18650鋰電池技術知識全解析
2019-05-19 科技材料製造
18650鋰電池技術知識全解析
在三百多年前，班傑明富蘭克林開始捕捉雷電，開啟了人們對雷電的認識，也開啟了人們對電的認識，從那個時候開始，也有很多人在考慮如何將捕捉到的電進行儲存，於是逐漸的電池這種東西就產生了，確實，作為歷史上的一個非常重要的發明，電池的出現確實解決了很多的問題，極大的提高各種生活效率，而鋰電池的出現更加使得人們對電的認識越來越深入了，18650鋰電池就是使用時間最為悠久，並且目前依然存在的一種鋰電池，在很多地方領域都能夠看到18650鋰電池的影子，因為這種電池相比其他的電池，優勢非常的明顯，並且安全性也相對來講比較好，甚至已經被用在了大型設備上，本文就為大家介紹一下18650電池的知識。
一、18650鋰電池的優點
一般認為將鋰電池的空載電壓放到3.0V以下就認為電用完了（具體值需要看電池保護板的門限值，比如有低到2.8V，也有3.2V的）。大部分鋰電池放電不能將空載電壓放到3.2V以下的，否則過度放電會損害電池（一般市場上的鋰電池基本都是帶保護板才使用的，因此過度放電還會導致保護板檢測不到電池，從而無法給電池充電）。
4.2V是電池充電的最高限制電壓，一般認為將鋰電池的空載電壓充到4.2V就認為電充滿了，電池充電過程中，電池的電壓在3.7V逐漸上升到4.2V，鋰電池充電不能將空載電壓充到4.2V以上的，否則也會損害電池，這就是鋰電池特殊的地方，一般來講，18650鋰電池具有以下的優點。
1、使用範圍廣
筆記本電腦、對講機、可攜式DVD，儀器儀表、音響設備、航模、玩具、攝像機、數碼照相機等電子設備。
2、串聯
可串聯或並聯組合成18650鋰電池組。
3、內阻小
聚合物電芯的內阻較一般液態電芯小，國產聚合物電芯的內阻甚至可以做到35mΩ以下，極大的減低了電池的自耗電，延長手機的待機時間，完全可以達到與國際接軌的水平。這種支持大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的理想選擇，成為最有希望替代鎳氫電池的產品。
4、沒有記憶效應
在充電前不必將剩餘電量放空，使用方便。
5、電壓高
18650鋰電池的電壓一般都在3.6V、3.8V和4.2V，遠高於鎳鎘和鎳氫電池的1.2V電壓。
6、安全性能高
18650鋰電池安全性能高，不爆炸，不燃燒；無毒，無污染，經過RoHS商標認證；各種安全性能一氣呵成，循環次數大於500次；耐高溫性能好，65度條件下放電效率達100%。為防止電池短路現象，18650鋰電池的正負極是分開的。所以它發生短路現象的可能已經降到了極致。可以加裝保護板，避免電池過充過放，這樣還能延長了電池的使用壽命。
7、使用壽命長
18650鋰電池的使用壽命很長，正常使用時循環壽命可達500次以上，是普通電池的兩倍以上。
8、容量大
18650鋰電池的容量一般為1200mah~3600mah之間，而一般電池容量只有800左右，如果組合起18650鋰電池來成18650鋰電池組，那18650鋰電池組是隨隨便便都可以突破5000mah的。
二、18650鋰電池對比聚合物電池
所謂聚合物鋰電池是指使用了聚合物作為電解質的鋰離子電池，具體來分又分為「半聚合物」與「全聚合物」兩種。「半聚合物」是指在隔離膜上塗一層聚合物（一般是PVDF），使電芯的粘合力更強，電池可以做得更硬，其電解質仍然是液態電解液。
聚合物電池示意圖
而「全聚合物」是指使用聚合物在電芯內部形成凝膠網絡，然後再注入電解液形成電解質。雖然「全聚合物」電池仍然要使用液態電解液，但用量要少很多，這對鋰離子電池的安全性能有極大的提高。據筆者所知，現在只有SONY在量產「全聚合物」鋰離子電池。
從另一個方面來說，聚合物電池是指使用鋁塑包裝膜作為外包裝的鋰離子電池，也就是俗稱的軟包電池。這種包裝膜由三層構成，分別是PP層、Al層與尼龍層，由於PP與尼龍是聚合物，所以這種電芯被稱為聚合物電池。
聚合物電池
1、價格更低
18650的國際價格大約在1USD/pcs，按照2Ah來計算的話大約合3RMB/Ah。而聚合物鋰電的價格，低端的山寨廠在4RMB/Ah，中端的在5~7RMB/Ah，中高端的在7RMB/Ah以上。
2、不可定做
SONY一直想把鋰離子電池做成像鹼性電池一樣，有一定的工業標準，就像5號電池、7號電池，全世界基本上都一樣。但由於鋰離子電池的一大優點就是可以根據客戶的需求進行外形設計，不可能有一個統一的標準。
3、安全性差
我們知道鋰離子電池在極端情況下（如過充、高溫等），內部會發生劇烈的化學反應，產生大量的氣體。18650電池使用的是金屬外殼，有一定的強度，當內部氣壓達到一定的時候鋼殼會破裂爆炸，發生極恐怖的安全事故。
這也是為什麼測試18650電池的房間一般都必須用層層保護，而且測試時絕對不能進人。聚合物電池就不存在這個問題，即使同樣在極端情況下，由於包裝膜強度較低，只要氣壓稍高就會破裂，不會產生爆炸，最最惡劣的情況就是燃燒。所以從安全性上來說聚合物電池要優於18650電池。
4、能量密度低
一般的18650電池容量能做到2200mAh左右，這樣算下來能量密度大約在500Wh/L，而聚合物電池的能量密度現階段量產能夠接近600Wh/L。
但聚合物電池也有自己的缺點。主要是成本較高，由於可以按照客戶需求設計，這裡面的研發成本就要算進去。而且外形多變、種類繁多，導致在製造過程中各種工裝夾具是非標準件，也相應的增加了成本。聚合物電池本身的通用性差，這也是靈活設計帶來的，往往為了那麼1mm的區別就需要重新為客戶設計一款。
三、18650鋰電池的應用
在能源電池行業鋰二次電池的應用得益於其優越的性能。隨著鋰二次電池技術的不斷發展，已廣泛的應用於我們的日常生活中；多次使用的充電電池越來越受到消費者的青睞。關注能源電池行業、充分認識電池進而讓我們做到「為我所用」，目前18650鋰電池在下面的領域有一定的應用。
1、儲能類
主要應用於基站電源、清潔能源儲能、電網電力儲能、家庭光儲系統等。
2、動力類
主要指電動交通工具，電動自行車、新能源汽車等。
3、數碼類
手機、平板、筆記本電腦、電動玩具、MP3/MP4、耳機、充電寶、航模、移動電源等。
四、18650鋰電池分類
18650鋰電池生產均需要有保護線路，防止電池被過充過放電。當然這個對於鋰電池來說都是必須的，這也是鋰電池的一個通弊，因為鋰電池採用的材料基本都是鈷酸鋰材料，而鈷酸鋰材料的鋰電池不能大電流放電，安全性較差，從分類上來看，18650鋰電池的分類可以通過下面的方式來進行分類。
1、按電池實用性能分類
功率型電池和能量型電池。能量型電池以高能量密度為特點，主要用於高能量輸出；功率型電池以高功率密度為特點，主要用於瞬間高功率輸出、輸出的電池。而功率能量型鋰電池是伴隨著插電式混合動力車的出現而出現的。它要求電池儲存的能量較高，可以支持一段距離的純電行駛，也要具備較好的功率特性，在低電量的時候進入混合動力模式。
簡單理解，能量型類似於馬拉松選手，要有耐力，就是要求高容量，對大電流放電性能要求不高；那麼功率型就是短跑選手，拼的是暴發力，但耐力也要有，不然容量太小就跑不遠。
2、按電解質材料分
鋰離子電池分為液態鋰離子電池（LIB）和聚合物鋰離子電池（PLB）。
液態鋰離子電池使用液體電解質（目前動力用電池多為此種）。聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替，這種聚合物可以是「干態」的，也可以是「膠態」的，目前大部分採用聚合物凝膠電解質。關於固態電池，嚴格意義上是指電極和電解質均為固態的。
3、按產品外觀分類
分為：圓柱、軟包、方形。
圓柱和方形外包裝多為鋼殼或者鋁殼。軟包外包裝為鋁塑膜，其實軟包也是一種方形，市場上習慣將鋁塑膜包裝的稱為軟包，也有人將軟包電池稱為聚合物電池。
對於圓柱形鋰離子電池，其型號一般為5位數字。前兩位數字為電池的直徑，中間兩位數字為電池的高度。單位為毫米。例如18650鋰電池，它的直徑為18毫米，高度為65毫米。
4、按極片材料分類
正極材料：磷酸鐵鋰電池（LFP）、鈷酸鋰電池（LCO）、錳酸鋰電池（LMO）、（二元電池：鎳錳酸鋰/鎳鈷酸鋰）、（三元：鎳鈷錳酸鋰電池（NCM）、鎳鈷鋁酸鋰電池（NCA））。
負極材料：鈦酸鋰電池（LTO）、石墨烯電池、納米碳纖維電池。
關於市場上的石墨烯概念，主要是指石墨烯基電池，即在極片中加入石墨烯漿料，或在隔膜上加入石墨烯塗層。鎳酸鋰、鎂基電池市場上基本不存在。
五、18650鋰電池的充放電
按工業標準來說，對於鋰電池，一般標稱的容量是最小容量，這個容量是一批電池中，在25度室溫條件下，先以cc/cv0.5c充滿，並靜置一段時間後（一般是12小時）。以0.2c電流恆流放電放電至3.0v（也有標準是2.75V，不過影響不大，3v到2.75v下降的很快沒多少容量的），所放出的容量值，由於一批電池肯定有個體差異，實際放出容量最低的那個電池的容量值。也就是是說，這一批任何一個電池實際容量都應該大於或等於標稱容量。
1、18650鋰電池的充電過程
有些充電器使用廉價的方案實現的，在控制精度上不夠好，容易造成電池充電異常，甚至損壞電池。選購充電器的時候儘量選擇大品牌的18650鋰離子電池充電器，質量和售後有保證，延長電池的使用壽命。品牌保障的18650鋰離子電池充電器擁有四重保護：短路保護、過流保護、過壓保護、電池反接保護功能等。過充電保護：當充電器對鋰離子電池過充電時，為防止因溫度上升所導致的內壓上升，需終止充電狀態。
為此，保護器件需監測電池電壓，當其到達電池過充電壓時，即激活過充電保護功能，中止充電。 過放電保護：為了防止鋰離子電池的過放電狀態，當鋰離子電池電壓低於其過放電電壓檢測點時，即激活過放電保護，中止放電，並將電池保持在低靜態電流的待機模式。過電流及短路保護：當鋰離子電池的放電電流過大或短路情況產生時，保護器件將激活過電流保護功能。
鋰電池充電控制是分為兩個階段的，第一階段是恆流充電，在電池電壓低於4.2V時，充電器會以恆定電流充電。第二階段是恆壓充電階段，當電池電壓達到4.2V時，由於鋰電池特性，如果電壓再高，就會損壞，充電器會將電壓固定在4.2V，充電電流會逐步減小，當電流減小到一定值時（一般是1/10設置電流時），切斷充電電路，充電完成指示燈亮，充電完成。
鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結構出現塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結構，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。
18650鋰電池充放電曲線
2、18650鋰電池的充電原理
鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
同樣道理，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極。回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。
不難看出，在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處於從正極 負極 正極的運動狀態。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個可愛的名字搖椅式電池。
六、18650鋰電池為什麼有爆炸歷史
18650電池絕大多數使用鋼殼封裝，質量不過關的電池由於沒有保護功能，在過充（過度充電）的情況下，會使其內部壓力驟增，當超過承受值時，便會爆炸。而短路、溫度過高或電池被擠壓變形甚至刺穿等問題都可能會引起電池爆炸。經過30年的發展，18650電池製備工藝已經非常成熟，除了性能有了極大提升之外，其安全性也非常完善。為了避免密封的金屬外殼發生爆炸，現在18650電池都會在頂部配有一個安全閥，安全閥是每一顆18650電池的標配，也是最重要的一道防爆屏障。
不同程度的電池自放電
當電池內部壓力過大時，其頂部安全閥會開啟排氣減壓，避免爆炸。但是，當安全閥開啟之後，電池內部泄露出的化學物質在高溫的條件下會與空氣中的氧氣發生化學反應，仍然有可能出現起火的情況。另外，現在部分18650電池還自帶保護板，具有過充過放和短路保護等功能，安全性能十分高。
而此前發生的移動電源爆炸事件，全部是因為無良廠家為節省成本使用不合格的劣質18650電池，甚至是二手廢電引起的。目前各大電池廠商如松下、索尼、三星等等生產的18650電池其實是非常安全的，而且18650電池使用率非常高，我們在日常使用時能夠做到正確的使用以及避免電池短路，受損或溫度過高，完全不用擔心電池會爆炸。我們不能一竹竿打翻一船人，以個別劣質產品來定性18650的安全性。
七、總結
其實對於鋰電池來講，會出現爆炸原因也是可以理解的，畢竟在以前的時候，對於這種穩定性的把握不會那麼厲害，但是18650作為一種性能對比性非常高的鋰電池，其應用肯定會越來越廣泛的，畢竟目前對於這種不可或缺的電池來講，18650鋰電池是最好的一個選擇。
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