使用時長、溫度和放電率如何影響電池的使用壽命？

使用時長、溫度和放電時電流速率都會嚴重影響電池的使用壽命。掌握這些因素對于消費電子和物聯(lián)網的設計至關重要。互聯(lián)網上充斥著由于電池性能差而導致的負面設備評論，其根本原因是使用時長、溫度或電池消耗率。因此，電池供電設備制造商必須設計解決方案并考慮這些因素來選擇電池。

在這篇文章中，我們將探討為什么使用時長、溫度和放電率會影響電池特性，從而影響運行時間。此外，我們還創(chuàng)建了電池模型，以顯示對電池參數(shù)的真實影響。可以使用分析軟件創(chuàng)建電池模型。模型繪制出開路電壓（Voc）和內部電阻（Ri）與充電狀態(tài)的關系。繪制出這些特性至關重要，這樣模型才能準確反映電池的真實性能。這些特性在不同的充電狀態(tài)下可能會有很大變化。

圖1.電池模型繪制出電池的Voc和Ri

一、使用時長：每次充放電都會消耗活性材料

電池每次充放電循環(huán)時，都會消耗一些活性材料，這會降低電池的整體容量。這種減少意味著電池可以保持更少的電荷，并在隨后的循環(huán)中提供更少的能量。此外，在充電和放電循環(huán)期間，電池內部的活性材料經歷物理和化學變化，導致電池電阻隨時間增加。此外，隨著活性材料的降解或分解，副產物的形成可能會導致電阻的增加。對于具有2.8Ah容量的鋰離子電池，開路電壓隨著放電從4.2V下降到3V，內阻在330毫歐左右波動。在圖2中，您可以看到相同電池經過多次循環(huán)后的模型。其容量從2.8 Ah降至1.7 Ah。此外，電池的內部電阻增加了一倍多，并在較高的充電水平下表現(xiàn)出較大的尖峰。降低的容量和增加的電阻將顯著縮短使用老化電池的任何設備的電池運行時間。

圖2：老化鋰離子電池模型

二、溫度：冷暖決定了化學反應的活躍程度

溫度可以說是鋰電池的最主要影響因素，是絕大部分化學反應活躍程度的決定因素。冬日電池的內部電阻在較低的溫度下升高，抑制了其傳導電流的能力。這種增加是由于離子的運動、它們的過渡速率以及電池電極和電解質之間發(fā)生的整體電化學反應的減慢。這些效應導致放大的內部電阻，這阻礙了充電和放電過程。在圖3中，可以看到零攝氏度時捕獲的鋰離子電池模型。用于創(chuàng)建圖2的相同電池用于生成模型，電池的內阻增加了42%，這將顯著影響任何使用該電池的設備的運行時間。電池的容量也從2.82 Ah略微下降到2.68 Ah。

圖3：零攝氏度下產生的鋰離子電池模型

相反，當電池在較高溫度下充電或放電時，熱量會加速內部電化學反應，降低其內阻，并提高其性能和存儲容量。然而，長時間暴露于高溫會導致快速老化并縮短電池壽命。

三、放電速率：大電流充放電會導致有效容量降低

電池放電的速率也會影響其特性。當你以高速率對電池放電時，其有效容量會降低。大電流充放電過程中造成鋰離子損失，體現(xiàn)在壽命參數(shù)上，就是可用容量的衰減和充放電電阻的上升。電極結構的損壞帶來容量損失。這背后的原因是多因素的，與化學反應的變化和與電池內阻相關的影響有關。例如，所有的電池都有一定的內阻，導致能量以熱量的形式損失。電流消耗得越快，產生的熱量就越多，浪費的能量就越多，從而減少了電池的運行時間。下面你可以看到模型（圖4和圖5）相同的鎳鎘（Ni-Cd）電池在不同的速率放電。當放電速率從100 mA增加到500 mA時，容量從1.41 Ah下降到1.22 Ah。

圖4：100 mA放電的鎳鎘電池模型

圖5：500 mA放電的鎳鎘電池模型

結論電池使用年限、溫度和放電速率等因素對電池性能的重要影響凸顯了分析電流損耗以驗證電池實際運行時間的必要性。使用物理電池進行此類測試可能非常耗時且不切實際。相反，創(chuàng)建電池模型可以加快測試速度，并為特定老化和溫度條件下的電池提供“已知的良好”模型。另一種方法是，使用時長不同的電池組成一個電池測試箱，在溫度室中定期測試，這不是一種有效的解決方案，而且通常是不可行的。這些測試挑戰(zhàn)通常會導致實際電池性能與標定指標之間的差異。

作者：是德科技產品市場經理 Brian Whitaker