鋰電池容量測試與過度放電損害觀察

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

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