鋰離子電池放電大揭秘(i)

由於鋰離子電池高功率,高能量密度的特性,其被廣泛地使用在一般普遍常見的產品當中,像是從小型裝置如3C產品的手機,平板,筆電,到大的電動機車gogoro等等,以及電動車特斯拉等等,都是以鋰離子電池當作裝置產品能量提供的來源。

當我們可以了解到鋰離子電池背後的運作機制,就可以讓我們對電池的掌握度更高,就會在使用這些鋰離子電池相關的產品上,可用的更安全,更放心。

鋰離子電池運作的狀態,大致上分成充電,放電,休息三個階段,本文就將著重在放電的階段講述。

本文摘要

本文介紹鋰離子電池放電過程的內部機制以及放電時候電池電壓變化的特性,並將這些特性連結到產品實務應用上。

圖1 鋰離子電池內部構造圖

鋰離子電池放電介紹

鋰離子電池結構與功用

鋰離子電池電池其結構分為集電器,負極,隔離膜,正極,如圖1所示。在負極,隔離膜,正極區域充斥著電解液(如淺藍色區域所示),較特別的是在正負極裡有著嵌入式材料(補充資料請點此)。鋰原子可在嵌入式材料當中,進行嵌入與嵌出。電解液則是讓鋰離子在正負極之間傳輸。

而在嵌入式材料與電解液交界面,會形成氧化還原反應,目的就是在於將鋰原子與鋰離子和電子之間的轉換。

圖2 氧化還原示意圖

鋰離子電池放電機制

電池在放電過程中,在負極嵌入式材料的大部分的鋰原子嵌出材料,並形成鋰離子與電子,電子會沿著集電器往外部導線行走,形成電流就可供電給裝置使用。鋰離子則是會沿著電解液往正極擴散。當鋰離子擴散至正極後,大部分的鋰離子會與電子結合形成鋰原子,再嵌入至嵌入式材料當中。

圖3 放電過程 正負極反應特性
圖4 整體電池內部放電機制運作圖

鋰離子電池放電特性

從上述機制可了解在鋰離子電池放電過程中,會不斷進行氧化還原反應,鋰的傳輸(或稱作擴散),電子的傳輸,皆會造成能量損耗,最終將導致電池在放電過程中,電池電壓會不斷降低,甚至在即將放完電的時候,傳輸擴散的阻力越來越大,而導致電壓急遽下降。

圖5 電池電壓與放電時間關係

實際產品使用

產品實際運作的時候,鋰離子電池為了讓產品穩定供電,電池內部就會進行上述運作機制,當鋰離子電池放電過程中,電壓不斷減低,但此時又需要讓產品能夠穩定供電,維持一定功率,就會造成在電池快放完電的時候,電池電量百分比下降會更快速。

圖6 電池即將放完電特性

另外,在電池放電時候,我們定義放電截止電壓,這是由於當電池電壓過低會造成過度放電,過度放電會使得集電器溶解,甚至可能進一步導致金屬粒子沈積,引發電池產生內短路安全危害問題。一般來說,為了避免這種情形產生,在產品使用時,當電池低於截止電壓後,則會停止放電。

圖7 放電截止電壓