除非 Tony Stark 介入并发明 Arc 反应堆或用于无线能量传输的太阳能卫星 (SPS) 研究得以通过，否则我们人类必须依靠电池为我们的便携式或远程电子设备供电。您在消费电子产品中发现的最常见的可充电电池类型是锂离子或锂聚合物类型。在本文中，我们的兴趣将放在锂离子电池上，因为它们往往比所有其他类型的电池更有用。无论是小型移动电源、笔记本电脑还是像特斯拉的新款 Model 3 这样大的东西，一切都由锂离子电池供电。
这些电池有什么特别之处？在您的项目/设计中使用它之前，您应该了解什么？您将如何安全地为这些电池充电或放电？如果您想知道所有这些问题的答案，那么您就找到了正确的文章，请坐下来仔细阅读，而我会尽量让这篇文章变得有趣。
锂离子电池的历史
锂离子电池的概念最早由 GN Lewis 于 1912 年提出，但直到 1970 年代才变得可行，并且第一个不可充电的锂电池投入商业市场。1980 年代后期，工程师们尝试制造第一个使用锂作为阳极材料的可充电电池，并取得了部分成功。他们没有注意到这些类型的锂电池在充电过程中不稳定，会在电池内部造成短路，从而增加温度并导致热失控。
1991 年，在日本，一块用于手机的锂电池在一名男子脸上爆炸。只有在这次事件之后，人们才意识到应该格外小心地处理锂离子电池。大量进入市场的此类电池随后因安全问题被制造商召回。后来经过大量研究，索尼推出了具有新化学成分的先进锂离子电池，该电池一直沿用至今。让我们结束这里的历史课程，并研究锂离子电池的化学成分。
锂离子电池化学与工作
顾名思义，锂离子电池使用锂离子来完成工作。锂是一种非常轻的金属，具有高能量密度，这一特性使电池重量轻，并以小尺寸提供高电流。能量密度是电池单位体积所能储存的能量，能量密度越高，电池越小。尽管锂金属具有压倒性的特性，但它不能直接用作电池中的电极，因为锂因其金属性质而非常不稳定。因此，我们使用的锂离子或多或少具有与锂金属相同的性质，但它是非金属的，使用起来相对安全。
通常，锂电池的阳极由碳制成，电池的阴极由氧化钴或其他金属氧化物制成。用于连接这两个电极的电解质将是一种含有锂离子的简单盐溶液。放电时，带正电的锂离子向阴极移动并轰击它，直到它带正电。现在，由于阴极带正电，它会吸引带负电的电子。这些电子流过我们的电路，从而为电路供电。
同样，在充电时，情况恰恰相反。来自电荷的电子流入电池，因此锂离子向阳极移动，使阴极失去正电荷。
锂离子电池介绍
关于锂离子电池的理论已经足够了，现在让我们实际了解这些电池，以便我们对它们在我们的项目中使用它们充满信心。最常用的锂离子电池是 18650 电池，因此本文将对此进行讨论。典型的18650 电池如下图所示
与所有电池一样，锂离子电池也有电压和容量额定值。所有锂电池的额定电压均为3.6V，因此您需要更高的电压规格，您必须将两个或多个串联的电池组合起来才能达到它。默认情况下，所有锂离子电池的标称电压仅为 ~3.6V。该电压在完全放电时可以下降到 3.2V，在充满电时可以上升到 4.2V。永远记住，以低于 3.2V 的电压放电或以高于 4.2V 的电压充电会永久损坏电池，并且还可能成为烟花爆竹的良方。下面就把18650电池涉及的专业术语分解一下，让大家更好的理解。请记住，这些解释仅适用于单个 18650 电池，稍后我们将更多地介绍锂离子电池组，其中多个电池串联或并联以获得更高的电压和电流额定值。
标称电压：标称电压是 18650 电池的实际额定电压。默认情况下它是 3.6V 并且对于所有 18650 电池将保持相同，尽管它的制造商。
完全放电电压： 18650 电池绝对不能放电到 3.2V 以下，否则会改变电池的内阻，从而永久损坏电池并可能导致爆炸
满充电压：锂离子电池充电电压为4.2V。应注意电池电压在任何给定时间都不会增加 4.2V。
mAh 额定值：电池的容量通常以 mAh（毫安时）额定值表示。该值将根据您购买的电池类型而有所不同。例如，假设我们这里的电池是 2000mAh，也就是 2Ah（安培/小时）。这意味着，如果我们从该电池中汲取 2A 电流，它将持续 1 小时，同样，如果我们从该电池中汲取 1A 电流，它将持续 2 小时。因此，如果您想知道电池将为您的项目供电多长时间（运行时间），那么您必须使用 mAh 额定值来计算它。
运行时间（以小时为单位）= 电流消耗 / mAh 额定值
其中，汲取的电流应在 C 额定值范围内。
C 等级：如果您想知道可以从电池汲取的最大电流量是多少，那么可以从电池的 C 等级获得答案。电池的 C 额定值再次针对每个电池发生变化，假设我们拥有的电池是 2Ah 电池，额定值为 3C。3C值表示电池可以输出额定Ah额定值的3倍作为其最大电流。在这种情况下，它可以提供高达 6A (3*2 = 6) 的最大电流。通常 18650 电池只有 1C 额定值。
从电池汲取的最大电流 = C 额定值 * Ah 额定值
充电电流： 另一个需要注意的重要电池规格是充电电流。仅仅因为电池可以提供最大 6A 的电流并不意味着它可以用 6A 充电。电池的最大充电电流将在电池的数据表中提及，因为它因电池而异。通常为 0.5C，即 Ah 额定值的一半。对于额定容量为 2Ah 的电池，充电电流将为 1A (0.5*2 = 1)。
充电时间：单节18650电芯充电所需的最短充电时间可通过充电电流值和电池Ah额定值计算得出。例如，假设充电器仅使用 CC 方法为电池充电，以 1A 充电电流为 2Ah 电池充电大约需要 2 小时。
内阻 (IR)：可以通过测量电池的内阻来预测电池的健康状况和容量。这不过是电池阳极（正）和阴极（负）端子之间的电阻值。电池的 IR 典型值将在数据表中提及。它偏离实际值越多，电池效率就越低。18650 电池的 IR 值将在毫欧姆范围内，并且有专门的仪器来测量 IR 值。
充电方法：锂离子电池的充电方法有很多种。但最常用的是 3 步拓扑。这三个步骤是 CC、CV 和涓流充电。在CC（恒流）模式下，电池通过改变输入电压以恒定充电电流充电。此模式将激活，直到电池充电到一定水平，然后CV（恒压）模式开始时充电电压通常保持在 4.2V。最后一种模式是脉冲充电或涓流充电，其中将小电流脉冲传递到电池以改善电池的使用寿命。还有更复杂的充电器，涉及 7 个充电步骤。我们不会深入探讨这个主题，因为它远远超出了本文的范围。但如果您有兴趣了解评论部分的提及，我可以写一篇关于为锂离子电池充电的单独文章。
State Of Charge (SOC) %：充电状态无非就是电池的容量，类似于我们手机显示的那种。电池的容量不能简单地用它的电压阀来计算，通常是用电流积分来计算，以确定电池容量随时间的变化。
放电深度 (DOD) %：电池可以放电多远由 DOD 给出。没有电池会 100% 放电，因为我们知道这会损坏电池。通常为所有电池设置 80% 的放电深度。
电池尺寸： 18650 电池的另一个独特而有趣的特征是它的尺寸。每个电池的直径为 18 毫米，高度为 650 毫米，这使得该电池得名 18650。
如果您需要更多术语定义，请查看麻省理工学院电池术语文档，您一定会在其中找到更多与电池相关的技术参数。
使用 18650 电池的最简单方法
如果您是一个完全的新手并且刚刚开始使用 18650 电池为您的项目供电，那么最简单的方法是使用现成的模块，它可以安全地为您的 18650 电池充电和放电。只有这样的模块是可以处理单个 18650 电池的 TP4056 模块。
如果您的项目需要超过 3.6V 的输入电压，那么您可能需要将两个 18650 电池串联起来以获得 7.4V 的电压。在这种情况下，使用像 2S 3A 锂离子电池模块这样的模块应该有助于安全地对电池进行充电和放电。
要组合两个或多个 18650 电池，我们不能使用传统的焊接技术在两者之间建立连接，而是使用称为点焊的工艺。此外，在串联或并联组合 18650 电池时，应更加小心，这将在以下段落中讨论。
锂离子电池组（串联和并联的电池）
要为小型便携式电子产品或小型设备供电，单个 18650 电池或最多串联的一对电池就可以了。在这种类型的应用中，复杂性较低，因为涉及的电池数量较少。但对于更大的应用，如电动自行车/轻便摩托车或特斯拉汽车，我们将需要以串联和并联方式连接大量这些电池，以获得所需的输出电压和容量。例如，特斯拉汽车包含 6800 多个锂电池，每个电池的额定值为 3.7V 和 3.1Ah。下图显示了它在汽车底盘内部的布置方式。
由于要监控如此多的电池，我们需要一个专用电路来安全地对这些电池进行充电、监控和放电。这个专用系统称为电池监控系统 (BMS)。BMS 的工作是监控每个锂离子电池的单个电池电压并检查其温度。除此之外，一些BMS还监控系统的充电和放电电流。
当将两个以上的电池组合成一个电池组时，应注意它们具有相同的化学性质、电压、Ah 额定值和内阻。此外，在为电池充电时，BMS 确保它们均匀充电和均匀放电，以便在任何给定时间所有电池保持相同的电压，这称为电池平衡。除此之外，设计人员还必须担心在充电和放电时冷却这些电池，因为它们在高温下反应不佳。
希望本文为您提供了足够的详细信息，让您对锂离子电池充满信心。如果您有任何具体疑问，请随时在评论部分留下，我会尽力回复。直到那时快乐的修补。