近日，2019年諾貝爾化學獎授予給了鋰電池領域的三位科學家，約翰·B·古迪納夫，M·斯坦利·威廷漢和吉野彰，以表彰他們開發鋰離子電池的貢獻。

如今，鋰電池已經廣泛應用在各種產品，這一技術也在進一步發展。關於鋰電池，你了解多少？今天，我們來回顧一篇關於鋰電池和它在手機應用的技術文章。

初識鋰電池

鋰電池因其出色的能量密度，被廣泛應用於各種便攜設備上。電池主要由電芯，控制保護電路，外殼引線等組成。

鋰電池的電壓過高或者過低都會造成嚴重問題。根據實際使用情況，劃分了鋰離子電池電壓的幾個區域，不同的電芯製造商雖有區別但區別不大。

為了保護電池工作在正常的工作區域，如3.0V- 4.2V,電池內部通常都需要對應的保護電路對電芯進行監測和控制。

如下圖所示，充電時，當保護電路檢測到電芯電壓高於充電限制電壓時，會自動切斷充電迴路；反之，放電時，當檢測到電芯電壓地獄放電終止電壓時，會自動切斷放電迴路。

因此，保護電路的電壓檢測精度直接影響著鋰電池是否工作在正常使用區。此外，電池充電終止電壓的高低對電池循環充電次數及電池的容量有非常大的影響。由下圖可知，電池充電終止電壓由4.2V變為4.3V時，電池循環充電次數減少70%；但電池容量增加了25%。所以充電終止電壓高循環次數減少，反之，充電終止電壓低電池容量小。保護電路需要嚴格、準確的控制電池充電終止電壓就非常的重要。

電池的另外一個核心部分就是電池電芯，鋰電池的電芯起到電能和化學能相互轉換的作用。充電時，將外部的電能轉換為化學能進行存儲；放電時，將化學能轉換為電能提供電量。衡量電芯的參數主要有存儲電量的大小，通常也稱為電池的容量，用mAh表示。除了容量之外，還有一個重要參數決定是否能夠將電池存儲的電量全部有效的釋放，這個參數就是電池的內阻。

關於電池內阻對電池的充電、放電的影響，我們以以下兩組實例給大家介紹：

給一塊電壓3.7966V的電池放電，當放電電流為-1A時，此時電池的電壓下降到3.3V；而當放電電流為-2A時，電池電壓再次下降到2.77V，此時手機等用電設備就會關機，導致電池內部電量無法釋放出來。

同樣，給一塊電壓為3.6V的電池充電，當充電電流為1A時，電池電壓上升至3.95V，當充電電流為2A時，電池電壓再次上升至4.24V，此時就超出了電池的充電終止電壓，電池會切斷對應的充電迴路，因此無法對電池進行充電。

無論是對電池進行放電，還是對電池進行充電，電池自身有一種勢力阻止電池的放電或充電，這就是我們通常說的電池內阻。電池內阻越大，相同的電流條件下，充電或放電時電壓的上升或下降就越大。通常電池的內阻會隨著充放電的循環次數逐漸變大，導致電池的充電及放電電量越來越少，這就是為什麼大家的手機待機時間會越來越短。

手機發展趨勢和耗電特性

從理論上來說，更大的顯示屏、更多核的處理器、更多樣化的無線連接技術等肯定會增加手機的耗電量。同時，手機的功能也越來越多，手機使用的頻率也會越來越頻繁，因此對手機的耗電性能進行優化和管理也變得更加重要。譬如在不操作手機時更快的進入休眠，採用脈衝形式發射無線信號，非連續接收及非連續發射等。

為了優化和改善手機的耗電，就必須先了解手機耗電的特徵或發現手機存在哪些耗電性能上的缺陷，做到有的放矢。

手機耗電的特徵可以歸納為以下幾個方面：

1. 電流幅度波動大：

a) 關機漏電流：～10 to 100nA

b) 休眠電流: ~100 µA to 10mA

c) 待機電流: ~5 to 50 mA

d) 接收狀態: ~100 to 300 mA （脈衝）

e) 發射狀態: ~1 to 2.5 A（脈衝）

f) 應用軟體運行：~100mA to 2A

2. 電流變化的速度快、動態大：

上圖是手機發射Tx和接收Rx的電流波形：

a) 發射TX電流脈衝為0.58 ms,電流 2.02A；

b) 接收RX 電流脈衝為1.2ms,電流143 mA

c) 連續發射Tx電流脈衝間隔為 4.6 ms；

d) 空閒Idle狀態的電流為1mA。

3. 電流是多種功能綜合，難以區分是誰引起的電流：

上圖是手機從Idle到顯示屏點亮，再到撥號打電話過程的電流波形；在顯示打開且手機發射的位置，電流時二者疊加的組合電流。

4. 通常需要長時間的對電流進行跟蹤和觀察

如上圖需要測試手機通話時長，要持續4個小時連續記錄電流、電壓的變化，分析通話過程消耗的電量（843mAh），而且還需要準確測量脈衝電流，往往變得非常困難。

如何全面評估鋰電池性能？

請問買電池產品的時候你會依據什麼參數或性能做決定呢？

我猜大家的答覆基本是一致的，都是電池的容量，如2000mAh。

那麼「mAh」是什麼單位？我們都知道，能量的單位通常是焦耳(J)或者千瓦時（KWh），如交電費是按照多少度（千瓦時，1000Wh），沒聽說過什麼mAh?

那鋰電池的容量為什麼是多少mAh呢？這裡的mA是指毫安，和毫米類似，1A等於1000mA。因為鋰電池工作區域電壓變化範圍很小，通常按照區域平均電壓看成是恆壓工作，典型的手機電池的標稱電壓為3.7V。因而就可以直接使用電流和時間代表能量，如1000mAh約等於3.7V X 1Ah = 3.7Wh。

下圖分別是一塊筆記本電腦的電池和一塊手機的電池容量規格。

那除了電池容量之外，還有其他什麼性能指標來評價電池的好壞呢？

通過前面關於鋰電池的基礎知識介紹，我們相信大家已經心裡基本有數了。鋰電池的關鍵是電池的電芯，然後是保護和控制電路，最後是包裝工藝等。綜合來說，全面的鋰電池性能指標應該測試：

電池容量準確嗎？

我聽過很多從事手機研發的工程師反映，電池廠家提供的電池容量往往在配合他們的手機時無法得到相同的充電或放電容量，如電池標稱容量1000mAh，但實際手機只放了850mAh。

他開始懷疑電池廠家給的數據有假，於是就拿來一台直流電源對電池進行充電，結果的確獲得了1000mAh的容量。

這是為什麼呢？

在前面「初識鋰電池」中提到，電池是有內阻的，在電流流過時會導致電池的電壓變低的問題，電池在實際配合手機使用時，手機消耗的電流是隨工作狀態而變化的。不知道大家是否有這樣的經歷，當手機顯示電量還有半格時，突然來一個電話，你想接聽時，手機就自動關機了，但重新開機後還是顯示半格電？

不難想像，手機上電池的最後半格電幾乎很難完全放乾淨；而電池廠家測試電池容量使用負載放電時，通常測試過程中電池的放電電流都是固定的。因此，相同的電池，在不同的手機上使用，所得到的電池的容量並不完全相同。

所以，最準確的電池容量測試方法如下：使用手機給電池耗電，然後串入一台電流表實時監測電流和電池的電壓。

我們看到，以上這台手機電池關機電壓為3.4V ，高於期望的3V (3-3.4V這之間的電量無法釋放)——電池容量比預期（直接電子負載放到3V）的自然要小。

當然，充電也可以採用類似的方法，獲得使用充電器，手機充電時的電池容量，如下圖

充電容量受到到手機充電管理的影響，如充電終止電壓控制的準確度，充電涓流充電電流等。

作者：baohua.lv 來源：麵包板社區