移动设备电池管理——电池化学基础和特性

电池的持久性、循环寿命和贮存寿命

1， 电池随着充放电使用，特性会发生变化，可以总结为化学容积的损失和阻抗的增加。

2， 化学容积损失原因：化学物质的晶体结构变化、颗粒破碎等等。

3， 阻抗增加的原因：一是因为活性物质表面增长出了钝化层，二是因为电解质的损耗，导致离子导通性降低。

4， 在高功率应用场景下（1C or 1/3C），阻抗增加是导致可用容量损失的主要原因。

5， 循环使用后，阻抗的变化会大于化学容积的变化。对于阻抗变化，随着充放电循环，低频阻抗（DC）会显著增加，而高频阻抗（1KHz）几乎不变，所以在评估电池使用时长时要特别关注低频阻抗。

6， 电池的性能退化，和贮存时的电量及温度强相关。

 

自放电特性

1， 自放电主要有四种机制：电池内的寄生导通机制、穿梭分子机制、氢氧再结合机制和杂质效应。

2， 电池内的寄生导通机制，由于阳极的枝晶生长或是隔离层的缺陷，导致阳极和阴极微导通。

3， 穿梭分子机制，一些分子会通过扩散效应，在阴极和阳极间穿梭，反复被氧化和还原，从而造成自放电。

4， 氢氧再结合机制，阳极产生的氢气和阴极产生的氧气，扩散后反应。

5， 杂质效应，电解质中的杂质会被氧化还原，造成容量降低。

6， 自放电速度和温度及循环次数有关，温度越高，自放电速度越快；循环次数越多，自放电速度越快。

 

监控与安全

1， 温度的上升，不仅会造成性能退化，还会引起热失控和电池爆炸。锂离子电池尤甚。

2， NIMH电池，当温度高于80℃时，就会引起自发热效应。

3， 高温可能由大电流过充导致，也可能由短路导致。所以，电池系统应至少有两套独立的过压保护和短路保护电路。

4， 电池制造过程中，若有金属颗粒混杂，会导致内短路。内短路会在局部形成高温，然后扩散到整个电池。作为设备制造商，一定要保证电池厂家的工艺是符合安全要求的。

5， 电池在使用过程中，也可能产生出缺陷。例如阳极和阴极材料的不平衡老化。所以，需要用charger IC or 电量计IC来监控这些异常。