如何测量电池容量？

电池容量是多少？

电池容量是锂离子电池的基本概念，是指在特定放电条件下，即电流随时间的变化（单位：mAh或Ah），电池可放出的电量。

电池容量计算器

电池容量计算方法：

容量=放电电流（恒流）I x放电时间（小时）T

反向：放电时间T=容量C/放电电流（恒定电流）I

例如，如果电池以500MA的恒定电流放电两小时，则电池容量等于500MA*2H=1000MAH=1AH

5000毫安时的电池容量意味着什么？

那么，根据上述计算方法，常见的5000mAh电池容量意味着什么？电池可以在5000MA的恒定电流下放电1小时，因此其容量为5000mAh（5 Ah）。

5000MA*1H=5000MAh=5AH

如果电池在5安培电流下放电2小时，则其电池容量为10000MAh（10AH）。

5000MA*2H=10000MAh=10AH

锂离子电池的电极容量比应平衡

当两个电极之间发生嵌入反应时，锂离子电池具有不同的嵌入能量。为了获得电池的最佳性能，两个主电极的容量比应保持在平衡值。

在锂离子电池中，电池容量平衡表示为正极与负极的质量比

一般来说，较小的质量比导致阳极材料的不完全利用；较大的质量比可能由于负电极被过度充电而导致安全隐患。通常，电池性能在最佳质量比下最佳。

对于理想的锂离子电池系统，电池容量平衡在其循环期间不会改变，初始容量在每个循环中都是固定的，但实际情况要复杂得多。任何可能产生或消耗锂离子或电子的副反应都可能导致电池容量平衡的变化。

一旦电池容量平衡发生变化，这种变化是不可逆的，可以通过多次循环累积，并对电池的性能产生严重影响。在锂离子电池中，除了氧化还原外，还有许多副反应，如电解质分解、活性物质溶解和锂金属沉积。

为什么锂电池容量会下降？

锂离子电池是继镍镉和镍氢电池之后发展最快的二次电池。它的高能财产使它的未来看起来很光明。然而，锂离子电池并不完美，其最大的问题是充电和放电循环的稳定性。因此，本文的这一部分总结并分析了锂电池容量衰减的可能原因，包括过充电、电解液分解和自放电。

电池容量下降的原因1：过度充电

石墨阳极过充电反应：

当电池过充电时，锂离子容易被还原并沉积在负极表面上：

沉积的锂覆盖了阳极表面并阻挡了锂嵌入。导致放电效率降低和容量损失，原因如下：

① 减少可回收锂的量；

② 沉积的锂金属与溶剂或支持电解质反应形成Li2CO3、LiF或其他产物；

③ 锂金属通常形成在阳极和隔膜之间，这可能会堵塞隔膜的孔隙，增加电池的内阻；

④ 由于锂的性质非常活泼，容易与电解质反应并消耗电解质。因此，放电效率降低并且容量损失。

快速充电会导致电流密度过大和阳极严重极化，锂沉积会更加明显。这种情况倾向于在相对于负活性材料过量的正活性材料的情况下发生。然而，在高充电速率下，即使正极和负极活性物质的比例正常，也可能发生锂金属沉积。

正极过充电反应

当正极活性物质与负极活性物质的比率过低时，容易对正极过度充电。

正极过度充电导致的容量损失主要是由于电化学惰性物质（如Co3O4、Mn2O3等）的产生，破坏了电极之间的电池容量平衡，容量损失是不可逆的。

（1） 锂钴氧化物

LiyCoO2–（1-）y/3[Co3O4+O2（g）]+yLiCoO2 y<0.4

同时，由于没有复合反应（如生成H2O）和电解质分解产生的可燃气体，密封锂离子电池中阴极材料分解产生的氧气会同时积累，后果不堪设想。

（2） λ–二氧化锰

锂锰反应发生在锂锰氧化物完全脱锂时：λ-Mno2→Mn2O3+O2（g）

3.过充电氧化反应中的电解质

当压力高于4.5V时，电解液氧化为不溶性物质（如Li2Co3）和气体，这些物质会堵塞电极的微孔并阻碍锂离子的迁移，从而导致电池容量在循环过程中衰减。

在常用的电解质中，EC/DMC被认为具有最高的抗氧化性。溶液的电化学氧化过程一般表示为：溶液→ 氧化产物（气体、溶液和固体物质）+Ne–

任何溶剂的氧化都会增加电解液浓度，降低电解液稳定性，并最终影响电池容量。假设每次充电消耗少量电解液，则在电池组装过程中需要更多电解液。对于恒定的容器，这意味着填充少量的活性物质，导致初始电池容量降低。此外，如果产生固体产品，电极表面会形成钝化膜，这会增加电池的极化，降低电池的输出电压。

电池容量下降的原因2：电解液分解（减少）

电解质在正极上分解：

电解质由溶剂和支持电解质组成。电解质通常在正极分解后形成不溶性产物，如Li2Co3和LiF，这会通过堵塞电极的孔隙而降低电池容量。

电解质还原反应会对电池的容量和循环寿命产生不利影响，还原产生的气体会增加电池的内部压力，导致安全问题。

正分解电压通常大于4.5V（相对于Li/Li+），因此它们不容易在正极分解。相反，电解质在负极更容易分解。

电解质在负极上分解：

电解质对石墨等嵌锂碳阳极稳定性不高，易发生反应产生不可逆容量。在初始充电和放电期间，电解质的分解将在电极表面上形成钝化膜。钝化膜可以将电解质与碳负极分离，以防止电解质进一步分解。

从而保持碳阳极的结构稳定性。在理想条件下，电解液的还原仅限于钝化膜的形成阶段，当循环稳定时，该过程不会再次发生。

钝化膜的形成

电解质盐的还原参与钝化膜的形成，有利于钝化膜的稳定，但

（1） 还原产生的不溶性物质对溶剂还原产物有负面影响；

（2） 电解质盐还原过程中电解质浓度降低，导致电池容量损失（LiF、LIXPF5-X、PF3O和PF3由LiPF6还原产生）；

（3） 钝化膜的形成消耗锂离子，这将导致极之间的容量失衡，并降低整个电池容量比。

通过比较和分析循环前后电极材料的交流阻抗谱，研究人员发现，随着循环次数的增加，表面钝化层的电阻增加，界面电容减小。这反映了钝化层的厚度随着循环次数的增加而增加。

锰的溶解和电解质的分解导致钝化膜的形成，高温条件更有利于这些反应。结果，活性颗粒与Li+迁移电阻之间的接触电阻将增加，导致极化增加、不完全充电和放电以及电池容量降低。

二、电解液还原机理

电解液中经常含有氧气、水、二氧化碳等杂质，在电池的充放电过程中会发生REDOX反应。

电解质的还原机理包括溶剂还原、电解质还原和杂质还原：

溶剂的还原

PC和EC的还原包括一个电子反应和两个电子反应过程，其中形成Li2CO3。由碳酸二乙酯（DEC）和碳酸二甲酯（DMC）组成的电解质会在电池中发生交换反应，形成碳酸甲酯（EMC），这对电池容量损失有一定影响。

电解质的减少

电解质还原反应通常被认为参与了碳电极表面膜的形成，因此其类型和浓度将影响碳电极的性能。在某些情况下，电解质的减少有助于碳表面的稳定，从而形成所需的钝化层。

一般认为，支持电解质比溶剂更容易还原，还原产物包含在负极沉积膜中，并影响电池容量的衰减。

杂质减少

（1） 电解液中过多的水含量会产生LiOH（S）和Li2O沉积层，不利于锂离子嵌入，并造成不可逆的容量损失：

H2O+1/2+e–OH–h2

OH–+Li+–>LiOH（s）

LiOH+Li++e––>Li2O+1/2 h2（s）

（2） 溶剂中的CO2可被还原以在负极上产生CO和LiCO3：

Co2+2 e–li+2+2–>Li2CO3+CO

CO会增加电池的内部压力，而Li2CO3（S）会增加电池内部电阻并影响电池的性能。

（3） 溶剂中氧的存在也会形成Li2O

O2+2 e–1/2+2 li+–>Li2O

因为锂金属和完全嵌入的碳之间的电势差很小，所以碳上电解质的还原与锂上的还原类似。

电池容量衰减的原因3：自放电

自放电是指电池不使用时电池容量的自然损失。锂离子电池自放电导致电池容量损失的情况有两种：

一是可逆容量损失；

另一个是不可逆容量的损失。

不可逆容量损失是指充电时恢复电池容量的损失，相比之下，不可逆容量损耗在充电状态下是负的，可能与微型电池中的电解质有关，锂离子嵌入和嵌入，嵌入是负的和嵌入的锂离子关断仅与锂离子的电解质相关，因此没有平衡，此部分电池容量损失在充电时无法恢复。

类似地，负活性物质可与电解质微电池相互作用以产生自放电，导致不可逆的容量损失，并且电解质（例如LiPF6）在导电材料上减少。

影响自放电的因素：正极材料生产技术、电池生产技术、电解液性质、温度、时间。

自放电速率主要由溶剂的氧化速率控制，因此溶剂的稳定性影响电池的存储寿命。

如果负极充满电而正极自行放电，则电池中的容量平衡会受到干扰，导致永久性电池容量损失。

长期或经常自放电时，锂可能会沉积在碳上，增加电极之间的容量失衡。

研究人员比较了三种主要金属氧化物正极在不同电解质中的自放电率，发现自放电率随电解质的不同而不同。指出自放电的氧化产物堵塞了电极材料上的微孔，这使得难以插入和释放锂，增加了内阻并降低了放电效率，从而导致不可逆的电池容量损失。