پارامترهای اساسی باتری های لیتیومی مبنای اصلی برای ارزیابی عملکرد، سناریوهای قابل اجرا و استفاده ایمن آنها هستند. پارامترهای مختلف مستقیماً بر برد باتری، راندمان شارژ/دشارژ، طول عمر و سازگاری برنامه تأثیر میگذارند. در زیر پارامترهای اساسی اصلی باتری های لیتیومی در سه دسته اصلی توضیح داده شده است: پارامترهای عملکرد الکتریکی، پارامترهای طول عمر و پایداری، و پارامترهای سازگاری محیطی.
1. پارامترهای مربوط به ولتاژ{1}}
ولتاژ «سطح توان» باتری لیتیومی است که مستقیماً بر سازگاری دستگاه تأثیر میگذارد (به عنوان مثال، باتری تلفنهای همراه را نمیتوان در وسایل نقلیه الکتریکی استفاده کرد). این شامل سه مقدار ولتاژ کلیدی است:
| نام پارامتر | تعریف | واحد | معنای اصلی | مثال معمولی |
|
ولتاژ اسمی |
متوسط ولتاژ کارکرد باتری در هنگام شارژ و دشارژ معمولی نیز ولتاژی است که در مدل باتری نشان داده شده است (به عنوان مثال، "باتری لیتیومی 3.7 ولت"). |
V |
تعیین سازگاری منبع تغذیه یک دستگاه (دستگاه باید با ولتاژ نامی سازگار باشد) یکی از معیارهای اصلی طبقه بندی باتری است. | لیتیوم سه تایی: 3.7 ولت؛ فسفات آهن لیتیوم: 3.2 ولت؛ لیتیوم پلیمر: 3.7 ولت |
|
ولتاژ قطع{0}شارژ |
تجاوز از حداکثر ولتاژ مجاز در هنگام شارژ باتری می تواند منجر به تجزیه الکترولیت، برآمدگی یا حتی آتش سوزی شود. |
V |
کنترل ایمنی شارژ (شارژر باید دقیقاً با این ولتاژ مطابقت داشته باشد) آستانه اصلی "حفاظت از شارژ بیش از حد" است. | لیتیوم سه تایی: 4.2 ولت (استاندارد) / 4.35 ولت (ظرفیت بالا)؛ فسفات آهن لیتیوم: 3.65 ولت |
|
ولتاژ قطع تخلیه- |
حداقل ولتاژ مجاز برای تخلیه باتری؛ کمتر از این ولتاژ منجر به رسوب لیتیوم بر روی الکترود منفی و کاهش ظرفیت دائمی می شود. |
V |
کنترل ایمنی تخلیه (تجهیزات باید قبل از این ولتاژ تخلیه را متوقف کنند) آستانه اصلی "حفاظت تخلیه بیش از-" است. | لیتیوم سه تایی: 2.75 ولت؛ فسفات آهن لیتیوم: 2.5 ولت |
2. ظرفیت{1}}پارامترهای مرتبط
ظرفیت به «ظرفیت ذخیره انرژی» باتری لیتیومی اشاره دارد که مستقیماً عمر باتری دستگاه را تعیین می کند. تمایز بین "ظرفیت اسمی" و "ظرفیت واقعی" مهم است.
| نام پارامتر | تعریف | واحد | عوامل موثر | مثال معمولی |
|
ظرفیت رتبه بندی شده |
"ظرفیت ذخیره سازی نامی" که توسط سازندگان باتری در شرایط استاندارد (25 درجه، تخلیه 0.2 درجه سانتیگراد تا ولتاژ قطع) برچسب گذاری شده است. |
mAh / آه |
عمر باتری اصلی وعده داده شده سازنده 1Ah=1000mAh است (به عنوان مثال، یک باتری 1000 میلی آمپر ساعتی با جریان 100 میلی آمپر می تواند 10 ساعت دوام بیاورد). | باتری تلفن همراه: 3000-5000mAh; باتری خودروهای الکتریکی: 50-200Ah |
|
ظرفیت واقعی |
ظرفیت ذخیره انرژی واقعی باتری در شرایط استفاده واقعی (مانند دمای پایین و سرعت تخلیه{1} بالا). |
mAh/Ah |
تحت تاثیر دما (درجه حرارت پایین)، نرخ تخلیه (میزان کاهش سرعت بالا) و تعداد چرخه (تقریبا کاهش سن). | یک باتری با ظرفیت اسمی 5000 میلی آمپر ساعت ممکن است فقط در 10- درجه ظرفیت 3500 میلی آمپر ساعت داشته باشد. |
|
چگالی انرژی |
انرژی ذخیره شده در واحد جرم/حجم باتری به «چگالی انرژی گرانشی» و «چگالی انرژی حجمی» طبقهبندی میشود. |
Wh/kg، Wh/L |
عوامل تعیین کننده "سبک بودن" و "کوچک بودن" یک دستگاه (مانند برد یک وسیله نقلیه الکتریکی و ضخامت تلفن همراه) | لیتیوم سه تایی: 200-300Wh/kg. فسفات آهن لیتیوم: 150-200Wh/kg |
3. نرخ شارژ/تخلیه (نرخ C-)
نرخ "سرعت شارژ و دشارژ" یک باتری لیتیومی است که با "C" نشان داده می شود. مستقیماً بر راندمان شارژ و قدرت تخلیه تأثیر می گذارد (مانند الزامات شارژ سریع و{1}}دستگاه های پرقدرت).
• تعریف: 1C=جریان مربوط به ظرفیت نامی باتری (به عنوان مثال، برای یک باتری 1000 میلی آمپر ساعتی، جریان 1C=1000 میلی آمپر؛ برای یک باتری 200 آمپر ساعت، جریان 1C=200A).
• طبقه بندی:
• نرخ شارژ C{0}}: به عنوان مثال، "شارژ 1C"=در عرض 1 ساعت به طور کامل شارژ می شود. "شارژ 2C"=در 30 دقیقه به طور کامل شارژ می شود (شارژر مورد نیاز است).
• میزان دشارژ C-: به عنوان مثال، "تخلیه 0.5 درجه سانتی گراد"=در عرض 2 ساعت به طور کامل تخلیه می شود (دستگاه های- کم مصرف، مانند تلفن های همراه). "تخلیه 10 درجه سانتیگراد"=در مدت 6 دقیقه به طور کامل تخلیه می شود (دستگاههای پرقدرت، مانند هواپیماهای بدون سرنشین و ابزارهای برقی).
• توجه: سرعت شارژ و دشارژ بالا منجر به افزایش تولید گرمای باتری، کوتاه شدن طول عمر و کاهش ظرفیت واقعی میشود (به عنوان مثال، ظرفیت واقعی تخلیه 10 درجه سانتیگراد ممکن است تنها 70٪ ظرفیت اسمی باشد).
4. مقاومت داخلی
مقاومت داخلی مجموع مقاومت های مواد داخلی (الکترود، الکترولیت، جداکننده) یک باتری لیتیومی است و واحد آن میلی اهم (mΩ) است.
• تاثیرات کلیدی:
الف تولید گرما: هرچه جریان بیشتر باشد، گرمای بیشتری توسط مقاومت داخلی تولید میشود (Q=I²Rt). باتری های با مقاومت داخلی بالا در هنگام شارژ سریع مستعد گرم شدن بیش از حد هستند.
ب افت ولتاژ: در هنگام تخلیه، مقاومت داخلی منجر به کاهش ولتاژ خروجی واقعی می شود (ولتاژ واقعی=ولتاژ نامی - I × مقاومت داخلی). باتریهای با مقاومت داخلی بالا ظرفیت حمل بار ضعیفی دارند (مثلاً از دست دادن ناگهانی برق در حین بازی با تلفن همراه).
ج طول عمر: مقاومت داخلی با تعداد چرخه ها افزایش می یابد (پیری مواد). هنگامی که مقاومت داخلی از یک آستانه فراتر رود، باتری نمی تواند به طور معمول استفاده شود.
مقادیر معمولی: باتریهای لیتیومی کوچک (تلفنهای همراه، هدفون) دارای مقاومت داخلی تقریباً 50-200 میلی اهم هستند. باتری های بزرگ قدرت (وسایل نقلیه الکتریکی) دارای مقاومت داخلی تقریباً 1-10mΩ هستند.
II. پارامترهای طول عمر و پایداری
این پارامترها «دوام» باتریهای لیتیومی را تعیین میکنند که مستقیماً بر هزینههای استفاده تأثیر میگذارد (مانند چرخه تعویض باتریهای خودروهای الکتریکی).
5. چرخه زندگی
• تعریف: تعداد چرخههایی که یک باتری پس از یک چرخه تخلیه کامل{0}شارژ میکند (از ولتاژ قطع شارژ تا ولتاژ قطع تخلیه) زمانی که ظرفیت آن به 80٪ ظرفیت اسمی آن کاهش مییابد (استاندارد صنعتی).
• عوامل کلیدی موثر:
• نرخ شارژ/دشارژ: نرخ های پایین (0.2C-1C) منجر به طول عمر چرخه طولانی تر می شود، در حالی که نرخ های بالا (بالاتر از 5 درجه سانتیگراد) باعث طول عمر کمتر می شود.
• دما: 25-40 درجه بهترین دمای دوچرخه سواری است. دمای پایین (<0℃) or high temperatures (>60 درجه) پیری را تسریع می کند.
عمق شارژ (DOD): شارژ و دشارژ کم (مثلاً شارژ تا 80 درصد و تخلیه تا 20 درصد) می تواند به طور قابل توجهی طول عمر را افزایش دهد (مثلاً باتری های لیتیومی سه تایی می توانند بیش از 2000 چرخه کم عمق و تقریباً 800-1200 چرخه کامل داشته باشند).
• نمونه های معمولی:
• باتری های لیتیومی تلفن همراه: 500-1000 سیکل (شارژ و دشارژ کامل).
• باتری های لیتیوم آهن فسفات خودروی الکتریکی: 1500-3000 سیکل (شارژ و دشارژ کامل).
6. نرخ تخلیه خود-
• تعریف: سرعتی که یک باتری به طور طبیعی به دلیل واکنش های شیمیایی داخلی در زمانی که استفاده نمی شود، شارژ را از دست می دهد که معمولاً به عنوان "درصد تلفات در ماه" محاسبه می شود.
• مزیت اصلی: باتریهای لیتیومی-میزان تخلیه خود-بهطور قابلتوجهی پایینتر از باتریهای سنتی نیکل-کادمیم/نیکل{3}}فلز هیدرید (نیکل-باتریهای هیدرید فلزی نیکل دارای نرخ خود تخلیه ماهانه تقریباً 2% -{5}} هستند.
مقدار معمولی: در دماهای معمولی (25 درجه)، میزان خود تخلیه ماهانه باتریهای لیتیومی- تقریباً 2%-5% است. افزایش دمای ذخیره سازی (به عنوان مثال، بالاتر از 40 درجه) منجر به افزایش نرخ خود تخلیه می شود.
6.1. اثر حافظه
• تعریف: پدیده ای که به نظر می رسد باتری به دلیل شارژ شدن قبل از تخلیه کامل ظرفیت آن کاهش یافته است (در باتری های نیکل{0}}کادمیم رایج است).
• ویژگی های باتری لیتیوم{0}}: اساساً هیچ اثر حافظه ای وجود ندارد. می توان هر زمان که نیاز باشد شارژ شود (نیازی به تخلیه کامل قبل از شارژ مجدد نیست)، اما نگهداری طولانی مدت با شارژ کامل (مانند خالی ماندن باتری پس از شارژ تا 100٪) پیری را تسریع می کند.
7. پارامترهای سازگاری محیطی
این پارامترها "سناریوهای قابل اجرا" باتری های لیتیومی، به ویژه ایمنی و پایداری آنها را در محیط های شدید تعیین می کنند.
7.1. محدوده دمای عملیاتی
• تعریف: محدوده دمایی که باتری را می توان به طور معمول شارژ و دشارژ کرد. فراتر از این محدوده منجر به کاهش عملکرد یا خطرات ایمنی می شود.
• محدوده معمولی (انواع مختلف باتریهای لیتیوم-):
| نوع باتری | دمای تخلیه معمولی | دمای شارژ معمولی | اثرات دمای شدید |
| باتری لیتیومی سه تایی |
-20 درجه تا 60 درجه |
0 درجه ~ 45 درجه |
<-20℃ discharge capacity drops sharply;>60 درجه مستعد برآمدگی |
| باتری های لیتیوم فسفات آهن |
-30 درجه تا 60 درجه |
0 درجه ~ 50 درجه |
در دماهای پایین نسبت به باتری های لیتیومی سه تایی عملکرد بهتری دارد و در دماهای بالا پایدارتر است. |
| باتری های لیتیوم پلیمری |
-10 درجه تا 50 درجه |
0 درجه ~ 40 درجه |
عملکرد ضعیف در دماهای پایین و مستعد نشتی در دماهای بالا. |
8. محدوده دمای ذخیره سازی
• تعریف: محدوده دمای ایمن برای ذخیرهسازی طولانی مدت باتری- که بر حفظ ظرفیت پس از ذخیرهسازی تأثیر میگذارد.
• محدوده پیشنهادی:
• ذخیره سازی کوتاه مدت- (در عرض 1 ماه): 0 درجه ~ 35 درجه، حفظ سطح شارژ 30٪ -50٪.
• ذخیرهسازی طولانیمدت- (بیش از 3 ماه): -20 درجه ~ 25 درجه، حفظ سطح شارژ 30٪ -40٪ (از ذخیره باتریهای کاملاً شارژ شده یا کاملاً دشارژ شده خودداری کنید).
9. مقایسه پارامترهای اصلی انواع مختلف باتری های لیتیومی
باتری های لیتیومی اصلی موجود در بازار به سه دسته تقسیم می شوند: لیتیوم سه تایی، فسفات آهن لیتیوم و پلیمر لیتیوم. تفاوت در پارامترهای آنها به طور مستقیم سناریوهای قابل اجرا را تعیین می کند.
| پارامتر |
باتری لیتیومی سه تایی (Li-NCM/LCO) |
باتری های لیتیوم آهن فسفات (LiFePO4) |
باتری های لیتیوم پلیمری (لی-پلیمر) |
| ولتاژ اسمی |
3.7V |
3.2V |
3.7V |
| چگالی انرژی |
بالا (200-300Wh/kg) |
متوسط (150-200Wh/kg) |
متوسط (180-250Wh/kg) |
| چرخه عمر |
متوسط (عمر 800-1200) |
بالا (1500-3000 عمر) |
متوسط (500-1000 عمر) |
| عملکرد دمای پایین |
بهتر (-20 درجه قابل تخلیه) |
به طور کلی (می تواند در -30 درجه تخلیه شود، اما ظرفیت به طور قابل توجهی کاهش می یابد.) |
ضعیف (ظرفیت به شدت به زیر 10- درجه کاهش می یابد) |
| امنیت |
به طور کلی (دمای بالا می تواند به راحتی منجر به فرار حرارتی شود) |
بالا (پایداری حرارتی خوبی دارد و به راحتی مشتعل نمی شود.) |
به طور کلی (مستعد نشت، برای محافظت نیاز به بسته بندی نرم دارد) |
| سناریوهای قابل اجرا | تلفنهای همراه، لپتاپ،-وسایل نقلیه برقی سطح بالا | وسایل نقلیه الکتریکی، ذخیره انرژی، ابزارهای برقی | دستگاههای{0} بسیار نازک (مانند هدفون و ساعتهای هوشمند) |
