电池研究非常关注锂化学，以至于可以想象电池的未来完全取决于锂。有充分的理由保持乐观，因为锂离子在许多方面都优于其他化学物质。应用正在增长，并正在侵入以前由铅酸牢牢占据的市场，例如备用和负载均衡。许多卫星也由锂离子电池供电。

     锂离子电池尚未完全成熟，仍在改进中。在容量逐步增加的同时，在寿命和安全性方面取得了显着进步。如今，锂离子电池满足了大多数消费设备的期望，但在这种电源成为公认标准之前，电动汽车的应用还需要进一步发展。

     作为电池的呵护者，您可以选择如何延长电池寿命。每个电池系统在充电速度、放电深度、负载和暴露于不利温度方面都有独特的需求。检查导致容量损失的原因、上升的内阻如何影响性能、升高的自放电有什么作用以及电池可以放电到多低？您可能还对电池测试的基础知识感兴趣。

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是什么导致锂离子电池老化？

锂离子电池的工作原理是正极和负极之间的离子运动。理论上，这种机制应该永远有效，但随着时间的推移，循环、高温和老化会降低性能。制造商采取保守的方法，将大多数消费品中的锂离子电池的寿命指定为 300 到 500 次放电/充电循环。

通过计数循环评估电池寿命并不是决定性的，因为放电深度可能会有所不同，并且没有明确定义循环构成的标准。代替循环计数，一些设备制造商建议在日期戳上更换电池，但这种方法没有考虑使用情况。由于大量使用或不利的温度条件，电池可能会在规定时间内失效；但是，大多数包装的使用寿命比邮票上标明的要长得多。

电池的性能以容量衡量，容量是领先的健康指标。内阻和自放电也有影响，但这些在预测现代锂离子电池寿命结束时意义不大。

图 1显示了在Cadex实验室循环使用的 11 节锂聚合物电池的容量下降情况。用于手机的 1,500mAh 软包电池首先以 1,500mA (1C) 的电流充电至 4.20V/电池，然后允许饱和至 0.05C (75mA) 作为完全充电饱和的一部分。然后将电池以 1,500mA 放电至 3.0V/cell，并重复循环。在交付的 250 次循环中，锂离子电池的预期容量损失是均匀的，并且电池的性能符合预期。

在 Cadex C7400 电池分析仪上测试了 11 个新的锂离子电池。所有电池组的初始容量为 88-94%，在 250 次完全放电循环后降至 73-84%。1500mAh软包用于手机。

尽管电池在使用的第一年应提供 100% 的容量，但低于指定容量的情况很常见，保质期可能会导致这种损失。此外，制造商往往会高估他们的电池，因为他们知道很少有用户会抽查并在电量不足时抱怨。不必像多电池组所要求的那样匹配手机和平板电脑中的单个电池，这为更广泛的性能接受度打开了闸门。容量较低的电池可能会在消费者不知情的情况下从裂缝中溜走。

类似于机械设备在大量使用时磨损得更快，放电深度 (DoD) 决定了电池的循环计数。放电越小（低 DoD），电池使用时间越长。如果可能的话，避免完全放电，并在两次使用之间更频繁地为电池充电。锂离子的局部放电很好。没有记忆，电池不需要周期性的完全放电循环来延长寿命。例外情况可能是定期校准智能电池或智能设备上的电量计

下表显示了钴基锂离子的应力相关容量损失。磷酸铁锂和钛酸锂的电压较低，不适用于给定的电压参考。

笔记：	表 2、3 和 4显示了普通钴基锂离子电池在放电深度、温度和充电水平方面的一般老化趋势，表 6 进一步研究了在给定和放电带宽内运行时的容量损失。该表未解决会缩短电池寿命的超快速充电和高负载放电。并非所有电池的行为都相同。

表 2估计了在电池容量下降到 70% 之前，锂离子电池可以在各种 DoD 级别下提供的放电/充电循环次数。DoD 构成完全充电，然后放电至表中指示的充电状态 (SoC) 水平。

放电深度	放电循环
	网络管理委员会	锂聚合物4
100%	~300	~600
80%	~400	~900
60%	~600	~1,500
40%	~1,000	~3,000
20%	~2,000	~9,000
10%	~6,000	~15,000

表 2：作为放电深度函数的循环寿命*
局部放电可减轻压力并延长电池寿命，部分充电也是如此。升高的温度和高电流也会影响循环寿命。

* 100% DoD 是一个完整的周期；10% 非常简短。在充电状态下骑自行车的寿命最长。

锂离子电池在受热时会受到压力，将电池保持在高充电电压也是如此。电池温度高于 30°C (86°F) 被视为高温，对于大多数锂离子电池，电压高于 4.10V/cell 被视为高电压。将电池暴露在高温下并长时间处于完全充电状态可能比骑自行车更有压力。表 3展示了作为温度和 SoC 函数的容量损失。

温度	40% 充电	100% 充电
0℃	98%（1 年后）	94%（1 年后）
25℃	96%（1 年后）	80%（1 年后）
40℃	85%（1 年后）	65%（1 年后）
60℃	75%（1 年后）	60%（3个月后）

表 3：锂离子在不同温度下储存一年时的估计可恢复容量
升高的温度会加速永久性容量损失。并非所有锂离子系统的行为都相同。

大多数锂离子充电至 4.20V/cell，峰值充电电压每降低 0.10V/cell 据说循环寿命翻倍。例如，充电至 4.20V/节的锂离子电池通常可循环 300–500 次。如果充电至仅4.10V/cell，寿命可延长至600-1,000次循环；4.0V/电池应提供 1,200-2,000 次循环，3.90V/电池应提供 2,400-4,000 次循环。

在消极方面，较低的峰值充电电压会降低电池存储的容量。作为一个简单的准则，充电电压每降低 70mV，总容量就会降低 10%。在随后的充电中施加峰值充电电压将恢复全部容量。

就寿命而言，最佳充电电压为 3.92V/cell。电池专家认为，这个阈值消除了所有与电压相关的压力；降低可能不会获得进一步的好处，但会引发其他症状表 4总结了容量与电荷水平的函数关系。（所有值均为估计值；具有较高电压阈值的能量电池可能会有所偏差。）

充电水平*（V/电池）	放电循环	可用储能**
[4.30]	[150–250]	[110–115%]
4.25	200–350	105–110%
4.20	300–500	100%
4.15	400–700	90–95%
4.10	600–1,000	85–90%
4.05	850–1,500	80–85%
4.00	1,200–2,000	70–75%
3.90	2,400–4,000	60–65%
3.80	看注释	35–40%
3.70	看注释	30%以下

表 4：作为充电电压限制函数的放电循环和容量

每电池 4.20V 以下每下降 0.10V，循环就会加倍，但容量会减少。将电压提高到 4.20V/cell 以上会缩短寿命。读数反映了常规锂离子充电至 4.20V/cell。

指南：充电电压每下降 70mV，可用容量就会降低约 10%。
注意：部分充电抵消了锂离子电池在高比能方面的优势。

*类似的生命周期适用于完全充电时具有不同电压水平的电池。
**基于充电至全电压时容量为 100% 的新电池。

实验：瑞典查尔姆斯理工大学报告称，使用降低的 50% SOC 充电水平可将车辆锂离子电池的预期寿命延长 44-130%。

大多数用于手机、笔记本电脑、平板电脑和数码相机的充电器将锂离子电池充电至 4.20V/cell。这允许最大容量，因为消费者想要的不仅仅是最佳运行时间。另一方面，工业界更关心寿命，可能会选择较低的电压阈值。卫星和电动汽车就是这样的例子。

出于安全原因，许多锂离子不能超过 4.20V/cell。（一些 NMC 是例外。）虽然更高的电压会提高容量，但超过电压会缩短使用寿命并危及安全性。图 5展示了循环计数与充电电压的函数关系。在 4.35V 时，普通锂离子电池的循环次数减半。

除了为给定应用选择最合适的电压阈值外，常规锂离子电池不应长时间保持在 4.20V/电池的高压上限。锂离子充电器关闭充电电流，电池电压恢复到更自然的水平。这就像剧烈运动后放松肌肉

图 6说明了动态应力测试 (DST)，反映了锂离子在各种充电和放电带宽下循环时的容量损失。最大的容量损失发生在将充满电的锂离子电池放电至 25% SoC（黑色）时；如果完全放电，损失会更高。在 85% 和 25%（绿色）之间循环比充电至 100% 和放电至 50%（深蓝色）的使用寿命更长。将锂离子电池充电至 75% 并放电至 65% 可实现最小的容量损失。然而，这并没有充分利用电池。据说与正常条件下的循环相比，高电压和暴露在高温下会使电池退化更快。（日产聆风案例）

• 案例 1： 75–65% 的 SoC 提供最长的循环寿命，但仅提供 90,000 能量单位 (EU)。使用 10% 的电池。
• 案例 2： 75–25% 的 SoC 有 3,000 个周期（达到 90% 的容量）并提供 150,000 EU。使用 50% 的电池。（EV 电池，新的。）
• 案例 3： 85–25% 的 SoC 有 2,000 个周期。交付 120,000 EU。使用 60% 的电池。
• 案例 4： 100–25% SoC；75% 的电池使用率，运行时间长。寿命短。（手机、无人机等）

*表 2和图 6在循环计数方面存在差异除了假设电池质量和测试方法存在差异外，没有其他明确的解释。低成本消费级和耐用工业级之间的差异也可能起到一定作用。与 20ºC 相比，在高温下容量保持率下降得更快。

只有一个完整的循环才能提供电池的指定能量。对于现代能源电池，这大约是 250Wh/kg，但循环寿命会受到影响。所有这些都是线性的，延长寿命的中档 85-25% 将能量减少到 60%，这相当于将比能量密度从 250Wh/kg 降低到 150Wh/kg。移动电话是利用电池全部能量的消费品。EV 等工业设备通常将充电限制在 85%，放电限制在 25%，即 60% 的能量可用性，以延长电池寿命（请参阅为什么手机电池的使用寿命不如 EV 电池）

增加循环深度也会增加锂离子电池的内阻。图 7显示了使用直流电阻法测量的 61% 循环深度的急剧上升电阻增加是永久性的。

注意： DC 方法提供的内阻读数与 AC 方法（绿框）不同。为获得最佳结果，请使用 DC 方法计算负载。

图 8对图 6中的数据进行了外推，以通过使用外推程序来扩展锂离子电池的预测循环寿命，该外推程序假设电池容量随着渐进循环而线性衰减。如果这是真的，那么在 75%–25% SoC（蓝色）内循环的锂离子电池将在 14,000 次循环后衰减至 74% 的容量。如果此电池以相同的放电深度（绿色）充电至 85%，则容量将在 14,000 次循环时降至 64%，而以相同的 DoD（黑色）充电至 100%，容量将降至 48% . 由于未知原因，实际预期寿命往往低于模拟模型

锂离子电池充电至三个不同的 SoC 级别，并对循环寿命进行建模。限制充电范围可延长电池寿命，但会减少输送的能量。这反映在增加的重量和更高的初始成本上。

电池制造商通常指定 80 DoD 电池的循环寿命。这是实用的，因为在正常使用下电池在充电前应保留一些储备DST（动态压力测试）的循环计数因电池类型、充电时间、加载协议和工作温度。实验室测试通常会得到现场无法获得的数字。

 

用户可以做什么？

环境条件，不仅仅是循环，决定了锂离子电池的寿命。最糟糕的情况是将充满电的电池保持在高温下。电池组不会突然没电，但随着容量的减少，运行时间会逐渐缩短。

较低的充电电压可延长电池寿命，电动汽车和卫星可利用这一点。也可以为消费设备制定类似的规定，但很少提供；计划报废会解决这个问题。

当连接到交流电网时，可以通过降低充电电压来延长笔记本电脑电池的使用寿命。为了使此功能对用户友好，设备应具有“长寿命”模式，可将电池保持在 4.05V/cell，并提供约 80% 的 SoC。出行前一小时，用户请求“全容量”模式，将电量调至 4.20V/cell。

问题是，“不使用时我应该将笔记本电脑与电网断开连接吗？” 在正常情况下，这应该是不必要的，因为当锂离子电池充满时充电会停止。仅当电池电压下降到一定水平时才应用顶部充电。大多数用户不会移除交流电源，这种做法是安全的。

现代笔记本电脑的运行温度低于旧型号，而且报告的起火情况也较少。在床上或枕头上运行带风冷功能的电子设备时，请始终保持气流畅通。酷炫的笔记本电脑可以延长电池寿命并保护内部组件。大多数消费品都有的能量电池应该以 1C 或更低的电流充电。避免使用声称可在一小时内为锂离子电池充满电的所谓超快速充电器。

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本文由韩国SEBANG蓄电池（大陆地区）营销中心于2023-02-09 22:06:15 整理发布。
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