如何挑选移动电源?看移动电源的几个技术参数

2014-03-25 10:51:41来源:煮机网作者:

移动电源由于都是采用的锂离子(聚合物)电池做电芯,其寿命当然就与锂离子电池的充放电次数相关。从转化率、安全性、寿命三个角度考虑,大家该怎么挑选移动电源,现在应该基本心里有数了吧。

认识一个东西,都是从比较好坏开始。没有差哪来的优,煮机就从基本的指标入手,教大家如何分辨一些关于移动电源的重要概念。

锂电池分类

高低贵贱,自有高低贵贱的理由。评价移动电源好坏,首要因素就是它使用的锂电池分类。

为什么说这个分类很重要。因为锂电池本身就是一个综合的、大的概念,锂电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池,多几个字这里面都大有文章,成本相差也是天差地别。

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锂电池,一般情况下是锂离子电池的简称,但严格来说与锂离子电池有很大的区别。锂电池是锂原电池,以锂金属或锂合金为负极材料,内含纯态的锂金属,使用非水电解质溶液的一次性电池。

锂电池是一次性电池,那锂离子电池是不是指可重复充放电的锂电池呢?也非。广义的可充放锂电池是指由一个石墨负极,一个采用钴、锰或磷酸铁的正极,以及一种用于运送锂离子的电解液所构成。但也有一次性锂离子电池,它们使用锂金属或者嵌锂材料作为负极。

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锂离子电池相对于锂电池,多出的“离子”二字,就是强调了运送“锂离子”的电解液。我们熟悉的 18650 电池,内含被吸附的液体电解液,因而所有的 18650 电池都属于锂离子电池。而 18650 电池之所以从锂离子电池中被单独提出来,是索尼基于工业化标准生产的需要,做出的直径为 18mm、长度为 65.0mm 的锂离子可充放电池,使用范围更广、更常见。所以,除了 18650 的标准,还有 16340 电池。

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至于锂离子聚合物电池多出的“聚合物"三字,就是强调这是电解液为胶状、固态或半固态的锂离子电池。锂离子聚合物电池之所以高大上,“固态聚合物”代替了传统的液态电解质是根本原因。

使用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂电解液的好处,一是聚合物可以做成任意形状适配不同的设备,适应能力高,设备的工业设计自由度就有保证。比如手机(18650 这类形状固定、使用液态电解液的电池明显就无法做在今天的智能手机上)。二是聚合物状态的电解液安全性更高,液体电解液在短路、处于高温高压的极端条件下是会爆炸的,聚合物则只会膨胀、鼓出来,再极端的状态也不会发生爆炸燃烧的情况。

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另外,现在的锂离子聚合物电池,都是可充放电池,并非像锂离子电池那样,还有一次性、不可重复使用的品种。

总结

以是否能重复充放电为标准,锂离子聚合物电池全部属于可重复充放电,锂离子电池大部分可以、少部分不行,锂电池则完全不行。

以成本、生产难度衡量,锂离子聚合物电池 > 锂离子电池 > 锂电池。

以安全性衡量,锂离子聚合物 > 锂离子电池/锂电池。

以形态是否固定衡量,锂离子聚合物可“自定义”程度最高,锂离子电池/锂电池次之。

当然,这里还要强调一点,我们现在讨论的锂电池、锂离子电池、锂离子聚合物电池,是以内部电解质为分类标准,主要影响生产成本、电池安全性、电池结构/外形。

至于电池性能,正极电芯的影响更大,比如采用钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等基于钴锂、锰锂、镍锂的不同正极材料,各方面的性能是不一样的。下一篇文章将带来关于这方面的说明。

要想彻底了解影响锂离子电池性能的要素,必须先知道锂离子电池的放电/充电的原理和一般结构组成。

化学电池的构成

一般来说,化学电池都是靠正极、负极活性物质在氧化还原反应(正极化合物失电子、负极化合物得电子)过程中,把化学能转化为电能。锂离子电池相对普通化学电池有什么特殊么?没有。锂离子电池之所以强调“锂离子”三字,是因为其正负极活性物质是含锂化合物。

既然本质上都是氧化还原反应,锂离子电池具体又是如何产生电流的呢——靠的是正极/负极层状物质晶体中,锂离子不断的嵌入/脱嵌,具体如图:

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我们都知道,锂离子电池是由正极、负极、电解质三个基本部分组成。正极和负极作为存储锂离子的载体——层状物质晶体,充电时,锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,负极处于富锂态,正极处于贫锂态,同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极,保证负极的电荷平衡。放电时则相反,锂离子从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极,正极处于富锂态。

目前,负极材料是确定的,一般采用的是碳素材料——石墨(锂离子嵌入碳化合物);所以,与负极材料对应的正极材料这个“锂离子容器”,其储藏的锂离子越多、密度越大,锂离子电池储存的电量就越大;其晶体结构的化学性质越是稳定,锂离子电池的安全性就越高;其老化特性(即随着使用时间增长发生的材料变形,晶体结构破坏,内阻逐渐升高)越不明显,锂离子电池的循环次数越多。一句话总结,不同的正极材料,很大程度上决定了锂离子电池的容量、安全性、寿命。

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(钴酸锂层状晶体正极示意图)

基本我们可以这么说,决定锂离子电池性能的关键,是正极材料,而不同正极材料比拼的,是含锂化合物晶体结构的稳定性、嵌入锂离子数量、老化特性。

目前锂离子电池使用的正极材料,有包括层状结构的钴酸锂、镍酸锂,尖晶石结构的锰酸锂(同样也有层状结构的锰酸锂 LiMnO2),橄榄石结构的磷酸铁锂,和三元材料(简单点可以看做钴锂、镍锂、锰锂某种程度的“混合”),它们各有优缺点。不过由于各个公司的研发和生产水平不同,对于不同的正极材料,各种流行的说法大家争论不休,这里只列举一家公司公开的数据来做对比:

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参数说明:

电压越高,充放电功率也越大,在电池容量一定的情况下,意味着更快的充放电(不考虑控制芯片作用的情况下)。另外,正极材料电压不同,也要求配合不同的电解质,这样才能充分发挥锂离子电池的性能。

振实密度,也称压实密度,是指面密度/极片碾压后的厚度(集流体厚度) ,单位:g/cm3。一般来说,压实密度越大,电池的容量就能做的越高,所以压实密度也被看做材料能量密度的参考指标之一。不过压实密度讲求的是合适,过大或过小,都不利于锂离子的嵌入嵌出。而合适的正极压实密度,可以增大电池的放电容量,减小内阻,减小极化损失,延长电池的循环寿命。

循环寿命很好理解,就是衡量正极材料老化特性。

总结

很明显,不考虑还未实用的磷酸铁锂,目前综合性能最优的材料还是三元材料。至于钴酸锂,性价比最高,所以目前也是使用最广的。

随着我们对解锂离子电池/锂离子聚合物电池之间的区别、性能等的逐步了解,煮机的第三篇文章将从整体角度去解释有关移动电源的关键指标。

转化率

移动电源即使不虚标的情况下,电池容量都不可能 100% 转化成为可充电量。两个标称 10000mAh 容量的移动电源,若一个拥有 85% 的实际转换率,一个拥有 65% 的实际转化率,就意味着一个真实容量为 8500mAh,另一个真实容量为 6500mAh,差别之巨大,转化率的重要性显而易见。

移动电源不能输出 100% 有效容量,主要是存在三个方面的损耗,一是电源主板的升压电路,二是传输线材的线阻,三是手机本身充电时的损耗,其中升压电路的损耗尤其突出。目前,采用不同正极材料锂离子电池的输出电压都在 3.3V-4.2V 之间,而一般输出端口(microUSB 接口)的标准电压为 4.75-5.25V,根据公式:功率(P)=电流(A)·电压(V),10000mAh 电源的总输出功率为 10000mAh×3.7V=37Whr,这 37 Whr 的功率在经过升压电路从 3.7V 升级到 5V 输出电压后,输出电量只剩下 37Whr/5V=7400mAh。

显然,移动电源内置高输出电压正极材料的锂离子电池,理论上转化率会更高些。不过,有些厂商产品转化率高是靠移动电源的整体输出电压偏低,可谓是削足适履,引起的一系列其它效应降低了移动移动电源的稳定性和安全性。

总的来说,使用高电压正极材料的电池,PCB 电路板采用了较好的做工和设计,传输线材用料足,这些综合起来才有健康的高转化率,当然也意味着产品整体成本的提升。

安全性

移动电源的安全性一直是大家关注的焦点,毕竟谁也不想揣着个「不定时炸弹」在包里。要想有高安全性,必须在「事故预防」和「降低事故发生时危害」两个层面进行考虑。

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一个预防措施做的相当足的移动电源,必须要有短路保护、过充保护、过放保护、过电流保护、过温保护。MCU 芯片这集成在 PCB 板上的智能控制系统,可以避免设备在充电时受到不稳定的电流、电压冲击而损坏;可以对产品进行充放电控制,使产品性能更加安全稳定,使用寿命更长,同时也避免不稳定的输出对手机造成伤害。

不过不是所有的厂商都把这些功课做全了、做精了。有些只有简单的短路、过充、过放三项保护电路设计,其中必要的过充和过放也只是保证不严重危害内置电池的性能/寿命,实际上就只剩下了短路保护一个安全预防措施了,在遭遇静电冲击和其他意想不到的情况时,这些产品的安全性着实让人担忧。至于过温保护的话,因为要添加额外的芯片或微型感应装置,增加了成本,有些厂商就没有这项功能,如此一来,移动电源充放电发热在某个特殊条件下,累积到危险水平时就完全没有了防护措施。

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前面我们说了「事故预防」层次移动电源必须要做到的,万一还是发生了意想不到的状况时,最后一道防线就是移动电源内置的锂离子电池/锂离子聚合物电池本身的安全性能了。众所周知,锂离子电池吸附了液态电解质,在高温高压的情况下是可能爆炸燃烧的,相比之下,锂离子聚合物电池采用了固体/半固体、胶质电解质,再极端的环境下也只是体积膨胀、鼓出来,燃烧的情况都极为罕见,爆炸更是绝无可能。所以,采用了聚合物电芯的移动电源,妥妥的是要更安全一些。

寿命

移动电源由于都是采用的锂离子(聚合物)电池做电芯,其寿命当然就与锂离子电池的充放电次数相关。

影响锂离子电池充放电循环次数的因素,有两个,一个是温度,一个是正极材料。

不可避免的,锂离子电池的容量会缓慢衰退,与使用次数无关,而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高。这是不可控的客观因素,用户只能在日常使用时注意不要把移动电源置于高温环境下。

至于正极材料,理论上循环次数的排名是:钴酸锂/镍酸锂<三元材料/锰酸锂<磷酸铁锂,想要更多的充放次数,就选择寿命更长的正极材料电芯。

另外,锂离子电池在过充和过放的情况下,会极大地损害电池寿命,甚至报废,不过一般情况下,移动电源的保护电路特意做了「预防」和「控制」的措施,所以不用太担心。

从转化率、安全性、寿命三个角度考虑,大家该怎么挑选移动电源,现在应该基本心里有数了吧。

关键词:移动电源

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