锂电技术基础：如何读懂电池放电曲线

电池是复杂的电化学和热力学系统，多个因素影响着电池的性能。当然，电池化学是最重要的因素。然而，在了解哪种电池最适合特定应用时，还需要考虑充放电速率、工作温度、存储条件、物理结构细节等因素。首先，需要定义几个术语：

★开路电压（Voc）是在电池没有负载时，电池端之间的电压。

★端电压（Vt）是在电池施加负载时，电池端之间的电压；通常低于Voc。

★截止电压（Vco）是电池规定的完全放电时的电压。虽然通常还有电量剩余，但在低于Vco的电压下操作可能会损坏电池。

★容量Capacity）衡量电池在充满电状态下可以提供的总安时数（AH），直到Vt达到Vco。

★充放电速率（C-Rate）是电池相对于其额定容量的充电或放电速率。例如，1C的速率将在1小时内完全充电或放电电池。以0.5C的放电速率，电池将在2小时内完全放电。使用较高的C-Rate通常会减少可用的电池容量，并可能损坏电池。

★电池充电状态（SoC）以最大容量的百分比形式量化剩余电池容量。当SoC达到零且Vt达到Vco时，电池中可能还剩余电量，但在不损坏电池并对未来容量造成影响的情况下，电池无法进一步放电。

★放电深度（DoD）是SoC的补集，衡量已经放电的电池容量百分比；DoD = 100 - SoC。

①循环寿命是电池达到其使用寿命结束之前的可用循环次数。

★电池的寿命结束（EoL）是指电池无法按照预定的最小规格进行工作。EoL可以通过多种方式进行量化：

①容量衰减基于电池容量在指定条件下与额定容量相比的给定百分比下降。

②功率衰减基于电池最大功率在指定条件下与额定功率相比的给定百分比下。

③能量吞吐量量化了电池在其寿命期间预计处理的总能量量，例如30MWh，基于特定操作条件。

★电池的健康状态（SoH）测量了电池在达到EoL之前剩余有用寿命的百分比。

极化曲线

电池放电曲线是基于放电过程中发生的电池极化效应而形成的。电池在不同的操作条件下，如C-率和工作温度，可以提供的能量量与放电曲线下的面积密切相关。在放电过程中，电池的Vt会下降。Vt的下降与几个主要因素相关：

✔IR下降 - 电流通过电池内部电阻而引起的电池电压下降。该因素在较高的放电速率下以基本线性的斜率增加，温度恒定。

✔活化极化 - 指的是与电化学反应动力学相关的各种减速因素，例如离子在电极和电解质之间的结合处必须克服的功函数。

✔浓差极化 - 这个因素考虑了质量传递（扩散）过程中离子从一个电极传输到另一个电极所面临的阻力。这个因素在锂离子电池完全放电时占主导地位，曲线的斜率变得非常陡峭。

电池的极化曲线（放电曲线）显示了IR下降、活化极化、浓度极化对Vt（电池电位）的累积影响。(图片：BioLogic）

放电曲线考虑因素

电池已经被设计用于广泛的应用，并提供了各种性能特征。例如，至少有六种基本的锂离子（Li-ion）化学体系，每种体系都具有自己独特的特征集。放电曲线通常在Y轴上绘制Vt，而在X轴上绘制SoC（或DoD）。由于电池性能与C-率和工作温度等各种参数相关，每种电池化学体系都有一个放电曲线系列，这些曲线基于特定的操作参数组合。例如，下图比较了两种常见的锂离子化学体系和铅酸电池在室温和0.2C放电率下的放电情况。放电曲线的形状对于设计者来说具有重要的意义。

使用0.2C放电率的锂电池与铅酸电池的放电曲线。(图片: Off Grid Ham)

平坦的放电曲线可以简化某些应用设计，因为电池电压在整个放电循环中保持相对稳定。另一方面，斜坡曲线可以简化对剩余电荷进行估计，因为电池电压与电池中剩余电荷密切相关。然而，对于具有平坦放电曲线的锂离子电池，估计剩余电荷需要更复杂的方法，例如库仑计数法，它测量电池的放电电流，并随时间积分电流以估计剩余电荷。

此外，具有向下倾斜放电曲线的电池在整个放电循环中的功率下降。可能需要“超额尺寸”电池以支持放电循环末期的高功率应用。通常需要使用升压稳压器来为使用具有陡峭放电曲线的电池的敏感设备和系统供电。

以下是锂离子电池的放电曲线，显示如果电池以非常高的速率放电（或相反，以低速率放电），有效容量将减少（或增加）。这被称为容量偏移，该效应在大多数电池化学体系中普遍存在。

锂离子电池的电压和容量随着C率的提高而下降。(图片: Richtek)

工作温度是影响电池性能的重要参数。在非常低的温度下，具有水性电解质的电池可能会结冰，限制了其工作温度范围的下限。锂离子电池在低温下会发生负极的锂沉积，永久性地降低容量。在高温下，化学物质可能分解，电池停止工作。在结冰和化学破坏之间，电池性能通常随温度变化而变化较大。

下图显示了在不同温度下锂电池性能的影响。在非常低的温度下，性能可能大大降低。但是，电池放电曲线只是关于电池性能的一个方面。例如，锂离子电池的工作温度与室温的偏离程度（无论是高温还是低温）越大，循环寿命就会降低。对于特定应用，对各种电池化学体系适用性影响的所有因素的完整分析超出了本文关于电池放电曲线的范围。其他分析不同电池性能的方法的示例是拉贡图（Ragone plot）。

电池电压和容量取决于温度。(图片: Richtek)

拉贡图（Ragone plots）

拉贡图比较了不同能量存储技术的比功率与比能量。例如，在考虑电动汽车电池时，比能量与续航里程相关，而比功率则对应加速性能。

比较各种技术的比能量和比功率之间关系的Ragone图。(图片: Researchgate)

拉贡图是基于质量能量密度和功率密度，不包括与体积参数相关的任何信息。虽然冶金学家大卫·V·拉贡（David V. Ragone）开发了这些图表以比较各种电池化学的性能，但拉贡图也适用于比较任何一组能量存储设备和能量设备，如发动机、燃气轮机和燃料电池。

Y轴上的比能量与X轴上的比功率之间的比值是设备按额定功率运行的小时数。设备的尺寸不影响这种关系，因为较大的设备会具有成比例的更大功率和能量容量。在拉贡图上表示恒定运行时间的等时曲线是直线。

总结

了解电池的放电曲线以及构成与特定电池化学相关的放电曲线族的各种参数是很重要的。由于复杂的电化学和热力学系统，电池的放电曲线也很复杂，但它们只是理解各种电池化学和结构之间性能权衡的一种方式。

参考文献：

Discharge Characteristics of Li-ion, Battery University

How to read battery cycling curves, BioLogic

Li-ion Battery and Gauge Introduction, Richtek