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锂电池的长寿秘诀


本文对一切锂电池设备均可参考,包括手机、手环、手表、平板电脑、笔记本电脑、电动车、电动汽车、电纸书……

前言

本文旨在让大家知晓正确使用锂电池的方法。

如不关心电池寿命,无需阅读本文,随意使用即可。

现阶段,电子设备更换频率已越来越低,而电池是所有部件中最易老化的,很容易因「短板效应」降低整体性能,因而知晓减缓电池老化的方法很有必要。

若希望在三年内设备照常使用、无拆无修,一年后出门无需携带充电宝,请仔细阅读本文,约 9000 字。

总结

  • 最佳工作温度:0℃~35℃;
  • 最佳电量区间:25%~75%;
  • 电池损耗因素:温度、充放电倍率、荷电状态、放电深度、循环次数;
  • 指数循环损耗:充电至 80% 电量后循环损耗以指数级递增;
  • 避免长期满电:长期满电量使用的总损耗量高于正常放电使用的总损耗量;
  • 建议边充边用:边充边用可减少电池「循环老化」,只要不过热便对电池寿命无影响,当电量超过 75% 时,建议拔下使用;
  • 不会过充过放:锂电池设备均内置电池管理系统,无过充过放隐患;
  • 长期存放条件:电量约 50% 时关机置于阴凉干燥处,每六月续充至 50% 一次;
  • iPhone 开启「设置-电池-电池健康-优化电池充电」,其他厂商亦有对应设置;
  • Android 可使用「Accu​Battery」或「Advanced Charging Controller」设置充电阈值;
  • 笔记本电脑可在 BIOS 内设置充电阈值。

锂电池

锂电池:金属锂电池(如纽扣电池)、锂离子电池(通常所说的锂电池)。

  • 金属锂电池:也称一次锂电池,锂元素以金属形态存在于电池中,一旦电能耗尽便不能再用,无法充电;
  • 锂离子电池:也称二次锂电池,可以充放电,包括液态锂离子电池、聚合物锂离子电池,锂元素以锂离子(通常是锂盐)形态存在于电池中。

锂电池中的正极为锂化合物,负极为石墨。充电时,在电场作用下,锂离子(Li-ion)嵌入到负极的石墨碳层微孔,存储能量;放电时,电解液发生反应,带电荷的锂离子从负极脱嵌流向正极,使其处于富锂状态,这个过程形成电流供电。
锂离子待在正极更稳定,当电池一直处于满电状态,大量锂离子插入负极石墨,处于不稳定载体上,锂离子更容易脱落游离在电解液中,使电池容量降低。
因而锂电池适合浅循环使用,部分充放电优于完整充放电,以 50% 电量为基准收窄充放电区间,可显著延长电池寿命。

现阶段,手机电池一般为聚合物锂离子电池(主要为钴酸锂),本文简称「电池」。

电池寿命

电池寿命包括「循环寿命」和「日历寿命」。
电池寿命减少即电池容量缩小。
温度恒定时,衰减速度主要与循环次数、电池处于高电压区间的时间成正比。

循环寿命

循环寿命(Cycle Life):电池在一定的充放电制度(如放电电流、放电环境温度、放电截止电压等)下,电池容量衰减到某一规定值(通常是额定容量的 80%)前,电池能经受的充电与放电循环次数,影响因素有放电深度(DoD, Depth of Discharge)、荷电状态(SoC,State of Charge)、充放电倍率(C-rate)、循环次数(Number of Cycles)、温度。
锂离子电池寿命一般可达几百次充放电循环,这是在连续深度充放电的条件下测得的。一般认为锂电池从 4.2V 放电至 2.8V 的放电深度为 100%,而手机的工作电压范围一般是 4.2V~3.4V,即便用到自动关机,也做不到深度放电,所以在日常使用的情况下,锂离子电池的循环寿命其实相当长。

日历寿命

日历寿命(Calendar Life):电池在某状态下存储至寿命终止时所需的时间,影响因素有荷电状态(锂离子在负极石墨中储存的多少)、温度、存放时间。锂电池负极石墨会随时间出现晶格塌陷,影响电池寿命。即使不充放电而搁置,容量也会在一段时间后大幅衰减,一般为五年。
如让设备直接使用外接电源,锂电池不参与充放电,就可免除循环老化,只有日历老化(Calendar Aging)。

电池在高温和高 SoC 下,电极/电解液界面稳定性将降低,副反应增多:正极金属离子溶解、析氧、电解液分解、负极表面 SEI 膜(用于分隔电极材料和电解液)增厚,将导致电池性能衰减,从宏观上表现为容量减少和内阻增加,从而降低了电池寿命。
在 25℃ 环境下,电量剩余 40% 的电池存放一年后,容量损失 4%,电量为 100% 的电池存放一年后,容量损失 20%;
在 40℃ 环境下,电量剩余 40% 的电池存放一年后,容量损失 15%,电量为 100% 的电池存放一年后,容量损失 35%。

Estimated recoverable capacity when storing Li-ion for one year at various temperatures

试将「满电量日历老化」与「循环老化」对比:假设循环次数达 500 次时,电池保持初始容量的 80%;温度为 25℃;若每日放电深度为 100%,则一年为 365 次循环,即使再加入日历老化损失量 4%,也未达满电量下存放一年时日历老化的衰减幅度,且在后文所说的 25%~75% 区间内放电时,循环次数还可倍增。

损耗因素

  • 循环次数:一次循环指一次满充与一次满放,随着电池循环次数的增加,电池性能和寿命将逐渐衰减;循环次数≠充电次数。
  • 放电深度:电池放电量与电池额定容量的百分比。DoD=100% 电池没电,DoD=0% 电池满电;放电深度越低越好,每天几次小幅度充放电以保持在 25%~75% 范围,比一次性用完再充满电更好,浅放电的循环寿命优于深放电,参见下图。
  • 荷电状态:剩余容量与满电容量的比值,即俗称的电量。SoC=0% 电池没电,SoC=100% 电池满电;电量与电压正相关,电量越高,电压越高;电压较低时,日历老化与循环老化均会延缓;在同样放电深度下,低电量(电压)区间内充放电,寿命要优于高电量(电压)区间;电池长期处于高 SoC 状态,将加快锂离子析出,活性锂离子减少,电池容量降低,长期处于低 SoC 状态,将加快负极 SEI 膜消耗,引起负极铜箔溶解,形成铜枝晶,电池衰减加快。
  • 充放电倍率:充放电时电流大小与电池额定容量的比率,反映电池充放电速度;如充电电流在一小时内充满电池,则充电倍率平均为 1C;如充电电流在三十分钟内充满电池,则充电倍率平均为 2C;1C 以上快速充电时会降低电池使用寿命;放电倍率一般极温和,无需担心。
  • 温度:高温下,电解液及活性物质活性较大,电池内部有副反应及电解液分解,容量损失加剧,还可能因副反应产生气体而胀气;低温下,电解液粘度变大,锂离子传导速度变慢,造成外电路电子迁移速度不匹配,电池出现严重极化,充放电容量急剧降低,尤其当低温充电时,电池容易析锂,在负极表面形成锂枝晶,导致电池临界温度大幅降低,增加热失控风险。

Cycle life as a function of depth of discharge

非线性循环损耗

下图为动态应力测试(DST)结果,反映各充放电区间下锂离子电池循环的容量损失:
Capacity loss as a function of charge and discharge bandwidth
经计算可得出,充放电位于 25%~75% 区间内最佳。

下图为 一加7 Pro 使用 Accu​Battery 得到的循环损耗曲线:

大致趋势:充电至 80% 电量后循环损耗以指数级递增。
损耗情况依具体设备参数而变化,可用 Accu​Battery 统计大量充放电数据得出。

下面是收集到的几个个例:

0%~80% 消耗 0.25 周期
80%~100% 消耗 0.75 周期

30%~80% 消耗 0.2 周期
80%~90% 消耗 0.2 周期
90%~100% 消耗 0.5 周期

37%~80% 消耗 0.2 周期
80%~100% 消耗 0.74 周期

从 0% 充至 100% 再用光,对循环寿命没有额外伤害,只正常消耗了 1 个循环周期;
从 0% 充至 80% 再用光,并非消耗了 0.8 个循环周期,而只消耗了 0.25 个循环周期。

结论:

  • 循环损耗非线性递增;
  • 循环深度越大,充电截止电压越高,循环损耗越大,循环寿命越短;
  • 降低循环深度将大大延长循环寿命,若维持电池充放电在 25%75% 间循环,可延长约 34 倍的循环寿命。

电池健康

iOS 的「电池健康」(SOH, State of Health)仅反映估算出的循环老化,不含日历老化,非真实电池寿命,是否更换电池应根据设备实际使用体验而定,其心理意义更大(该掏钱换电池/手机了),无需过分看重。
极端情况:设备一直接入充电器,持续受日历老化,无循环老化,电池健康永为 100%,但实际寿命已因长期高压导致的过度日历老化而降低。

由于出厂时电池实际容量一定高于额定容量,而电池健康最大显示数值无法超过 100%,故新买的 iPhone 前几个月内可能将一直显示 100% 不变。

充电阶段

充电就是电池从低电压到高电压的过程。

  • 涓流充电(Trickle Charge):电池过放时出现的恒定小电流充电阶段,电池电压在 0V~2V 时,先恢复性充电,防止电流过高损坏电池;
  • 预充电(Pre-Charge):电池电压在 2V~3V 时,未达到内核启动电压,以略高于涓流充电的恒定小电流预充,防止电流过高损坏电池;
  • 恒流充电(CC, Constant Current Charge):电池电压升至 3V 以上时,内核及传感器已启动,以恒定电流快速充电;
  • 恒压充电(CV, Constant Voltage Charge):电池电压达到充电截止电压时,因为不能超过该截止电压,所以充电电流会逐渐减小,而电池电压维持在充电截止电压不再升高;
  • 充电截止(Charge Termination):当电池电压达到充电截止电压,且充电电流为 0,代表电池已充满电。

注:恒压充电阶段末期,充电电流越来越小直至接近 0 时,充满最后一格电所用时间极长,或许花费几十分钟,只充进了 0.5%,意义不大。因此,常规定充电截止电流,当充电电流下降至截止水平后停止充电,系统 UI 显示电量为 100%。

使用温度

  • 充电工作温度:0℃~45℃;
  • 放电工作温度:-20℃~45℃;
  • 最佳工作温度:0℃~35℃;
  • 高温比低温伤害更大,避免高于 35℃ 使用;
  • 低温下,电池容量将临时降低,温度正常后恢复;
  • 0℃ 以下勿充电,将析锂永久损失容量;
  • 无线充电时注意电池温度;
  • 过热时取下保护壳。

电量

电池 SoC 无法直接测量,只能估算获得。
一般采用库仑计数法,也称安时积分法,通过电池电流读数对使用时间的积分来计算 SoC 值。
由于库仑计数法只单纯从外部记录进出电池的电量,忽略了电池内部状态的变化,同时受限于电池电流测量精度,SoC 计算误差会不断累积,需要定期不断校准,每一次满充满放,系统都会根据实际电池的电量判断是否要更新实际可用总电量,从而清除历史误差。

电压

额定电压:也称标称电压,电气设备长时间正常工作时的最佳电压,此时设备中的各部件都工作在最佳状态,性能较稳定,寿命相对较长。
锂电池的额定电压是指维持放电时间最长的那段电压。
例:额定电压为 3.7V 的锂离子电池,充满电电压在 4.2V,放完电电压在 3.0V;放电时,电压在 4.2V→3.7V 与 3.7V→3.0V 区间内下降极快,惟有在 3.7V 左右的放电时间是最长的,几乎占 ¾ 的时间,所以额定电压标为 3.7V。
一般来说,额定电压为 3.7V,充电截止电压为 4.2V;额定电压为 3.8V,充电截止电压为 4.35V;额定电压为 3.85V,充电截止电压为 4.4V。
标准锂离子电池:电压范围 2.8V~4.2V,额定电压 3.7V,电压低于 2.8V 或高于 4.2V 有损坏风险。
手机电池大多是高压电池,厂商为提高设备续航能力,常会设置较高的充电截止电压。目前,iPhone 电池一般 4.35V 满电,Android 电池一般 4.4V 满电,放电截止电压一般为 3.4V~3.5V;高充电截止电压可以提供更大的电池容量,但电池也将因高电压而加快「日历老化」。

过充过放保护

100% SoC 和 0% SoC 是人为定义的。
出厂时,电池会设定「充电截止电压」和「放电截止电压」。
以小电流充电至充电截止电压代表电池充满,SoC=100%;以小电流放电至放电截止电压代表电池没电,SoC=0%。
这两个电压是根据电池的安全、寿命、容量与用电器的工作电压、电流范围综合决定的。
SoC=100% 时不代表电池不能再充了,SoC=0% 时也不意味着电池里一点电都没有了。
因此电池容量被限制为不能完全使用,只能使用部分区间,如 SoC 实际为 5% 时电量为 0%,SoC 实际为 95% 时电量为 100%,在这个电量区间内,电池管理系统(BMS, Battery Management System)执行的是浅充浅放策略,因此,实际使用中的放电深度较低,不会过充过放。

假设手机电池参数为额定容量 3000mAh、额定电压 3.85V、充电截止电压 4.4V;手机内部充电管理参数则为放电截止电压 3.4V、充电截止电压 4.11V。
这两项截止电压是结合实际测试获得的最佳参数,用于保证电池安全工作。

  • 应对过充,电源管理芯片会降低最后阶段的充电速度,随着电压越来越高,充电电流逐步减小直至达到 4.4V 后停止充电;
  • 应对过放,放电至 3.4V 左右时电源管理芯片将强行关机,即 SoC=0% 时仍留有 3.4V~3.5V 电压以保证手机元件下次照常启动,未达到会伤害锂电池的 2.8V 电压,所以即使电量用尽也不会伤害电池。

边充边用

充电由电池管理系统控制,先给手机元器件供电,剩余电量再分给电池充电,因此边充边用时电池充电速度会减慢,当电量充满时电池中断充电,待电池缓慢自放电很长时间后,电压略微下降些许,方重新开始小电流充电至满电状态。
边充边用优先使用的是充电器电源,电池只在执行耗费资源的任务时供电,因而可以减少电池循环次数,只要避免过热及电量充满导致「日历老化」增加即可起到缓解电池老化的效果。
由于电池无法同时充放电,故不会有「充电器→电池→元器件」的情况出现,实际情况为「充电器→元器件+充电器→电池」;电池可能在充电时中断充电协同供电,依情况而定:

  • 执行一般任务时,机身内所有元器件都通过电源管理芯片(PMIC, Power Management IC)向充电接口取电,电池处于正常充电状态,满电后电池中断电源供电;
  • 执行耗费资源的任务时,充电器的输入功率无法满足机身内所有元器件消耗的电功率,如通过电脑 USB 接口、Apple 5W 充电器充电,此时手机将从充电接口和电池中同时取电,导致虽在充电状态,但电池电量越来越低,虽如此,只要发热不严重,依然比电池单独供电损耗小。

发热情况:

  • 电量未满:电池充电发热+元器件做功发热;
  • 电量已满:元器件做功发热。

整晚充电

若习惯整晚充电,iPhone 建议开启「设置-电池-电池健康-优化电池充电」,其他厂商亦有相关功能。
当系统学习到用户使用习惯后,在手机整晚连接电源的情况下,系统将先给电池充到 80%,当次日清晨用户拔下电源之前才涓流充电将电池充满;若作息不规律,系统无法习得用户使用习惯,此功能也不会影响正常充电。
如此便减少了电池处于高压满电状态的时间,能够有效延长电池使用寿命。

长期满电使用

当电池满电时电压最高,空电时电压最低。
长期满电使用虽减少了电池循环次数,但满电量时存在过度「日历老化」,因满电后电池充电已由电池管理系统中断,手机消耗电量由充电器提供,电池不参与放电,长期处于高电压状态,将加快锂离子析出,使电极间传输介质减少,电池容量损失,寿命降低。
所以,应尽量减少电池处于满电量高电压状态的时间,充满电后不拔掉电源,电池会一直保持高电压状态,加快容量损失速度,尤其在室温较高时。

如果在 40%~50% 电量时,电池中断充电,元器件由充电器供电,理论上处于最佳电压水平,电池损害最小。
Android 可使用「Accu​Battery」或「Advanced Charging Controller」设置充电阈值;
笔记本电脑可在 BIOS 内设置充电阈值。

iPad、iPhone XS、iPhone XS Max、iPhone XR 及以后版本的设备具备充电管理功能:

有时 iPad 或 iPhone 会长时间连接到电源,例如用于展示或销售点系统,或放在充电推车中。iPad 和 iPhone 采用可充电锂离子电池,可在电池的使用寿命期间反复充电和放电。如果电池长时间处于满电量状态,电池健康会受到影响。
装有 iOS 11.3 或更高版本的 iPad,以及装有 iOS 12 或更高版本的 iPhone XS、iPhone XS Max 或 iPhone XR 提供了有助于保持电池健康的充电管理功能,这项功能会监控这些设备是不是在上述充电状况下使用,并根据需要降低电池最大容量。电池指示器会根据调节后的最大容量显示电量百分比。当 iPad 或 iPhone 不再长时间连接到电源,并且情况和电池健康都允许的状况下,电池最大容量将恢复到调节前的水平。

充电器

手机与充电器间有握手协议(保证电源和手机安全),握手成功后才会开始充电。握手时先检测端口供电电压,如电压不正常则握手失败,无法充电;如电压正常则继续检测通讯端口电压,根据电压来分配充电电流。
手机充电电压和充电电流由内部电源管理芯片根据温度和使用情况决定,充电器只能被动适应手机需要。
若手机不支持快充,即使使用大功率充电器充电,也只有普通输出功率。

符合国标的充电器均可混用,仅充电快慢有区别,无安全隐患,不影响电池寿命。
使用充电宝、电脑 USB 接口等电源充电,仅存在供电电流较小、充电慢问题,对电池寿命没有损害,小充电电流反而更呵护电池。

iOS 省电设置

  • 关闭「后台 App 刷新」
  • 关闭不必要的「通知权限」
  • 关闭不必要的「定位权限」
  • 关闭「Siri 与搜索」
  • 关闭「Apple 广告」、「分析与改进」
  • 关闭「重要地点」、「产品改进」

iOS 设置充电阈值提醒

  1. 打开「快捷指令」
  2. 点击「自动化」
  3. 点击右上角「+」
  4. 点击「创建个人自动化」
  5. 滑至底部,选择「电池电量」
  6. 滑动圆点至欲设置的充电阈值
  7. 选择「等于 n% 时」
  8. 点击「下一步」
  9. 在搜索框中输入「播放声音」并选择
  10. 再次在搜索框中输入「播放声音」并选择
  11. 在搜索框中输入「使设备振动」并选择
  12. 再次在搜索框中输入「使设备振动」并选择
  13. 点击「下一步」
  14. 关闭「运行前询问」
  15. 点击「完成」

存放

室温下,锂离子电池每月自放电率约为 1~2%。
温度越高,自放电率越高;
荷电量越高,自放电率越高。

长期存放时,应:

  • 设备充电量应为 50% 左右,勿充满或放空;
  • 关闭设备电源,避免额外电池损耗;
  • 将设备置于阴凉干燥环境中,温度低于 32℃,最佳储存温度为 0℃;
  • 每隔六个月为设备充至 50% 电量。

结语

电池的损耗因素十分复杂,本文仅作参考,具体情况应根据使用习惯及使用需求灵活决定,在家偶尔使用时可保持 50% 左右的中电量状态,出门前再将电量充满。
您应像下例这样具体问题具体分析:
如果您常玩游戏,就应主要关注温度的影响,高温是游戏时电池损耗因素中的主要矛盾,与之相比,高电量、循环次数等则成了次要矛盾。
由于电压越高,电流越小、内阻越小,所以高电量时电池发热量要比低电量时小,此时更适合游戏,还可采取去除保护壳、增设散热背夹等辅助手段。

如本文有误,敬请批评、指正。


参考资料:

  • 本文作者: 千灵夙赋
  • 本文链接: https://qianling.pw/battery/
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