鋰電網訊：電池是復雜的電化學和熱力學系統，多個因素影響著電池的性能。當然，電池化學是最重要的因素。然而，在了解哪種電池最適合特定應用時，還需要考慮充放電速率、工作溫度、存儲條件、物理結構細節等因素。首先，需要定義幾個術語：
★開路電壓（Voc）是在電池沒有負載時，電池端之間的電壓。
★端電壓（Vt）是在電池施加負載時，電池端之間的電壓；通常低于Voc。
★截止電壓（Vco）是電池規定的完全放電時的電壓。雖然通常還有電量剩余，但在低于Vco的電壓下操作可能會損壞電池。
★容量Capacity）衡量電池在充滿電狀態下可以提供的總安時數（AH），直到Vt達到Vco。
★充放電速率（C-Rate）是電池相對于其額定容量的充電或放電速率。例如，1C的速率將在1小時內完全充電或放電電池。以0.5C的放電速率，電池將在2小時內完全放電。使用較高的C-Rate通常會減少可用的電池容量，并可能損壞電池。
★電池充電狀態（SoC）以最大容量的百分比形式量化剩余電池容量。當SoC達到零且Vt達到Vco時，電池中可能還剩余電量，但在不損壞電池并對未來容量造成影響的情況下，電池無法進一步放電。
★放電深度（DoD）是SoC的補集，衡量已經放電的電池容量百分比；DoD = 100 - SoC。
①循環壽命是電池達到其使用壽命結束之前的可用循環次數。
★電池的壽命結束（EoL）是指電池無法按照預定的最小規格進行工作。EoL可以通過多種方式進行量化：
①容量衰減基于電池容量在指定條件下與額定容量相比的給定百分比下降。
②功率衰減基于電池最大功率在指定條件下與額定功率相比的給定百分比下。
③能量吞吐量量化了電池在其壽命期間預計處理的總能量量，例如30MWh，基于特定操作條件。
★電池的健康狀態（SoH）測量了電池在達到EoL之前剩余有用壽命的百分比。
極化曲線
電池放電曲線是基于放電過程中發生的電池極化效應而形成的。電池在不同的操作條件下，如C-率和工作溫度，可以提供的能量量與放電曲線下的面積密切相關。在放電過程中，電池的Vt會下降。Vt的下降與幾個主要因素相關：
?IR下降 - 電流通過電池內部電阻而引起的電池電壓下降。該因素在較高的放電速率下以基本線性的斜率增加，溫度恒定。
?活化極化 - 指的是與電化學反應動力學相關的各種減速因素，例如離子在電極和電解質之間的結合處必須克服的功函數。
?濃差極化 - 這個因素考慮了質量傳遞（擴散）過程中離子從一個電極傳輸到另一個電極所面臨的阻力。這個因素在鋰離子電池完全放電時占主導地位，曲線的斜率變得非常陡峭。
電池的極化曲線（放電曲線）顯示了IR下降、活化極化、濃度極化對Vt（電池電位）的累積影響。(圖片：BioLogic）
放電曲線考慮因素
電池已經被設計用于廣泛的應用，并提供了各種性能特征。例如，至少有六種基本的鋰離子（Li-ion）化學體系，每種體系都具有自己獨特的特征集。放電曲線通常在Y軸上繪制Vt，而在X軸上繪制SoC（或DoD）。由于電池性能與C-率和工作溫度等各種參數相關，每種電池化學體系都有一個放電曲線系列，這些曲線基于特定的操作參數組合。例如，下圖比較了兩種常見的鋰離子化學體系和鉛酸電池在室溫和0.2C放電率下的放電情況。放電曲線的形狀對于設計者來說具有重要的意義。
使用0.2C放電率的鋰電池與鉛酸電池的放電曲線。(圖片: Off Grid Ham)
平坦的放電曲線可以簡化某些應用設計，因為電池電壓在整個放電循環中保持相對穩定。另一方面，斜坡曲線可以簡化對剩余電荷進行估計，因為電池電壓與電池中剩余電荷密切相關。然而，對于具有平坦放電曲線的鋰離子電池，估計剩余電荷需要更復雜的方法，例如庫侖計數法，它測量電池的放電電流，并隨時間積分電流以估計剩余電荷。
此外，具有向下傾斜放電曲線的電池在整個放電循環中的功率下降。可能需要“超額尺寸”電池以支持放電循環末期的高功率應用。通常需要使用升壓穩壓器來為使用具有陡峭放電曲線的電池的敏感設備和系統供電。
以下是鋰離子電池的放電曲線，顯示如果電池以非常高的速率放電（或相反，以低速率放電），有效容量將減少（或增加）。這被稱為容量偏移，該效應在大多數電池化學體系中普遍存在。
鋰離子電池的電壓和容量隨著C率的提高而下降。(圖片: Richtek)
工作溫度是影響電池性能的重要參數。在非常低的溫度下，具有水性電解質的電池可能會結冰，限制了其工作溫度范圍的下限。鋰離子電池在低溫下會發生負極的鋰沉積，永久性地降低容量。在高溫下，化學物質可能分解，電池停止工作。在結冰和化學破壞之間，電池性能通常隨溫度變化而變化較大。
下圖顯示了在不同溫度下鋰電池性能的影響。在非常低的溫度下，性能可能大大降低。但是，電池放電曲線只是關于電池性能的一個方面。例如，鋰離子電池的工作溫度與室溫的偏離程度（無論是高溫還是低溫）越大，循環壽命就會降低。對于特定應用，對各種電池化學體系適用性影響的所有因素的完整分析超出了本文關于電池放電曲線的范圍。其他分析不同電池性能的方法的示例是拉貢圖（Ragone plot）。
電池電壓和容量取決于溫度。(圖片: Richtek)
拉貢圖（Ragone plots）
拉貢圖比較了不同能量存儲技術的比功率與比能量。例如，在考慮電動汽車電池時，比能量與續航里程相關，而比功率則對應加速性能。
比較各種技術的比能量和比功率之間關系的Ragone圖。(圖片: Researchgate)
拉貢圖是基于質量能量密度和功率密度，不包括與體積參數相關的任何信息。雖然冶金學家大衛·V·拉貢（David V. Ragone）開發了這些圖表以比較各種電池化學的性能，但拉貢圖也適用于比較任何一組能量存儲設備和能量設備，如發動機、燃氣輪機和燃料電池。
Y軸上的比能量與X軸上的比功率之間的比值是設備按額定功率運行的小時數。設備的尺寸不影響這種關系，因為較大的設備會具有成比例的更大功率和能量容量。在拉貢圖上表示恒定運行時間的等時曲線是直線。
總結
了解電池的放電曲線以及構成與特定電池化學相關的放電曲線族的各種參數是很重要的。由于復雜的電化學和熱力學系統，電池的放電曲線也很復雜，但它們只是理解各種電池化學和結構之間性能權衡的一種方式。
參考文獻：
Discharge Characteristics of Li-ion, Battery University
How to read battery cycling curves, BioLogic
Li-ion Battery and Gauge Introduction, Richtek
