第一篇锂电池的特性全览

我们知道锂电池是一种化学电池，由于其特定的化学反应确定了它的满充电压，如果充电电压过高则会导致锂离子的堆积，进一步刺穿薄膜使得电池两极短路而发热，引起爆燃，因此我们需要实时监控电信的满电电压。

当然，对于整个电池的电流我们也需要监测，为了防止过大的负载使得电池Pack的内部大量发热，影响电池寿命，必要的时候我们需要制定短路保护机制来保护整个产品免于损坏。

此外，锂电池的反应过程受到环境温度的影响很大，过低的环境温度会导致化学材料活性不足，因此使得锂电池的可存储的容量低，放电倍率小。而过高的温度有可能导致电芯失控爆燃，因此监控电芯的温度，乃至监控整个电池包各个位置的温度就变成了 BMS 系统的重要功能。

另外，我们也可以通过对Pack以及供电线路中不同位置的温度监控，做一些风险预判，进一步可以判断电池包设计的合理性，同时温度还可以作为电量计算的补偿，以及作为放电功率的一个输入条件来控制电池的功率输出（SOP）。

一、电池原理及发展

在看锂电池原理之前，我们先来看一下碱性干电池（俗称AA电池）的工作原理，从简单的东西入门，也能够看出技术的迭代过程，锻炼创新思维。

干电池的主要工作原理就是氧化还原反应在闭合回路中实现，其化学方程式为：

Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2++Mn2O3+2NH3+H2O

金属锌皮做成的筒，也就是负极。

电池放电就是氯化氨与锌的电解反应，释放出的电荷由石墨传导给正极碳棒，锌和氯化氨的电解反应会释放氢气，氢气是会增加电池内阻的，和石墨相混合的二氧化锰则可以用来吸收氢气。

对于碱性电池而言，其化学反应是单向的，一旦反应结束，电池就变成了一堆无法再进行新反应的废物。

然而，通过电流的反向流动，我们可以使化学反应的方程式变得双向。这实际上相当于将电能储存为化学能，从而推动了可充电的二次电池的发明。

在早期，我们的电子设备主要采用铅酸电池。

这一创新的关键在于电池的可逆性，使其能够在充电和放电之间切换，从而实现反复使用，极大地提高了电池的寿命和效能。这项技术的推动，为电子设备和其他领域的发展带来了深远的影响。

对于锂电池而言，它的基本工作原理与其他电池类似，关键区别在于所使用的反应材料。

不同的材料在化学反应后释放的能量差异很大，因此相较于铅酸电池，锂电池具有更高的能量密度和放电倍率。由此带来的结果是，锂电池在存储相同电量的情况下，能够设计得更小更轻。

在相同的体积和重量下，锂电池能够实现更大的电流输出和更多的电量释放。这使得锂电池成为电子设备和移动设备等领域的首选电源，因为它不仅轻便，而且能够提供更高效的能量输出。锂电池的这些优势对于现代便携式技术的发展起到了重要推动作用。

二、锂电池的分类

选择不同的正负极材料就相当于更换了不同的化学方程式，因此他们的性能以及所产生的效果也就不同，因此锂电池这一个系列，根据材料还可以分成很多细分的种类。

|锂离子电池的种类|电压|可放电次数|优缺点| |-|-|-|-| |钴系锂离子电池|3.7V|500～1000次|- 得到广泛普及成为锂离子的标准电池

昂贵，未被用于车载用途| |锰系锂离子电池|3.7V|300～700次|- 安全性高
能快速充电、快速放电| |磷酸铁系锂离子电池|3.2V|1000～2000次|- 廉价且循环寿命（因充放电而老化）、日历寿命（搁置而老化）长
电压比其他锂离子电池低| |三元系锂离子电池|3.6V|1000～2000次|- 电压还算高，循环寿命也长|

在当前，常见的锂电池量产中，我们可以观察到各种电池封装形式。

这里提到的封装形式，类似于芯片一样。相同的芯片被封装成不同的形态，有大有小。

锂电池同样遵循这一原理，其内部材料可能相似，但为了实现更出色的散热、制造工艺和空间利用率等目标，进行了多种特殊设计，形成了上述各种不同样式的锂电池。

以手机和电脑等电子设备中广泛应用的锂电池为例，最初采用的封装形式是钢壳的锂电池。然而，由于钢壳容易发生爆炸，工艺逐渐演进为铝壳，并最终发展为目前广泛应用于电子设备的铝塑膜材质的聚合物锂电池。

在一些稍大型设备中，常见的是被称为圆柱形的18650锂电池。为什么选择制作成圆柱形呢？

我们可以联想到电路设计中常用的电解电容，它们的机械结构非常相似，都是两层材料加上隔膜被卷绕起来。

由于这种卷绕的加工方式极其利于自动化，因此大大降低了生产制造成本，这也让圆柱形锂电池在行业内形成了一个良性循环。

因此，许多新产品选择采用这种标准的圆柱电芯，通过串并联的方式组成电池组进行产品设计。

可以回顾一下曾经的山寨手机市场，设计各异的铝壳聚合物电池层出不穷，最终随着手机市场的变革，产生了大量废弃物。因此，为了行业的良性发展，首先应该确立规范，初具规模的企业更应当引领行业风向，制定或推动这样的标准。

下图中的蓝色方型电池和比亚迪的刀片电池（仅拉长形态），都是行业对新工艺的尝试。它们在满足更高可靠性的前提下，致力于满足批量生产，进行了创新设计。

三、不同种类的锂电池特性对比

|材料|三元锂|磷酸铁锂|锰酸锂| |-|-|-|-| |能量密度（Wh/kg）| 200|110|100| |单体标称电压(20℃)|3.65V|3.2V|3.7V| |安全性| 较差|好|较好| |循环寿命（次）| 800 – 1000|1500 – 2000|600 – 800| |成本|中|高|低| |优点|能量密度高，循环寿命中等，价格低，综合性价比非常高。|安全性好，循环寿命长，铁资源丰富。|矿产资源丰富，成本低，安全性好，生产简单| |缺点|低温性能较差，安全性差|低温性能差，容量密度低，室温电导率低|循环性能较差|