如何使用 Ragone 圖確定功率輸送

2025 年 7 月 23 日

潘李博士

湖北大學理學博士，中南大學材料科學與工程博士後。長期從事高性能電極材料、防爆電池、低溫電池等領域的研究，具備紮實的科學研究基礎和豐富的實務經驗。

您可以使用 Ragone 圖來確定電池儲存系統（尤其是鋰電池）中的功率輸出。這種方法可以讓您直觀地看到功率和能量之間的權衡，從而幫助您選擇合適的電池，以實現最佳的儲存和電池性能。最近的研究重點強調了電池老化如何影響能量和功率。

第 1 部分：Ragone 情節基礎知識

1.1 軸和比例

您可以使用 Ragone 圖來比較電池系統，方法是繪製特定能量與特定功率。縱軸顯示每公斤可用能量，以每公斤瓦時 (Wh/kg) 為單位。橫軸顯示每公斤功率，以每公斤瓦特 (W/kg) 為單位。兩個軸均採用對數刻度，可讓您直觀地看到各種電池化學成分和儲存材料。這種方法可協助您快速識別不同鋰電池系統在功率和能量之間的權衡。 Ragone 框架還包括等值曲線，它代表恆定的運行時間，可協助您評估電池能夠提供特定功率輸出的時間。

方面	產品說明	部隊	秤類型
垂直軸	單位質量能量	瓦特/千克	對數
橫軸	單位質量功率	瓦/公斤	對數
等值線	恆定運轉時間	时间	直線

1.2 劇情解讀

分析 Ragone 圖時，每個點都反映了特定條件下電池性能的快照。右上角的設備能夠同時提供高能量和高功率，非常適合要求嚴格的應用。 Ragone 框架強調了非線性功率-能量權衡，顯示了增加功率輸出通常會如何減少可用能量。對於鋰電池組，無論您需要長時間運行還是快速放電，此視覺化圖表都可以幫助您根據應用選擇合適的電池化學成分。調整操作限制，例如將最大電池功率降低 9%，改變電池在圖上的位置，從而可以輕鬆看到設計變化如何影響性能。

1.3 Ragone 應用

您可以依靠 Ragone 圖來指導各行各業的電池選擇和系統設計。研究人員和工程師使用 Ragone 框架來比較醫療、機器人、安防、基礎設施、消費性電子和工業應用中的鋰、NMC、LCO、LMO 和 LiFePO4 電池化學成分。此圖支援材料研究、設計最佳化和性能基準測試。您還可以將 Ragone 框架應用於熱儲存材料和熱能存儲，從而將其價值擴展到電化學電池之外。最近的研究甚至將 Ragone 圖用於熱能存儲，以評估新材料和系統配置。

第 2 部分：透過 Ragone 圖確定功率輸送

2.1 功率傳輸分析

當您分析用於高要求應用的鋰電池組時，使用拉格尼圖確定功率輸出至關重要。拉格尼圖可以讓您直觀地了解不同電池化學成分和配置下比能量和比功率之間的關係。此框架可協助您為儲能係統選擇最佳電池，確保滿足能量和功率需求。

例：A123 APR18650M1磷酸鐵鋰電池

以 A123 APR18650M1 磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池為例。此電池可提供 30A 的持續放電電流，並可在短時間內提供高達 40W 的功率。在拉格內圖上，該電池位於高功率區域，其放電功率優於許多其他鋰電池。相比之下，三洋 UR18650F 和三洋 UR18650W 電池的能量更高，但功率更低。下表總結了這些鋰電池的關鍵性能指標：

型號	化學	容量（毫安時）	最大放電量 (A)	比能量（Wh/kg）	比功率（瓦/公斤）	典型應用
A123 APR18650M1	磷酸鐵鋰	1100	30	100-180	截至到4000	電動工具、電動車
三洋UR18650F	NMC	2600	5	160-270	500-1000	消費類電子產品
三洋UR18650W	改性活生物體	1500	20	120-170	2000-3000	工業機器人

您可以看到 A123 電池在最大放電功率方面表現出色，非常適合需要快速能量傳輸的應用。 Ragone 圖直觀地區分了這些化學成分，幫助您確定哪種電池最符合您的儲存和放電功率需求。

逐步識別電力傳輸能力

若要透過 Ragon 圖確定鋰電池組的功率輸出，請依照下列步驟操作：

收集實驗數據
收集每個受測電池的比能量 (Wh/kg) 和比功率 (W/kg) 值。使用不同 C 速率和溫度下的恆定電流放電來衡量績效。
拉貢圖上的繪圖數據
將每個電池的數據點放在拉格尼圖上。縱軸表示能量，橫軸表示功率，兩者皆為對數刻度。
分析等參曲線
觀察代表恆定放電時間的對角線。這些線可以幫助你估算電池在給定功率輸出下能夠維持多長時間。
比較化學性質和配置
評估每個鋰電池組在圖上的位置。像 A123 APR18650M1 這樣的高功率電池位於更靠右的位置，而像 Sanyo UR18650F 這樣的高能量電池則位於更高的位置。
根據應用需求選擇
根據您的特定儲存應用，選擇能量和功率平衡的電池。例如，為機器人或工業工具選擇高功率電池，為消費性電子產品選擇高能量電池。

小提示: 拉格尼圖提供了一個清晰的視覺框架，用於將電池性能與系統要求相匹配，從而減少選擇過程中的猜測。

2.2 現實世界因素

使用拉格尼圖確定功率輸出時，必須考慮影響電池性能的實際因素。這些因素包括溫度、老化、放電速率和儲存條件。每個因素都會改變電池在拉格尼圖上的位置，進而影響能量和功率輸出。

溫度影響
高溫或低溫都會降低能量和功率輸出。例如，在不同溫度下測試的鋰電池在極端條件下效能會下降。這會影響儲存效率和能源效率，尤其是在戶外或工業環境中。
老化和循環壽命
隨著電池老化，其提供最大放電功率和放電能量的能力會下降。例如，磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池的循環次數為 2000-5000 次，而三元鋰 (NMC) 電池的循環次數為 1000-2000 次。在設計長期可靠的儲能係統時，應該考慮到這一點。
放電率
更高的放電率會增加功率，但會降低可用能量。實驗數據表明，隨著放電率的提高，比能量會下降，而比功率會上升。下表說明了這種現象：

參數	2.5 毫克/平方公分負載	3.75 毫克/平方公分負載	5 毫克/平方公分負載
0.1C 時比能量密度 (Wh/kg)	342	275	218
比功率密度（千瓦/公斤）	1.6	2.6	1.8
庫侖效率（％）	90	80	70
100次循環後的容量保持率（%）	≈99.6（所有樣品）	≈99.6（所有樣品）	≈99.6（所有樣品）