為什么舊鋰離子電池需要很長時(shí)間才能充電？

將充電行為與電池健康基礎(chǔ)知識(shí)聯(lián)系起來

電池用戶經(jīng)常會(huì)問：“為什么舊的鋰離子湖要充電這么久？” 事實(shí)上，當(dāng)鋰離子電池老化時(shí)，電池需要時(shí)間來充電，即使沒有什么可充滿的。我們稱之為“老人綜合癥”。圖 1 顯示了容量為 100% 的新鋰離子電池與僅提供 82% 容量的老化電池組的充電時(shí)間。兩者都需要大約 150 分鐘的充電時(shí)間。

總部位于克利夫蘭的行業(yè)研究公司Freedonia Group預(yù)測，全球?qū)σ淮魏投坞姵氐男枨箢A(yù)計(jì)將以每年7.7％的速度增長，到2019年達(dá)到1200億美元。真正的增長取決于二次（可充電）電池，根據(jù)弗若斯特沙利文（Frost＆Sullivan）的數(shù)據(jù)，二次電池占全球市場的76.4％，預(yù)計(jì)到2015年，這一數(shù)字將增長至82.6％。需求由手機(jī)和平板電腦推動(dòng)。較早的估計(jì)高估了對(duì)電動(dòng)汽車對(duì)電池的需求，因此該數(shù)字已向下調(diào)整。

全球電池市場

2009年， Frost＆Sullivan預(yù)計(jì)一次電池將占全球市場的23.6％，到2015年將下降7.4％。不可充電電池用于手表，電子鑰匙，遙控器，玩具，手電筒，信標(biāo)等。

電池類型概述

電池按化學(xué)分類，最常見的是鋰，鉛和鎳基系統(tǒng)。圖1說明了這些化學(xué)物質(zhì)的分布。鋰離子電池的收入份額為37％，是便攜式設(shè)備和電動(dòng)動(dòng)力總成的首選電池。如今，沒有其他系統(tǒng)威脅到它的統(tǒng)治地位。

圖1：不同電池化學(xué)成分的收入貢獻(xiàn)

鉛酸作為堅(jiān)固耐用，經(jīng)濟(jì)性高而被大量使用。即使鋰離子進(jìn)入鉛酸市場，對(duì)鉛酸電池的需求仍在增長。這些應(yīng)用分為用于汽車的啟動(dòng)器電池，也稱為SLI（20％），用于備用電源的固定電池（8％）和用于輪式機(jī)動(dòng)性的深循環(huán)電池（5％），例如高爾夫球車，輪椅和剪式舉升機(jī)。

高比能和長時(shí)間儲(chǔ)存已使堿性電池比喬治·萊克拉朗奇于1868年發(fā)明的碳鋅電池更受歡迎。鎳氫金屬（NiMH）繼續(xù)發(fā)揮重要作用，因?yàn)樗〈艘郧坝涉囨k（ NiCd）合成的電池。但是，在3％的市場份額和下降的情況下，NiMH正在成為次要參與者。

新興的電池使用方式是個(gè)人運(yùn)輸?shù)膭?dòng)力總成。電池成本，壽命和環(huán)境問題決定了汽車行業(yè)采用這種新型推進(jìn)系統(tǒng)的速度有多快?；剂媳阋耍奖悴⑶胰菀撰@得；替代模式面臨強(qiáng)烈反對(duì)，尤其是在北美?？赡苄枰?lì)措施，但是這種干預(yù)會(huì)扭曲真實(shí)的能源成本，屏蔽化石燃料的潛在問題，并為短期游說團(tuán)體提供短期解決方案。

進(jìn)一步推動(dòng)電池增長的新市場包括電動(dòng)自行車和可再生能源存儲(chǔ)系統(tǒng)，房主，企業(yè)和發(fā)展中國家都將從中受益。大型網(wǎng)格蓄電池在活動(dòng)繁忙時(shí)收集多余的能量，并在輸入量較低或用戶需求較大時(shí)彌合差距。

電池的進(jìn)步

電池在兩個(gè)方面都取得了進(jìn)步，這反映出比能量的增加可延長運(yùn)行時(shí)間，而比功率則可滿足大電流負(fù)載的需求。改善電池的一種特性可能不會(huì)自動(dòng)增強(qiáng)另一種特性，并且通常會(huì)妥協(xié)。圖2示出了以Wh / kg為單位的比能量與以W / kg為單位的比功率之間的關(guān)系。

比能量是電池可以容納的容量，單位為瓦時(shí)/千克（Wh / kg）；比功率是電池以瓦特每千克（W / kg）傳遞功率的能力。

就比能量和比功率而言，性能最佳的電池是二次鋰金屬（Li-metal）。Moli Energy在1980年代推出了早期版本，但陽極上金屬鋰的不穩(wěn)定性促使1991年召回。固體鋰易于形成金屬絲或枝晶，從而引起短路。其他公司為解決此問題所做的進(jìn)一步嘗試最終終止了開發(fā)。

鋰金屬的獨(dú)特品質(zhì)促使制造商重新審視這種強(qiáng)大的化學(xué)物質(zhì)?？梢酝ㄟ^將金屬鋰與錫和硅混合來馴化樹枝狀晶體并達(dá)到所需的安全標(biāo)準(zhǔn)。石墨烯也正在嘗試作為改進(jìn)的隔板的一部分。石墨烯是一層純碳，其厚度為一個(gè)原子，并以六邊形蜂窩狀結(jié)合在一起。還嘗試了防止枝晶滲透的多層隔板。新的實(shí)驗(yàn)性鋰金屬電池達(dá)到300Wh / kg，并且電勢更高。這對(duì)于電動(dòng)車輛特別重要。

這是因?yàn)殡娏鲝耐耆{(diào)節(jié)的電流下降到約0.05C以觸發(fā)就緒模式。電池良好時(shí)的拖尾很短，而陳舊的電池則拖延較長的時(shí)間。這說明容量較小的老式鋰離子電池充電時(shí)間較長。打個(gè)比方，一名年輕的運(yùn)動(dòng)員在短跑中跑得很少，甚至沒有減速，而老人則喘不過氣來，開始走路，從而延長了達(dá)到目標(biāo)的時(shí)間。

圖 1：新舊鋰離子電池充電。

兩種電池組的充電時(shí)間大約為 150 分鐘。新包充電至 1,400mAh (100%)，而舊包僅充電至 1,150mAh (82%)。

給鋰離子電池充電時(shí)，電壓猛增，類似于用橡皮筋舉起重物。如圖 2 所示，新電池組在達(dá)到 4.20V/電池電壓限制之前更“饑餓”并且可以吸收更多“食物”，而老化的鋰離子電池僅在大約 60 分鐘后就達(dá)到了第 1 階段的 V 限制。就橡皮筋類比而言，新電池比舊電池更松弛，并且可以在進(jìn)入飽和之前接受更長時(shí)間的充電。

圖2：觀察新舊鋰離子在階段1的充電時(shí)間。

新鋰離子充滿電90分鐘，而老化電池在60分鐘內(nèi)達(dá)到4.20V/cell、

圖 3 展示了階段 2 中不同的飽和時(shí)間，因?yàn)殡娏鲝耐耆{(diào)節(jié)的電流下降到大約 0.05C 以觸發(fā)就緒模式。優(yōu)質(zhì)電池的拖尾很短，而老化電池組的拖尾會(huì)延長。這解釋了容量較小的舊鋰離子電池充電時(shí)間較長的原因。打個(gè)比方，一個(gè)年輕的運(yùn)動(dòng)員在沖刺時(shí)幾乎沒有減速，或者沒有減速，而老人氣喘吁吁開始步行，從而延長了到達(dá)目標(biāo)的時(shí)間。

圖 3：在切換到就緒狀態(tài)之前，觀察第 2 階段新舊鋰離子電池的飽和時(shí)間。

新電池充滿電的時(shí)間比舊電池長，電流軌跡更短。

鋰離子電池的一個(gè)常見老化效應(yīng)是電荷轉(zhuǎn)移能力的喪失。這是由于電極上形成了鈍化材料，抑制了自由電子的流動(dòng)。這降低了電極上的孔隙率，減少了表面積，降低了較低的離子電導(dǎo)率并提高了抗遷移性。衰老現(xiàn)象是永久性的，無法逆轉(zhuǎn)。

電池的健康狀況基于以下三個(gè)基本屬性：

容量，儲(chǔ)存能量的能力。容量是電池的主要健康指標(biāo) 內(nèi)阻，輸送電流的能力 自放電，機(jī)械完整性指標(biāo)

電荷簽名揭示了鋰離子電池的寶貴健康指標(biāo)。優(yōu)質(zhì)電池在達(dá)到 4.20V/cell 之前會(huì)吸收第 1 階段的大部分電荷，并且第 2 階段的拖尾很短。鋰離子電池“缺乏饑餓感”可歸因于電池未完全充電；特別長的拖尾時(shí)間與低容量、高內(nèi)阻和/或高自放電的電池有關(guān)。

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本文由日本NEC鋰電池中國營銷中心于2025-07-01 11:12:01 整理發(fā)布。
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