均有不利影響，故在低溫條件下，電池的極化內(nèi)阻也增加。因此極化內(nèi)阻并非是一個(gè)常數(shù)，而是隨放電率、溫度等條件的改變而改變。

1.2.4 能量

電池的能量是指電池在一定放電制度下，電池所能釋放出的能量，通常用W·h或kW·h表示。電池的能量主要分為以下幾種。

（1）理論能量 假設(shè)電池在放電過(guò)程中始終處于平衡狀態(tài)，其放電電壓保持電動(dòng)勢(shì)（E）的數(shù)值，而且活性物質(zhì)的利用率為100%，即放電容量為理論容量。則在此條件下，電池所輸出的能量為理論能量W₀，計(jì)算表達(dá)式為

（2）實(shí)際能量 實(shí)際能量是指電池在放電時(shí)實(shí)際輸出的能量。它在數(shù)值上等于電池實(shí)際放電電壓、放電電流與放電時(shí)間的積分，計(jì)算表達(dá)式為

在實(shí)際工程應(yīng)用中，作為實(shí)際能量的估算，也常采用電池額定容量與電池放電平均電壓的乘積，進(jìn)行電池實(shí)際能量的計(jì)算，計(jì)算表達(dá)式為

式中，W為實(shí)際能量；C為額定容量；U_a為平均電壓。

由于活性物質(zhì)不可能被完全利用，電池的工作電壓總是小于電動(dòng)勢(shì)，所以電池的實(shí)際能量總是小于理論能量。

（3）總能量 總能量是指電池在其壽命周期內(nèi)電能輸出的總和，單位為W·h。

（4）充電能量 充電能量是指通過(guò)充電器輸入電池的電能，單位為W·h。

（5）放電能量 放電能量是指電池放電時(shí)輸出的電能，單位為W·h。

1.2.5 能量密度

電池的能量密度是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能輸出的能量，相應(yīng)地稱為質(zhì)量能量密度（W·h/kg）或體積能量密度（W·h/L），也稱為質(zhì)量比能量或體積比能量。比能量是評(píng)價(jià)動(dòng)力電池能否滿足新能源汽車應(yīng)用需要的一個(gè)重要指標(biāo)，也是比較不同種類和類型動(dòng)力電池性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在新能源汽車的應(yīng)用過(guò)程中，電池組安裝需要相應(yīng)的電池箱、連接線、電流電壓保護(hù)裝置等元器件。因此，實(shí)際的電池組比能量小于電池比能量，電池組比能量是新能源汽車的重要參數(shù)之一。電池比能量與電池組比能量之間的差距越小，電池的成組設(shè)計(jì)水平越高，電池組的集成度越高。因此，電池組的比能量常常成為電池組性能的重要衡量指標(biāo)。

1.2.6 功率與功率密度

1.功率

電池的功率是指電池在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為W或kW。理論上，電池的理論功率（P₀）可以表示為

式中，t為放電時(shí)間；C₀為電池的理論容量；I為恒定的放電電流。

此時(shí)，電池的實(shí)際功率（P₁）為

式中，I²R_w為消耗于電池內(nèi)阻上的功率，這部分功率對(duì)負(fù)載是無(wú)用的。

2.功率密度

單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率稱為功率密度，又稱為比功率，單位為W/kg或W/L。比功率的大小，表征電池所能承受工作電流的大小，電池比功率大，表示它可以承受大電流放電。比功率是評(píng)價(jià)電池及電池組是否滿足新能源汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。