前陣子入手便宜升壓板接 18650 鋰電池轉 USB 插頭供 5V,經驗不足讓鋰電池過度放電,電壓降到 0.5V。

先說一下 18650 鋰電池的放電特性,剛充飽電的電壓為 4.2V,開始放電後電壓緩緩下降到 3.5V 左右,在達到設計容量後快速降到 3.0V 以下,如下面的曲線圖,Y 軸是電壓(V),X 軸是累計釋放電量(mAh):
(註:測試方式是以固定電流放電,不同顏色是不同放電電流,單位為 C,若電池容量 2100mAH,1C = 2100mA,0.5C = 1050mA,2C = 4200mA,以此類推)


圖表來源:Panasonic UR18650A Datasheet

一般建議鋰電池電壓不可低於 2.75V,否則將產生不反可逆反應,導致容量下降或損壞。上回看到電池只剩 0.5V 心頭一涼,想是已受內傷,趕緊換回有過放保護的電池匣。隔天想到要在這批受災電池做個記號方便觀察對照,便請女王大人幫忙註記。後來看到這畫面差點笑出來,居然是用紅筆畫圈,感覺它們正在瑟瑟發抖...

這次事件燃起我對「測量電池容量」的好奇,查了一下,最簡單的量測方法是讓電池接上大功率電阻,持續記錄流過的電流大小(mA),直到電壓降到終止電壓為止,電流量依時間累積加總算出 mAH,便相當於電池容量。Arduino/ESP 有類比輸入可量電壓,用流經大功率電阻的壓降可以推算電流,理論要自己做一個電池容量測試器不難,網路上也有不少教學。不過我在網路上找到現成商品,原理相同但只要一百塊出頭,沒比 DIY 材料費貴多少,然而設計精巧,精確度跟可靠性又比自己做的好十倍,實在沒理由自幹,毫不猶豫馬上入手:

新玩具到手,馬不停蹄測完幾輪(測一顆要六七個小時以上),把久懸心中的幾個疑惑一口氣全解了。

  1. 較小電流放電能得到較大容量?500mA / 250mA 放電電流對容量影響多大?
    依文章開頭的圖表,以 6.3A 放電跟 420mA 放電測得的容量差了約 300mAh。電池容量檢測板附了兩顆 5W 7Ω 電阻,3.5V 時電流約 500mA,我試了單顆 7Ω 跟串接兩顆 14Ω,挑了一顆鋰電池跟一顆磷酸鐵鋰電池測試:
    2600mAh 鋰電池 - 7Ω/0.2C 2470mAh、14Ω/0.1C 2522mAh
    1500mAh 磷酸鐵鋰電池 - 7Ω/0.3C 1167mAh、14Ω/0.15C 1179mAh
    差異不如想像大,只多了約 50mAh,但測試時間足足差了一倍,以 2600mAh 為例,7Ω 放電要 5-6 小時,14Ω 則要 12 小時,太浪費時間又增加不了多少容量,故後面測試就都用單顆 7Ω。

  2. 手邊電池健康狀況如何?實測容量與標示差多少?那顆兩三下就沒電的電池真的不行了嗎?
    挑了手邊的幾顆電池當代表,從小米掃地機器拆出來的灰色電池、網購湊免運買的三洋 2600mAh 電池、某便宜電風扇內附標示 1500mAh 的藍色電池、小木頭在路上撿到全裸金屬殼電池、前幾天購入的 1500mA 磷酸鐵鋰電池(標準工作電壓 3.3V,終止電壓 2.5V,好處是免降壓可直上 ESP 開發板)。
    小米掃地機器人電池依規格推算為 2600mAh,實測為 2470mAh 相去不遠、三洋 2600mAh 電池約 2375mAh、1500mAh 磷酸鐵鋰電池則只有 1167mAh,比想像來得少。 1500mAh 藍色電池狀況不太好,充電充不飽,實測結果也沒讓我失望,只剩下 141mAh,不到規格的 1/10;不知容量帶點鏽斑的全裸金屬殼電池果然也行將就木,實測僅 337mAh。這兩顆在測量完畢後直接淘汰回收。

  3. 鋰電池過度放電到 0.5V 是不是就廢了?
    原本想像鋰電池被放電到 0.5V 後內部已遭重創,筋脈盡斷,容量可能只剩一半之類的。但實測電量還有 2470mAh,沒想像中嚴重。
    這批電池是從 14.4V 電池拆出來的,對外充放電另有電路板,理論上電芯應無保護機制,若有保護也不該出現 0.5V 的低電壓,為什麼在這次事件受創沒想像嚴重?
    查了一些資料,大部分的過度放電實驗主要在觀測重複過度放電的容量衰減,並非我所想像發生一次就萬劫不復,例如有研究指出三次過放約減少 31% 容量,所以實務上還是要極力避免:

    圖表來源:Li-Ion Battery Deep Discharge Degradation

花一百多塊滿足一堆好奇心,很棒的投資,哈!


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