为什么旧NEC锂离子电池需要很长时间才能充电？

为什么旧锂离子电池需要很长时间才能充电？

将充电行为与电池健康基础知识联系起来

电池用户经常会问：“为什么旧的锂离子湖要充电这么久？” 事实上，当锂离子电池老化时，电池需要时间来充电，即使没有什么可充满的。我们称之为“老人综合症”。图 1 显示了容量为 100% 的新锂离子电池与仅提供 82% 容量的老化电池组的充电时间。两者都需要大约 150 分钟的充电时间。
总部位于克利夫兰的行业研究公司Freedonia Group预测，全球对一次和二次电池的需求预计将以每年7.7％的速度增长，到2019年达到1200亿美元。真正的增长取决于二次（可充电）电池，根据弗若斯特沙利文（Frost＆Sullivan）的数据，二次电池占全球市场的76.4％，预计到2015年，这一数字将增长至82.6％。需求由手机和平板电脑推动。较早的估计高估了对电动汽车对电池的需求，因此该数字已向下调整。


全球电池市场


2009年， Frost＆Sullivan预计一次电池将占全球市场的23.6％，到2015年将下降7.4％。不可充电电池用于手表，电子钥匙，遥控器，玩具，手电筒，信标等。


电池类型概述


电池按化学分类，最常见的是锂，铅和镍基系统。图1说明了这些化学物质的分布。锂离子电池的收入份额为37％，是便携式设备和电动动力总成的首选电池。如今，没有其他系统威胁到它的统治地位。





图1：不同电池化学成分的收入贡献


铅酸作为坚固耐用，经济性高而被大量使用。即使锂离子进入铅酸市场，对铅酸电池的需求仍在增长。这些应用分为用于汽车的启动器电池，也称为SLI（20％），用于备用电源的固定电池（8％）和用于轮式机动性的深循环电池（5％），例如高尔夫球车，轮椅和剪式举升机。


高比能和长时间储存已使碱性电池比乔治·莱克拉朗奇于1868年发明的碳锌电池更受欢迎。镍氢金属（NiMH）继续发挥重要作用，因为它取代了以前由镍镉（ NiCd）合成的电池。但是，在3％的市场份额和下降的情况下，NiMH正在成为次要参与者。


新兴的电池使用方式是个人运输的动力总成。电池成本，寿命和环境问题决定了汽车行业采用这种新型推进系统的速度有多快。化石燃料便宜，方便并且容易获得；替代模式面临强烈反对，尤其是在北美。可能需要政府激励措施，但是这种干预会扭曲真实的能源成本，屏蔽化石燃料的潜在问题，并为短期游说团体提供短期解决方案。


进一步推动电池增长的新市场包括电动自行车和可再生能源存储系统，房主，企业和发展中国家都将从中受益。大型网格蓄电池在活动繁忙时收集多余的能量，并在输入量较低或用户需求较大时弥合差距。


电池的进步


电池在两个方面都取得了进步，这反映出比能量的增加可延长运行时间，而比功率则可满足大电流负载的需求。改善电池的一种特性可能不会自动增强另一种特性，并且通常会妥协。图2示出了以Wh / kg为单位的比能量与以W / kg为单位的比功率之间的关系。


比能量是电池可以容纳的容量，单位为瓦时/千克（Wh / kg）；比功率是电池以瓦特每千克（W / kg）传递功率的能力。


就比能量和比功率而言，性能最佳的电池是二次锂金属（Li-metal）。Moli Energy在1980年代推出了早期版本，但阳极上金属锂的不稳定性促使1991年召回。固体锂易于形成金属丝或枝晶，从而引起短路。其他公司为解决此问题所做的进一步尝试最终终止了开发。


锂金属的独特品质促使制造商重新审视这种强大的化学物质。可以通过将金属锂与锡和硅混合来驯化树枝状晶体并达到所需的安全标准。石墨烯也正在尝试作为改进的隔板的一部分。石墨烯是一层纯碳，其厚度为一个原子，并以六边形蜂窝状结合在一起。还尝试了防止枝晶渗透的多层隔板。新的实验性锂金属电池达到300Wh / kg，并且电势更高。这对于电动车辆特别重要。


这是因为电流从完全调节的电流下降到约0.05C以触发就绪模式。电池良好时的拖尾很短，而陈旧的电池则拖延较长的时间。这说明容量较小的老式锂离子电池充电时间较长。打个比方，一名年轻的运动员在短跑中跑得很少，甚至没有减速，而老人则喘不过气来，开始走路，从而延长了达到目标的时间。

图 1：新旧锂离子电池充电。
两种电池组的充电时间大约为 150 分钟。新包充电至 1,400mAh (100%)，而旧包仅充电至 1,150mAh (82%)。

给锂离子电池充电时，电压猛增，类似于用橡皮筋举起重物。如图 2 所示，新电池组在达到 4.20V/电池电压限制之前更“饥饿”并且可以吸收更多“食物”，而老化的锂离子电池仅在大约 60 分钟后就达到了第 1 阶段的 V 限制。就橡皮筋类比而言，新电池比旧电池更松弛，并且可以在进入饱和之前接受更长时间的充电。

图2：观察新旧锂离子在阶段1的充电时间。
新锂离子充满电90分钟，而老化电池在60分钟内达到4.20V/cell、

图 3 展示了阶段 2 中不同的饱和时间，因为电流从完全调节的电流下降到大约 0.05C 以触发就绪模式。优质电池的拖尾很短，而老化电池组的拖尾会延长。这解释了容量较小的旧锂离子电池充电时间较长的原因。打个比方，一个年轻的运动员在冲刺时几乎没有减速，或者没有减速，而老人气喘吁吁开始步行，从而延长了到达目标的时间。

图 3：在切换到就绪状态之前，观察第 2 阶段新旧锂离子电池的饱和时间。
新电池充满电的时间比旧电池长，电流轨迹更短。

锂离子电池的一个常见老化效应是电荷转移能力的丧失。这是由于电极上形成了钝化材料，抑制了自由电子的流动。这降低了电极上的孔隙率，减少了表面积，降低了较低的离子电导率并提高了抗迁移性。衰老现象是永久性的，无法逆转。

电池的健康状况基于以下三个基本属性：

• 容量，储存能量的能力。容量是电池的主要健康指标
• 内阻，输送电流的能力
• 自放电，机械完整性指标

电荷签名揭示了锂离子电池的宝贵健康指标。优质电池在达到 4.20V/cell 之前会吸收第 1 阶段的大部分电荷，并且第 2 阶段的拖尾很短。锂离子电池“缺乏饥饿感”可归因于电池未完全充电；特别长的拖尾时间与低容量、高内阻和/或高自放电的电池有关。