使用时长、温度和放电率如何影响电池的使用寿命？

使用时长、温度和放电时电流速率都会严重影响电池的使用寿命。掌握这些因素对于消费电子和物联网的设计至关重要。互联网上充斥着由于电池性能差而导致的负面设备评论，其根本原因是使用时长、温度或电池消耗率。因此，电池供电设备制造商必须设计解决方案并考虑这些因素来选择电池。

在这篇文章中，我们将探讨为什么使用时长、温度和放电率会影响电池特性，从而影响运行时间。此外，我们还创建了电池模型，以显示对电池参数的真实影响。可以使用分析软件创建电池模型。模型绘制出开路电压（Voc）和内部电阻（Ri）与充电状态的关系。绘制出这些特性至关重要，这样模型才能准确反映电池的真实性能。这些特性在不同的充电状态下可能会有很大变化。

图1.电池模型绘制出电池的Voc和Ri

一、使用时长：每次充放电都会消耗活性材料

电池每次充放电循环时，都会消耗一些活性材料，这会降低电池的整体容量。这种减少意味着电池可以保持更少的电荷，并在随后的循环中提供更少的能量。此外，在充电和放电循环期间，电池内部的活性材料经历物理和化学变化，导致电池电阻随时间增加。此外，随着活性材料的降解或分解，副产物的形成可能会导致电阻的增加。对于具有2.8Ah容量的锂离子电池，开路电压随着放电从4.2V下降到3V，内阻在330毫欧左右波动。在图2中，您可以看到相同电池经过多次循环后的模型。其容量从2.8 Ah降至1.7 Ah。此外，电池的内部电阻增加了一倍多，并在较高的充电水平下表现出较大的尖峰。降低的容量和增加的电阻将显著缩短使用老化电池的任何设备的电池运行时间。

图2：老化锂离子电池模型

二、温度：冷暖决定了化学反应的活跃程度

温度可以说是锂电池的最主要影响因素，是绝大部分化学反应活跃程度的决定因素。冬日电池的内部电阻在较低的温度下升高，抑制了其传导电流的能力。这种增加是由于离子的运动、它们的过渡速率以及电池电极和电解质之间发生的整体电化学反应的减慢。这些效应导致放大的内部电阻，这阻碍了充电和放电过程。在图3中，可以看到零摄氏度时捕获的锂离子电池模型。用于创建图2的相同电池用于生成模型，电池的内阻增加了42%，这将显著影响任何使用该电池的设备的运行时间。电池的容量也从2.82 Ah略微下降到2.68 Ah。

图3：零摄氏度下产生的锂离子电池模型

相反，当电池在较高温度下充电或放电时，热量会加速内部电化学反应，降低其内阻，并提高其性能和存储容量。然而，长时间暴露于高温会导致快速老化并缩短电池寿命。

三、放电速率：大电流充放电会导致有效容量降低

电池放电的速率也会影响其特性。当你以高速率对电池放电时，其有效容量会降低。大电流充放电过程中造成锂离子损失，体现在寿命参数上，就是可用容量的衰减和充放电电阻的上升。电极结构的损坏带来容量损失。这背后的原因是多因素的，与化学反应的变化和与电池内阻相关的影响有关。例如，所有的电池都有一定的内阻，导致能量以热量的形式损失。电流消耗得越快，产生的热量就越多，浪费的能量就越多，从而减少了电池的运行时间。下面你可以看到模型（图4和图5）相同的镍镉（Ni-Cd）电池在不同的速率放电。当放电速率从100 mA增加到500 mA时，容量从1.41 Ah下降到1.22 Ah。

图4：100 mA放电的镍镉电池模型

图5：500 mA放电的镍镉电池模型

结论电池使用年限、温度和放电速率等因素对电池性能的重要影响凸显了分析电流损耗以验证电池实际运行时间的必要性。使用物理电池进行此类测试可能非常耗时且不切实际。相反，创建电池模型可以加快测试速度，并为特定老化和温度条件下的电池提供“已知的良好”模型。另一种方法是，使用时长不同的电池组成一个电池测试箱，在温度室中定期测试，这不是一种有效的解决方案，而且通常是不可行的。这些测试挑战通常会导致实际电池性能与标定指标之间的差异。

作者：是德科技产品市场经理 Brian Whitaker

审核编辑 黄宇