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升高的自放电有什么作用?

时间:2023-02-02 14:51:01 点击:

升高的自放电有什么作用?

所有电池都会受到自放电的影响。自放电不是制造缺陷而是电池特性;尽管不良的制造实践和不当的处理会增加问题。自放电是永久性的,无法逆转。图 1说明了泄漏流体形式的自放电。

高自放电的影响
图 1:高自放电的影响[1]
自放电随着年龄、循环和温度升高而增加。如果自放电在 24 小时内达到 30%,请丢弃电池。

自放电量因电池类型和化学性质而异。锂金属和碱性电池等原电池最能保留储存的能量,可以存放数年。在可充电电池中,铅酸是自放电率最低的电池之一,每月仅损耗约 5%。然而,随着使用和老化,浸没的铅酸会在沉积物收集器中形成淤泥,当这种半导体物质到达板时会导致软短路(参见BU-804a:腐蚀、脱落和内部短路)

能量损失是渐近的,这意味着自放电在充电后立即达到最高,然后逐渐减小。镍基电池在充电后的前 24 小时内会损失 10-15% 的容量,然后每月损失 10-15%。图 2显示了镍基电池在存储过程中的典型损耗。

自放电随时间变化
图 2:作为时间函数的自放电[1]
自放电在充电后立即达到最高并逐渐减小。该图显示了镍基电池的自放电。铅基和锂基系统的自放电较低。

NiMH和NiCd属于自放电率最高的充电电池;如果将它们放在架子上几周,则需要在使用前充电。高性能 NiCd 比标准版本具有更高的自放电率。此外,自放电随着使用和年龄的增长而增加,其中结晶形成(记忆)是一个促成因素。定期完全放电循环可控制内存(参见BU-807:如何恢复镍基电池)

锂离子电池在最初 24 小时内自放电约 5%,然后每月损失 1-2%;保护电路每月再增加 3%。有故障的分离器会导致自放电增加,从而发展成电流通路,产生热量,在极端情况下,会引发热击穿。在自放电方面,铅酸类似于锂离子。表 3总结了不同电池系统的预期自放电。

电池系统 估计自放电
原锂金属 5 年 10%
碱性 每年 2–3%(保质期 7-10 年)
铅酸 24 小时内 10-15%,然后每月 10-15%
镍基 锂离子、镍镉、镍氢
锂离子 24 小时内增加 5%,然后每月增加 1–2%(加上安全电路的 3%)
表 3:以年和月为单位的自放电百分比 与
二次(可充电)电池相比,原电池的自放电要少得多。

所有电池化学物质的自放电在较高温度下都会增加,并且速率通常每 10°C (18°F) 翻一番。如果将电池留在热车中,则会发生明显的能量损失。高循环计数和老化也会增加所有系统的自放电。镍金属氢化物适用于 300-400 次循环,而标准镍镉在自放电升高开始影响性能之前可持续使用 1,000 多次循环。较旧的镍基电池的自放电会变得如此之高,以至于电池组因泄漏而不是正常使用而变平(参见BU-208:循环性能演示容量、内阻和自放电的关系)

在正常情况下,锂离子的自放电在其整个使用寿命期间相当稳定;然而,完全充电状态和升高的温度会导致增加。这些相同的因素也会影响寿命。此外,充满电的锂离子电池比部分充电的锂离子电池更容易出现故障。表 4显示了锂离子电池在不同温度和充电状态下每月的自放电率。充满电和高温下的高自放电令人惊讶(参见BU-808:如何延长锂基电池寿命)

类型 ° C (32 ° F) 25 ° C (77 ° F) 60 ° C (140 ° F)
充满电 6% 20% 35%
40–60% 电量 2% 4% 15%
表 4:锂离子电池在不同温度和充电状态下每月的
自放电自放电随着温度升高和 SoC 升高而增加。

锂离子电池的放电电压不应低于 2.50V/cell。保护电路关闭,大多数充电器不会在该状态下为电池充电。“升压”程序应用温和的充电电流来唤醒保护电路通常会将电池恢复到满容量(参见BU-803a:如何唤醒休眠的锂离子电池)

当放电电压低于 2.50V/cell 时,锂离子电池会进入休眠状态是有原因的。如果允许电池在低压状态下停留超过一周,铜枝晶就会生长。这会导致自放电增加,从而危及安全。

在制造过程中也必须遵守自放电机制。它们因电极中的腐蚀和杂质而异,反映在自放电变化中的不仅是批次之间的变化,还有电池与电池之间的变化。一家优质制造商会检查每个电池的自放电情况,并拒绝那些超出公差范围的电池。

定期充电和放电会导致锂离子的阳极(负电极)上不必要的锂金属沉积,导致锂库存耗尽导致容量损失,并可能造成内部短路。内部短路通常先于自放电升高,这个领域需要进一步研究以了解什么水平的自放电会造成可能导致热失控的危险。不需要的锂沉积还会增加内阻,从而降低负载能力。

图 5比较了新锂离子电池与经过强制深度放电的电池以及完全放电、短路 14 天然后再充电的电池的自放电情况。暴露于超过 2.50V/ 电池的深度放电的电池显示出比新电池略高的自放电。最大的自放电可见于存储在零伏的电池。

新的和有压力的锂离子电池的自放电
图 5:新的和受压的锂离子电池的自放电[2]
受过深度放电压力并保持在 0V 的电池比新电池表现出更高的自放电。

图 6说明了铅酸电池在不同环境温度下的自放电情况 在 20°C (68°F) 的室温下,每月自放电大约为 3%,电池理论上可以存放 12 个月无需充电。在 30°C (86°F) 的温暖温度下,自放电会增加,6 个月后需要充电。让电池电量低于 60% SoC 一段时间会导致硫酸盐化(另请参阅BU-702:如何存储电池)

铅酸的自放电与温度的关系
图 6:作为温度函数的铅酸自放电[3]
铅酸不应低于 60% SoC。温暖时更频繁地充电。