4.1.2 锂离子电池主要性能
4.1.2.1 锂离子电池的基本性能参数
锂电池的主要性能参数包括电压、电池容量、电池能量和电池内阻等。
1.电压
锂电池的重要电压性能指标包括开路电压、额定电压、工作电压、放电终止电压、充电终止电压等。
（1）开路电压：电池外部不接任何负载，电池正负极之间的电位差。开路电压主要取决于电池正负极材料的活性、电解质和温度条件等，而与电池的几何结构和尺寸无关。
（2）额定电压：在规定条件下电池工作的标准电压，也称为公称电压或标称电压。采用额定电压，可以区分电池的化学体系。
（3）工作电压：电池接通负载后在放电过程中显示的电压，也称负载（荷）电压或放电电压。电池在接通负载后，由于存在欧姆内阻和极化内阻，因此电池的工作电压低于开路电压，当然也低于电动势。
（4）放电终止电压：电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值，也称为放电截止电压。对于所有锂电池，放电终止电压都是必须严格规定的重要指标。根据电池的不同类型及不同的放电条件，对电池容量和寿命的要求也不同，由此所规定的放电终止电压也不同。一般而言，在低温或大电流放电时，放电终止电压规定值较低；在小电流长时间或间歇放电时，放电终止电压规定值较高。
（5）充电终止电压：在规定的恒流充电期间，电池达到完全充满电时的电压值，也称为充电截止电压。到达充电终止电压后，若仍继续充电，则为过充电，这对电池性能和寿命通常是有损害的。
2.电池容量
电池容量是指在一定的放电电流I、放电温度T、放电截止电压V条件下，电池所放出的电量，表征电池储存能量的能力，单位一般为mAh（毫安时）、Ah（安时）。电池容量是由电池内活性物质的数量决定的。例如，1000 mAh是指能以1 A的电流放电1 h。电池容量受很多因素的影响，如放电电流、放电温度等。
（1）理论容量：活性物质全部参加反应所给出的电池容量。
（2）实际容量：在一定的放电条件下，实际放出的电池容量。
（3）额定容量：在设计的放电条件下，电池保证给出的最低电量。
（4）比容量：单位质量或单位体积电极活性物质所给出的容量，称为质量比容量或体积比容量。比容量是为了对不同的电池进行比较而引入的概念。通常计算方法如下：
3.电池能量
电池能量是指在一定条件下，电池对外做功所能输出的电能，单位一般用瓦时（Wh）表示。
（1）理论能量：电池理论容量与额定电压的乘积，单位为Wh。对于可逆电池，理论能量是其在恒温恒压下所做的最大功。
（2）实际能量：电池放电时实际输出的能量。
（3）额定能量：根据电动汽车行业规定《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》（GB／T 31486—2015），在室温下蓄电池以1 A电流放电，达到终止电压时所放出的能量（Wh）。
（4）比能量：单位质量和单位体积的电池所给出的能量，称为质量比能量或体积比能量，又称能量密度，单位为瓦时每千克（Wh／kg）或瓦时每升（Wh／L）。这个指标对新能源飞行器尤为重要。
4.电池内阻
电池内阻是指电流通过电池内部时受到的阻力，该阻力会使电池的工作电压降低。由于电池内阻的作用，电池放电时，端电压低于电动势和开路电压。电池内阻是锂电池的一个极为重要的参数，它直接影响电池的工作电压、工作电流、输出能量与功率等性能。对于锂电池，其内阻越小越好。
4.1.2.2 锂离子电池的基本状态参数
锂电池的主要状态参数包括充放电倍率、荷电状态、放电深度、循环寿命、自放电率、工作温度范围等。
1.充放电倍率
充放电倍率表示电池充放电时电流大小的比率（即倍率），单位为C。充放电电流的大小常用充放电倍率来表示，计算公式如下：
充放电倍率＝充放电电流／额定容量
例如，额定容量为2000 mAh的电池以1 C充电表示以2 A的电流充电1 h将电池充满，以0.5 C充电表示以1 A的电流充电2 h将电池充满；反之，用2 A放电时，其放电倍率为1 C。
2.荷电状态
荷电状态（state of charge，SOC）表示在一定的放电倍率下，电池使用一段时间（或长期搁置）后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。
3.放电深度
放电深度（depth of discharge，DOD）表示电池放电量与电池额定容量的百分比，是放电程度的一种度量。当电池的放电量超过其额定容量的80％时，即可认为达到深度放电。放电深度的高低和电池的寿命有很大的关系：放电深度越深，其寿命就越短。
荷电状态和放电深度之间的关系：
4.循环寿命
锂电池充电和放电一次称为一个周期（或一个循环）。循环寿命是指在理想的温度、湿度下，以额定的充放电电流进行深度的充放电（100％DOD或者80％DOD），电池容量衰减到额定容量的80％之前能够反复充放电的次数，一般以次数为单位。
5.自放电率
自放电率是指电池在放置时，电池容量下降的速率，通常以百分数表示，即％／月。
6.工作温度范围
由于锂电池内部化学材料的特性，锂电池有一个合理的工作温度范围（通常为-40℃～60℃）。如果超出了合理的范围使用，会对锂电池的性能造成较大的影响。
4.1.2.3 影响锂离子电池性能的主要因素
影响锂离子电池性能的因素有很多。例如：电池的放电温度降低，输出容量就会减少；电池的放电截止电压（根据电极材料以及电极反应本身的限定来设定，一般为3.0 V或3.75 V）越高，输出的容量越少；随着电池的充放电次数增多，电极材料逐渐失效，电池的放电容量会相应减少；电池的充电条件（充电倍率、温度、截止电压等）会影响充入电池的容量，进而决定放电容量。
1.环境温度
环境温度是影响锂电池性能的主要因素，温度过低会导致实际容量下降，温度过高会导致锂电池发生不可恢复的损坏。
锂电池对温度的敏感性主要源于其材料物化性质的温度敏感性。温度会直接影响电极材料的活性和导电率、锂离子在电极上的嵌入和脱嵌、隔膜的锂离子透过性等，进而影响电池内部的电化学反应。长时间工作在高温环境下，电池的寿命就会明显缩短，其性能也会大大降低，甚至引发安全事故。温度过低则电池内部活性物质的活性会明显下降，其内阻、极化电压会增加，充放电功率和容量均会显著降低，甚至引起电池容量不可逆的衰减，并埋下安全隐患。
2.过充与过放
锂电池的放电深度（DOD）对电池的循环寿命有着重要影响。一般锂电池的最佳放电深度为80％，过充、过放都会对其产生不可逆的损坏。
当锂电池的充电电压大于充电截止电压时，就形成了电池的过充电。此时，从正极脱嵌的过量锂离子会沉积或嵌入负极，沉积的活性锂易与溶剂反应，放出热量使电池温度升高。正极受热分解放出氧气，使电解液易分解并产生大量的热。当锂电池的放电电压低于放电截止电压时，就形成了过放电。在过放电的过程中，锂离子从负极上会过度脱出，下次充电时再嵌入就会比较困难。电池在过放电以后的循环过程中，放电容量、充放电效率都会大为降低。
如果锂电池的自放电导致了电池的过度放电，其造成的影响通常是不可逆的，即使再充电，电池的可用容量也会有很大损失，循环寿命会快速衰减。
3.充放电倍率
在大电流放电情况下，需要离子快速地嵌入、脱出正负极，反应速度很快，某些锂离子来不及脱嵌或穿越负极材料，放电过程就已经结束了。充放电倍率越大，电池容量衰减就越快。
4.1.2.4 锂离子电池的典型性能曲线
锂电池在放电过程中，它的工作电压总是随着时间的延续而不断变化，放电测试时记录的主要数据就是电压和电流随时间的变化情况，通过对这些原始数据的处理，可以得到锂电池的典型性能曲线。以电池的工作电压（电池的端电压）为纵坐标，以放电时间（或容量、SOC、DOD）为横坐标，绘制而成的曲线称为放电曲线。放电曲线中所包含的信息非常丰富，包括容量、能量、工作电压及电压平台、电极电势与荷电状态的关系等，可以获取很多锂电池的性能参数，是典型的锂电池的性能曲线。
1.典型的放电曲线
图4-2所示为典型的电压-容量曲线，可以通过锂电池的放电过程直接测量数据进行绘制而得。
图4-2 电压-容量曲线
从电压-容量曲线可以看出，在整个放电过程中，锂电池的电压曲线可以分为以下三个阶段。
阶段一：也就是初始阶段。在此阶段，电池的端电压快速下降。这个下降速度与放电倍率有关，放电倍率越大，电压下降得越快。
阶段二：也就是中间阶段。在此阶段，电池的端电压缓慢变化，因此这段时间也称为电池的平台区。平台区的持续时间与平台电压、放电倍率有关，放电倍率越小，平台区持续的时间越长，平台电压越高，电压下降越缓慢。
阶段三：也就是结束阶段。在此阶段，在电池电量接近放完时，电池的端电压开始急剧下降，直至达到放电截止电压。
2.特性曲线包含的信息及处理方法
1）电压
在锂电池放电测试中，电池的电压参数主要包括平台电压、中值电压、平均电压、截止电压等。
平台电压：是指电压变化最小而容量变化较大时对应的电压值，可以通过dQ／dU的峰值得出。
中值电压：是指电池容量达到一半时对应的电压值，对于平台比较明显的材料（如磷酸铁锂和钴酸锂等），中值电压就是平台电压。
平均电压：是指电压-容量曲线的有效面积（即电池放电能量）除以容量，即
式中，V（t）——t时刻的电压；
I（t）——t时刻的电流；
T——最长放电时间。
截止电压：是指电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电截止电压后继续放电，电池两端的电压就会迅速下降，形成过放电。过放电可能造成电极活性物质损伤，失去反应能力，使电池寿命缩短。
2）容量
容量C可以通过在放电测试中采集的电流-时间数据，对电流进行积分计算得到，即
如果是恒流放电，则有
如果是恒电阻R放电，则有
3）能量
输出能量W可以通过在放电测试中采集的电压-时间和电流-时间数据，对电压与电流的乘积进行积分计算得到，即
如果是恒流放电，则有
