【Maker電子學】可充電式鋰電池的原理與應用

作者:Bird

前兩篇採用鈕扣型鋰電池的供電設計認識小型一次性電池的功能特性,我們聊了許多關於一次性電池的事,這次我們就來談談現在最常使用的可充電鋰電池。

為什麼是 18650?

就算是不熟悉電池的人,大概也聽過 18650 這個數字,它幾乎成為鋰離子電池的代言人。為什麼 18650 鋰電池這麼常見,常見到連阿公阿嬤都能朗朗上口呢?

就如同我們之前提過的,18650 這個數字也是有意義的。它代表的是直徑 18 mm、高度 65 mm 的圓筒狀鋰電池。事實上並沒有什麼特別的原因讓 18650 這個尺寸成為最常用的鋰電池標準尺寸,但因為這個尺寸在能量密度、容量、體積、重量等各方面都取得相當好的平衡,於是在尺寸很容易訂製的鋰聚合物電池還沒出現之前,18650 這個尺寸的鋰電池很受工程師的喜愛。

常見的 18650 鋰電池(圖片來源:DHgate

因為大家都愛用,新加入的供應商為了要快速贏得市場,也會優先供應這個尺寸的電池,然後又有更多人選用這個尺寸的電池,所以 18650 就成為世界上用量最多、最受歡迎的鋰電池尺寸了,堪稱鋰電池界的三號電池呀。特斯拉在初期之所以選用 18650 鋰電池做為它電池組的基本單位,也是因為 18650 是個標準化、量大、容易取得的尺寸。18650 在電池市場上大概就像期貨市場上的玉米或小麥一樣,量大、容易流通與取得

以現在的技術,18650 的鋰電池容量大概是 2500 mAh 到 3200 mAh,若以 3200 mAh 以及電壓 3.7 V 來計算,一顆 18650 鋰電池可以儲存的能量就是:

3.7 V * 3200 mAh = 11840 mWh = 11.84 Wh

一度電是 1000 Wh,我們可以算要幾顆 18650 才能湊到一度電:

1000 Wh / 11.84 Wh = 84.45

也就是要差不多 85 顆 18650 才能儲存一度電。一輛 85D 型號的特斯拉有 85 度的電池容量,使用需要 85000 / 11.84 = 7179 顆 18650 才能組成它的電池。實際上特斯拉的 85 kWh 電池模組由 7104 顆 18650 構成,與我們的估算相去不遠。

18650 的鋰離子電池價格在零件市場上的範圍相當大,從一顆台幣 50 元到 100 元都有。若以一顆 70 元來計算,七千顆 18650 就要 49 萬台幣,這還不包括電池的保護電路、平衡電路等電池管理系統,以及電池模組的冷卻系統等其他元件。因此電池的價格確實是電動車單價無法降低的主要原因之一。

18650 之外

除了 18650 外,還有很多常用的鋰離子電池尺寸。其中有一種跟一般的 AA 電池非常像:

一般常見的的 AA 充電電池(左)、編號 14500 的鋰離子充電電池(右)(圖片來源:Bird 提供)

左邊是一般的 AA 充電電池,右邊則是編號 14500 的鋰離子充電電池(14500 的意思就是直徑 14 mm,高度 50 mm 的圓筒),兩者雖然長得像,但千萬不能誤用,因為鋰離子電池的電壓(3.7 V)是一般鎳氫電池(1.2 V)的三倍以上,如果誤把 14500 鋰電池裝進使用 AA 電池的裝置,下場應該很悲慘。

我們可以簡單地來比較一下這兩顆電池的能量密度。這顆鎳氫充電電池的容量是 2000 mAh,而它的電壓是 1.2 V,因此總能量就是:

1.2V * 2000 mAh = 2400 mWh

而 14500 鋰電池則是:

3.7V * 1200 mAh = 4440 mWh

在相同體積之下,鋰電池所能儲存的能量是鎳氫電池的將近兩倍,這也是為什麼鋰電池在近幾年的電子產品中大量取代鎳氫電池的重要原因。如果 iPhone 用的是鎳氫電池,它的體積大概會是現在的兩倍以上吧。

鋰離子電池的原理

可充電的鋰電池是鋰「離子」電池,與我們之前討論的不可充電、一次性的鋰金屬電池不同。鋰離子電池的工作原理與傳統的電化學電池很不一樣,它是利用鋰離子會「嵌入」石墨晶格的原理,來製造陽極和陰極之間的電位差以及儲存能量。「嵌入」這個動作是個很妙的反應,它是鋰離子「擠進」石墨晶格碳原子之間的一個現象,與一般的化學反應不同之處在於,鋰離子與碳原子之間並不交換電子,石墨晶格單純只是提供鋰離子一個棲身之所。

一般的鋰離子電池多以石墨為陽極材料,而陰極材料則有許多選擇,最常見的大概就是氧化鈷鋰(LiCoO2),以及近幾年相當紅的磷酸鋰鐵(LiFePO4)。至於鋰離子的電解質,由於鋰離子並不參與陽極、陰極的化學反應,電解質的功用僅是運送鋰離子在陽極、陰極之間來回移動,因此多半是會解離出鋰離子的鋰鹽溶液。

鋰電池的電壓遠高於水的電解電壓,因此不適合使用溶於水的鋰鹽做為電解質,否則做為溶劑的水本身會有被電解的危險。鋰電池的電解質通常使用有機溶劑為基底,像是碳酸二甲酯之類的有機化合物,這些有機化合物有個很重要的特性:很好燒,燒起來後可是會一發不可收拾。

鋰離子電池的特性

鋰離子電池依照陰極材料的不同會有不同的端電壓。以最常見的鋰鈷(LiCoO2)或鋰錳(Li2Mn2O4)電池來說,標準的端電壓是 3.7 V,但充飽時的電壓可以到 4.2 V。

我們找個鋰離子電池的放電曲線來做例子。

鋰離子電池的放電曲線(圖片來源:Bird 提供)

這是個很典型的 3200mAh 18650 鋰離子電池,在不同放電電流之下的電壓特性。可以看到當電池是滿電的時候,端電壓在 4.2 V,隨著電池的電量越來越低,它的端電壓會穩定下降;在不同電量時,電池的電壓都會不一樣,因此所謂 3.7 V 的標準端電壓只是一個很模糊的規格;而不同的放電電流會造成不同的電壓曲線,有讀過前兩篇文章的讀者應該能猜到:這是由於電池的內組所造成的壓降

事實上由於鋰離子電池這種「端電壓與剩餘容量有關」的特性,簡單測量端電壓就可以大概知道電池裡面還剩下多少電,這對於鋰離子電池的電源管理系統設計來說,是很方便的特性。

充放電與安全性

鋰離子電池和大部分的可充電電池一樣,如果你對滿電的電池繼續充電,接著再灌進來的能量就會變成熱。換句話說,如果你對一顆電池過度充電,你就是拿它當電暖器使用。

而鋰離子電池是數一數二怕熱的電池,原因如前所述:它的電解液很好燒。這些以有機溶劑為基礎的電解液在 90 ℃ 到 130 ℃ 左右會沸騰、氣化,產生的氣體會讓鋰電池內部的壓力急遽增加;為了避免這個壓力撐爆鋰電池的殼體讓它變成破片手榴彈,大部分的鋰電池都會設計洩壓閥,在一定的溫度、壓力條件下會讓洩壓閥開啟,把這些氣化的高壓電解質氣體排出來。

但別忘了,這些電解質就算排出來,還是很好燒,尤其是有機溶劑氣化後再混合了空氣,根本就是汽油彈的兄弟,因此鋰電池的洩壓閥只能防止它變成手榴彈,但沒辦法阻止它變成汽油彈。所以鋰電池絕對不能過度充電。我們知道當電壓到達 4.2 V 時,這個電池就差不多算充飽了,因而端電壓是個可以用來結束充電週期的重要指標。下回我們會詳述鋰電池的充電方法。

使用充電電池,要注意不要過度充電與放電(圖片來源:pixabay

那麼過度放電呢?鋰電池也很怕過度放電。過度放電比較不會有安全上的疑慮,反正放到沒電時,電池裡面也沒剩什麼能量了,但過度放電會對電池造成不可逆的損壞,像是容量降低、甚至損壞等後果。

充電電池就像小狗,你讓它餓死之後再給它吃東西,它也沒辦法吃,所以「不要餓死你的電池」

過度放電對鋰電池造成傷害的原因在陰極。前面說過,鋰電池內部的反應主要是鋰離子嵌入和離開陽極、陰極材料,這個反應不涉及電子交換,是個可逆的反應(所以才能充電),但鋰離子電池在過度放電時,會在陰極形成鋰的氧化物,這個反應是不可逆的,鋰的氧化物不僅不導電,也會阻塞鋰離子在陰極的移動通道,造成陰極可以容納的鋰離子變少,結果就是容量降低。當整隊陰極都被鋰的氧化物堵住時,就再也沒有鋰離子可以移動進入陰極,電池就死了。

至於短路對電池造成的影響比較像是過度充電。電池短路時會產生很大的電流,這個電流除了流經外部的短路迴路之外,也會流經電池內部,由於電池有內阻,所以會發熱,而這個從內部產生的熱會加熱電池裡面的電解質液和其它材料,造成跟過度充電時一樣的後果:爆炸或燃燒。

以上所述的過充、過放、短路等問題,都可以由電路控制,因此絕大部分的鋰電池都會配備一個保護電路,用來偵測電池的端電壓及電流,並做出必要的反應。保護電路通常是一小塊電路板,跟電池包裝在一起,而它的行為很簡單,就是在流入或流出電池的電流大於某個程度,就限制電流或不讓電流流過,以避免電池發熱:電池的電壓高於某個電壓時,就不讓電流流入,以避免過充;電池的電壓低於某個電壓時,就不讓電流再流出電池,以保護電池。

(責任編輯:賴佩萱)

Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。
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Author: Bird

在外商圈電子業中闖蕩多年,經歷過 NXP、Sony、Crossmatch 等企業,從事無線通訊、影像系統、手機、液晶面板、半導體、生物辨識等不同領域產品開發。熱愛學習新事物,協助新創團隊解決技術問題。台大農機系、台科大電子所畢業,熱愛賞鳥、演奏管風琴、大提琴、法國號,亦是不折不扣的熱血 maker。

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