什麼是鋰電池循環？立即了解

2025 年 6 月 19 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。

鋰電池充電週期是指電池完全充電、放電和再充電的過程，相當於電池容量的100%。它在電網儲能和電動火車等工業應用中起著至關重要的作用，因為電池的健康狀況直接影響電池的性能。優化充電週期可以延長電池壽命並提高可靠性，從而降低成本。

關鍵要點

了解鋰電池的充電原理有助於延長電池壽命。盡量將電池電量維持在 20% 到 80% 之間。這樣可以減輕電池壓力，延長電池壽命。
不要讓電池過度耗電或過度充電。這樣做會加快電池損耗並降低其電量。使用系統來監控和管理電池的使用情況。
使用智慧工具檢查充電週期。電池管理系統和專用電腦程式等工具可以改善充電效率並節省成本。

第 1 部分：什麼是鋰電池充電週期？

1.1 充電週期的定義與組成部分

鋰電池充電週期指的是電池容量達到 100% 的過程，無論是單次完全放電，或是多次部分放電，累計達到 100%。例如，如果一天使用了 70% 的電池電量，第二天使用了 30% 的電池電量，這就算是完整的充電週期。這個概念對於理解鋰離子電池隨著時間的推移而表現。

充電週期的組成部分包括：

充電階段：電池需要補充能量，大多數鋰離子電池的單節電池電壓通常高達 4.2 伏特。此階段直接影響電池的健康和壽命。
放電階段：電池中的電能用於為設備或系統供電。放電深度 (DoD) 顯著影響電池的循環次數。
休息階段：在充電和放電之間，電池可能會處於閒置狀態，這也會影響其整體效能。

下表重點介紹了不同的充電水平和放電深度如何影響循環次數和可用能量：

充電水平（V/cell）	放電週期	可用儲存能量
4.30	150-250	110-115％
4.25	200-350	105-110％
4.20	300-500
4.13	400-700
4.06	600-1,000
4.00	850-1,500
3.92	1,200-2,000
3.85	2,400-4,000

了解這些組件有助於您優化電池性能並延長工業應用中的電池壽命。

1.2 鋰電池組的充電次數是如何計算的

計算充電週期涉及追蹤電池的累積放電能量，直到達到其容量的 100%。此過程可以使用以下先進方法來測量：

選項	產品說明
庫侖計數	監測電池的電流，並對其進行時間積分，以計算總電量。此方法將充電狀態 (SoC) 表示為剩餘電量與最大容量的百分比。
ECBE 方法	分析每個電池每次循環後的放電曲線，以確定最大可輸出充電容量 (Qd)。此方法可以更準確地測量電池容量。

這些方法確保對充電週期進行精確監控，這對於維持工業和商業環境中鋰離子電池組的效率和可靠性至關重要。

1.3 關於充電週期的常見誤解

關於充電週期的一些誤解可能會導致電池不當使用並縮短電池壽命。以下是一些常見誤解的澄清：

“充電前必須將電池完全放電。”
鋰離子電池沒有記憶效應，因此部分充電不會對其造成損害。事實上，淺度放電和充電（例如，將電池電量保持在 20% 到 80% 之間）更有利於電池健康。
“電池充滿電後仍插著電源會損壞電池。”
現代鋰離子電池內建有機制，一旦達到滿容量就會停止充電。然而，長時間將電池以 100% 的電量存放會縮短其使用壽命。
“使用第三方充電器總是會損壞電池。”
雖然低品質的充電器可能帶來風險，但具有匹配規格的信譽良好的第三方充電器是可以安全使用的。

諸如此類的誤解可能會導致電池不必要的磨損。透過採用正確的充電方法，您可以最大限度地延長鋰離子電池組的使用壽命和效率。

對於依賴鋰離子電池的企業來說，了解這些細微差別至關重要。它可以確保最佳效能，並隨著時間的推移降低營運成本。

第 2 部分：為什麼充電週期對鋰電池組很重要

2.1 對電池健康和性能的影響

充電週期直接影響鋰離子電池的健康和性能。每個週期都涉及電池單元內部的化學反應，這些反應會逐漸影響電池的容量和效率。隨著時間的推移，這些反應會導致電池效能下降，進而影響其有效儲存和輸送能量的能力。

研究表明，單晶富鎳陰極可以緩解通常會導致性能下降的應力，從而提高鋰電池組的整體性能。然而，在充放電循環過程中，富鎳陰極會發生顯著的化學變化。由於形成了一層缺氧表面層，阻礙了鋰離子的吸附，這些變化會導致10次循環後容量下降100%。

放電深度 (DoD) 在決定電池效能下降的速度方面起著至關重要的作用。淺放電（例如，使用率 20%-80%）的電池往往比經常放電至接近 0% 的電池續航時間更長。這是因為深度放電會對電池內部組件造成更大的壓力，從而加速磨損。

在工業應用中，例如機器人 or 基礎設施系統保持最佳電池健康狀態至關重要。維護良好的電池可確保穩定的效能，減少停機時間，並最大限度地降低更換成本。透過了解充電週期的影響，您可以實施策略來保持電池健康並最大限度地提高其運作效率。

2.2 充電週期與電池壽命的關係

電池在容量顯著下降之前能夠完成的充電循環次數是其壽命的關鍵指標。對於鋰離子電池而言，其壽命通常以電池在保持至少 80% 原始容量的情況下能夠承受的完整循環總數來衡量。

方面	信息
數據集大小	來自 3 個商用 NMC/C+SiO 鋰離子電池（已使用一年以上）的超過 228 億個數據點。
專注於	研究各種操作條件下的日曆和循環老化。
測量頻率	具有兩秒分辨率的測量日誌。
應用領域	對電池退化進行建模、最佳化操作策略和測試演算法。
老化機制	包括日曆老化（SEI生長）和循環老化（鋰電鍍）。
依賴	老化機制取決於 SoC、溫度、充電速率和電池年齡。

上表重點介紹了影響電池老化的因素。反覆充放電所引起的循環老化是造成容量損失的主要原因之一。例如，NMC 鋰電池通常可循環 1,000-2,000 次，而 LiFePO4 電池由於其優異的化學穩定性，可循環 2,000-5,000 次。

特斯拉新款 4680 圓柱形電池採用鎳含量高達 80% 的陰極，展現出更佳的電化學性能。這項改進歸功於富鎳層，它促進了鋰離子的流動，從而減少了充電過程中的衰減。這些進步凸顯了材料創新對於延長電池壽命的重要性。

為了最大限度地延長鋰離子電池組的使用壽命，您應該採取一些最佳實踐，例如避免深度放電、保持適當的溫度以及使用合適的充電設備。這些措施不僅可以延長電池壽命，還可以透過減少浪費和資源消耗來增強營運的可持續性。

對於依賴鋰離子電池的企業來說，了解充電週期和電池壽命之間的關係至關重要。這有助於您優化使用模式，降低營運成本，並確保在各種應用中提供可靠的效能。

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第 3 部分：優化鋰電池充電週期的技巧

3.1 影響電池組充電循環效率的因素

鋰電池充電週期的效率受多種因素影響。溫度起著至關重要的作用。高溫會加速電池內部的化學反應，導致電池老化加快，容量降低。相反，低溫會增加內阻，影響能量傳輸。保持受控的溫度環境可確保電池達到最佳效能。

充電和放電電流也會影響效率。更高的放電率會增加內部應力，導致容量衰減更快。例如，對索尼 18650 電池的測試表明，隨著放電率的增加，容量損失分別為 9.5%、13.2% 和 16.9%。放電深度 (DoD) 是另一個關鍵因素。雖然更深的放電可以提供更好的能源效率，但它會給內部組件帶來壓力，加速磨損。

下表總結了這些因素及其量化影響：

因子	產品說明	定量證據
溫度因素	影響電池性能；高溫會加速老化和容量衰減。	高溫會增加SEI膜的生長和電池內部的電阻。
充電和放電電流	放電倍數越高，容量衰減越快，電阻越大。	隨著放電倍數的增加，容量衰減分別為9.5%、13.2%和16.9%。
放電深度	影響電池健康；在容量明顯衰減之前，更深的放電可以提高能源效率。	衰減率相似，直到容量達到 85%，更深的模式表現較好。

了解這些因素有助於您優化充電週期並延長電池壽命。

3.2 工業鋰電池組充電的最佳實踐

採用最佳實務可確保高效充電並延長電池壽命。使用適合您鋰離子電池組特定要求的充電器。這可以防止過壓或欠壓問題，從而降低電池壽命。定期監控電池性能，以便及早發現潛在問題。實施溫控充電環境，以避免效率低落和安全風險。

充電基礎設施的安全功能對於工業應用至關重要。這些功能包括過電流保護和熱管理系統。遵循這些措施，您可以提高鋰離子電池組的可靠性和使用壽命。

3.3 在商業營運中避免過度充電和深度放電

過度充電和深度放電會嚴重影響電池效能。過度充電時過高的電壓會對電池帶來壓力，加速電池效能下降。深度放電會使內部組件承受壓力，導致熱積聚和容量損失。放電深度 (DoD) 越高，電池效能下降越快，這是因為壓力增加。

為了避免這些問題，請將電池使用率保持在 20%-80% 的範圍內。這可以減輕壓力並延長電池壽命。對於工業運營，整合電池管理系統 (BMS) 可確保精確的監控和控制，最大限度地降低過度充電或深度放電相關的風險。

3.4 使用進階工具監控和管理充電週期

先進的工具簡化了充電週期的監控和管理。人工神經網路 (ANN) 可以預測電池指標，從而優化電動車等應用的性能。精確的充電狀態 (SoC) 估算可確保高效能能源利用並防止過度充電。

下表重點介紹了支援進階監控的資料集：

數據集名稱	主要特色
汽車鋰離子電池使用資料集	包括電壓、電流、傳導電荷、SOC和實際駕駛週期的時間。
快速充電優化資料集	採用 224 種不同的快速充電協定並記錄充電過程中的內阻。
循環壽命預測資料集	包含 135 個電池循環至壽命終止的數據，用於循環壽命預測建模。