近日，2019年诺贝尔化学奖授予给了锂电池领域的三位科学家，约翰·B·古迪纳夫，M·斯坦利·威廷汉和吉野彰，以表彰他们开发锂离子电池的贡献。
如今，锂电池已经广泛应用在各种产品，这一技术也在进一步发展。关于锂电池，你了解多少？今天，我们来回顾一篇关于锂电池和它在手机应用的技术文章。
锂电池因其出色的能量密度，被广泛应用于各种便携设备上。电池主要由电芯，控制保护电路，外壳引线等组成。
锂电池的电压过高或者过低都会造成严重问题。根据实际使用情况，划分了锂离子电池电压的几个区域，不同的电芯制造商虽有区别但区别不大。
为了保护电池工作在正常的工作区域，如3.0V- 4.2V,电池内部通常都需要对应的保护电路对电芯进行监测和控制。
如下图所示，充电时，当保护电路检测到电芯电压高于充电限制电压时，会自动切断充电回路；反之，放电时，当检测到电芯电压地狱放电终止电压时，会自动切断放电回路。
因此，保护电路的电压检测精度直接影响着锂电池是否工作在正常使用区。此外，电池充电终止电压的高低对电池循环充电次数及电池的容量有非常大的影响。由下图可知，电池充电终止电压由4.2V变为4.3V时，电池循环充电次数减少70%；但电池容量增加了25%。所以充电终止电压高循环次数减少，反之，充电终止电压低电池容量小。保护电路需要严格、准确的控制电池充电终止电压就非常的重要。
电池的另外一个核心部分就是电池电芯，锂电池的电芯起到电能和化学能相互转换的作用。充电时，将外部的电能转换为化学能进行存储；放电时，将化学能转换为电能提供电量。衡量电芯的参数主要有存储电量的大小，通常也称为电池的容量，用mAh表示。除了容量之外，还有一个重要参数决定是否能够将电池存储的电量全部有效的释放，这个参数就是电池的内阻。
关于电池内阻对电池的充电、放电的影响，我们以以下两组实例给大家介绍：
给一块电压3.7966V的电池放电，当放电电流为-1A时，此时电池的电压下降到3.3V；而当放电电流为-2A时，电池电压再次下降到2.77V，此时手机等用电设备就会关机，导致电池内部电量无法释放出来。
同样，给一块电压为3.6V的电池充电，当充电电流为1A时，电池电压上升至3.95V，当充电电流为2A时，电池电压再次上升至4.24V，此时就超出了电池的充电终止电压，电池会切断对应的充电回路，因此无法对电池进行充电。
无论是对电池进行放电，还是对电池进行充电，电池自身有一种势力阻止电池的放电或充电，这就是我们通常说的电池内阻。电池内阻越大，相同的电流条件下，充电或放电时电压的上升或下降就越大。通常电池的内阻会随着充放电的循环次数逐渐变大，导致电池的充电及放电电量越来越少，这就是为什么大家的手机待机时间会越来越短。
从理论上来说，更大的显示屏、更多核的处理器、更多样化的无线连接技术等肯定会增加手机的耗电量。同时，手机的功能也越来越多，手机使用的频率也会越来越频繁，因此对手机的耗电性能进行优化和管理也变得更加重要。譬如在不操作手机时更快的进入休眠，采用脉冲形式发射无线信号，非连续接收及非连续发射等。
为了优化和改善手机的耗电，就必须先了解手机耗电的特征或发现手机存在哪些耗电性能上的缺陷，做到有的放矢。
手机耗电的特征可以归纳为以下几个方面：
1. 电流幅度波动大：
a) 关机漏电流：～10 to 100nA
b) 休眠电流: ~100 µA to 10mA
c) 待机电流: ~5 to 50 mA
d) 接收状态: ~100 to 300 mA （脉冲）
e) 发射状态: ~1 to 2.5 A（脉冲）
f) 应用软件运行：~100mA to 2A
2. 电流变化的速度快、动态大：
上图是手机发射Tx和接收Rx的电流波形：
a) 发射TX电流脉冲为0.58 ms,电流 2.02A；
b) 接收RX 电流脉冲为1.2ms,电流143 mA
c) 连续发射Tx电流脉冲间隔为 4.6 ms；
d) 空闲Idle状态的电流为1mA。
3. 电流是多种功能综合，难以区分是谁引起的电流：
上图是手机从Idle到显示屏点亮，再到拨号打电话过程的电流波形；在显示打开且手机发射的位置，电流时二者叠加的组合电流。
4. 通常需要长时间的对电流进行跟踪和观察
如上图需要测试手机通话时长，要持续4个小时连续记录电流、电压的变化，分析通话过程消耗的电量（843mAh），而且还需要准确测量脉冲电流，往往变得非常困难。
请问买电池产品的时候你会依据什么参数或性能做决定呢？
我猜大家的答复基本是一致的，都是电池的容量，如2000mAh。
那么“mAh”是什么单位？我们都知道，能量的单位通常是焦耳(J)或者千瓦时（KWh），如交电费是按照多少度（千瓦时，1000Wh），没听说过什么mAh?
那锂电池的容量为什么是多少mAh呢？这里的mA是指毫安，和毫米类似，1A等于1000mA。因为锂电池工作区域电压变化范围很小，通常按照区域平均电压看成是恒压工作，典型的手机电池的标称电压为3.7V。因而就可以直接使用电流和时间代表能量，如1000mAh约等于3.7V X 1Ah = 3.7Wh。
下图分别是一块笔记本电脑的电池和一块手机的电池容量规格。
那除了电池容量之外，还有其他什么性能指标来评价电池的好坏呢？
通过前面关于锂电池的基础知识介绍，我们相信大家已经心里基本有数了。锂电池的关键是电池的电芯，然后是保护和控制电路，最后是包装工艺等。综合来说，全面的锂电池性能指标应该测试：
我听过很多从事手机研发的工程师反映，电池厂家提供的电池容量往往在配合他们的手机时无法得到相同的充电或放电容量，如电池标称容量1000mAh，但实际手机只放了850mAh。
他开始怀疑电池厂家给的数据有假，于是就拿来一台直流电源对电池进行充电，结果的确获得了1000mAh的容量。
这是为什么呢？
在前面“初识锂电池”中提到，电池是有内阻的，在电流流过时会导致电池的电压变低的问题，电池在实际配合手机使用时，手机消耗的电流是随工作状态而变化的。不知道大家是否有这样的经历，当手机显示电量还有半格时，突然来一个电话，你想接听时，手机就自动关机了，但重新开机后还是显示半格电？
不难想像，手机上电池的最后半格电几乎很难完全放干净；而电池厂家测试电池容量使用负载放电时，通常测试过程中电池的放电电流都是固定的。因此，相同的电池，在不同的手机上使用，所得到的电池的容量并不完全相同。
所以，最准确的电池容量测试方法如下：使用手机给电池耗电，然后串入一台电流表实时监测电流和电池的电压。
我们看到，以上这台手机电池关机电压为3.4V ，高于期望的3V (3-3.4V这之间的电量无法释放)——电池容量比预期（直接电子负载放到3V）的自然要小。
当然，充电也可以采用类似的方法，获得使用充电器，手机充电时的电池容量，如下图
充电容量受到到手机充电管理的影响，如充电终止电压控制的准确度，充电涓流充电电流等。
作者：baohua.lv 来源：面包板社区