锂离子电池基础知识介绍以及安全问题分析

电池基本知识

1、什么是电池？

电池是一种能源。当它正负极连接在用电器上时，因为正负极之间存在电势之差，电流从正极流向负极，储存在电池中的化学能直接转化成电能释放出来，一只电池必然由两种不同电化学活性的物质组成正负两极，正负极活性物质之间的电动势差形成电池的电压，根据其电化学系统的不同，各种类型的电池电压各有不同。

2、一次电池和充电电池有什么差别?

电池内部的电化学设计决定了该类型的电池是否可充。根据它们的电化学成分和电极的结构可知，可充电电池的内部结构之间所发生的反应是可逆的。理论上，这种可逆性是不会受循环次数的影响，既然充放电会在电极的体积和结构上引起可逆的变化，那么可充电电池的内部设计就支持这种变化。而一次电池在给定的电池环境中两个电极之间的电化学反应是不可逆的，因此，不可以将一次电池拿来充电，这种做法很危险也很不经济。假如要反复使用，应选择真正的循环次数在1000次左右的充电电池，这种电池又称为二次电池。

另一明显的差别就是二次电池具有较高的比能量和负载能力，但自放电率较大。一次电池能量密度远比二次电池高。然而他们的负载能力相对要小。

3、充电电池是怎么样实现它的能量转换？

每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存的化学能直接转换成电能。就二次电池而言(另一术语也称可充电便携式电池)，在放电过程中，是将化学能转换成电能；而在充电过程中，又将电能重新转换成化学能。这样的过程根据电化学系统不同，一般可充放电500次以上。

Li-ion是一种新型的可充电便携式电池。它的额定电压为3.63.8V。他的放电电压会随放电的深度而逐渐下降。

4、什么是Li-ion电池？

Li-ion是锂离子电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前，先介绍锂离子电池。锂离子电池的正极材料是锂金属。负极材料是碳材。按照大家习惯上的命名规律，我们称这种电池为锂离子电池。

Li-ion的正极材料是氧化锂钴，负极材料是碳材。电池通过正极出现的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程，所以人们称之为Li-ion。

5、Li-ion电池的工作原理是什么？

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为摇椅电池。

锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，每月在10%以下。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且输出功率大。使用寿命长。没有环境污染，被称为绿色电池。

充电是电池重复使用的重要步骤，锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段（指示灯呈红色或黄色）和恒压电流递减阶段（指示灯呈绿色）。恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到0，而最终完成充电。电量统计芯片通过记录放电曲线可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次使用后，放电曲线会发生改变，锂离子电池虽然不存在记忆效应，但是充电不当会严重影响电池性能。

锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

充电量等于充电电流乘以充电时间，在充电控制电压一定的情况下，充电电流越大（充电速度越快），充电电量越小。电池充电速度过快和终止电压控制点不当，同样会造成电池容量不足，实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电，这种充电不足的现象随着循环次数的新增而加剧。

6、HYB公司Li-ion电池的重要结构是怎么样的？

Li-ion电池重要有以下几部分组成:

1）钢壳电池：电池上下钢质盖板，直通钢质壳身，铝质铆钉；

铝壳：铝质顶板，铝质壳身，钢质铆钉。

2）正极钴酸锂的活性物质及铝质基体；

3）隔膜一种特殊的复合有机膜；

4）负极活性物质为碳，铜质基体；

5）一定比例有机物组成的电解液体系。

7、Li-ion电池有什么优点？什么缺点？

Li-ion电池具有以下优点：

1）单体电池的工作电压高达3.6V；

2）比能量大。目前HYB钢壳电池能达到的实际比能量为100-135W.h/kg和280-353W.h/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH），随着技术发展，比能量可高达150W.h/kg和400W.h/L

3）循环寿命长。一般均可达到500次以上，甚至1000次。

4）安全性能好，无公害，无记忆效应。作为Li-ion前身的锂离子电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域；Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素；部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为记忆效应，严重束缚电池的使用，但Li-ion不存在这方面的问题。

5）自放电小

室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。

Li-ion也存在着一定的缺点，如：

1）电池成本较高。重要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较少），电解质体系提纯困难。

2）不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大，故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。

3）要保护线路控制。

A、过充保护：电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解液分解，内部压力过高而导致漏液等问题；因电池在充电过程中电压会不断上升，故必须在4.2V的恒压下充电；

B、过放保护：过放会导致大量活性物质容量不可逆而大量衰减，故也要有保护线路控制。

8、锂离子安全特性是如何实现的？

为了确保Li-ion安全可靠的使用，进行了非常严格电池安全性能设计，以达到电池安全考核指标。

1）各种环境滥用测试

进行各项滥用实验，如外部短路、过充、针刺、冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。同时对电池进行温度冲击实验和振动、跌落、冲击等力学性能实验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。隔膜135℃自动关断保护

2）采用国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达到120℃的情况下，PE复合膜两侧的膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。

3）向电解液中加入添加剂

在电池过充，电池电压高于4.2V的条件下，电解液添加剂与电解液中其他物质聚合，电池内阻大幅新增，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。

9、什么是充电限制电压？额定电压？终止电压？

a)充电限制电压

按生产厂家规定，电池由恒流充电转入恒压充电时的电压值。我公司的充电限制电压为4.2V。

b)标称电压：用以表示电池电压的近似值。

c)终止电压：规定放电终止时电池的负载电压，其值为n*2.75V（锂离子单体电池的串联只数用n表示）。

10、Li-ion电池铝壳和钢壳电池比较它们的差别有什么？

同型号的铝壳电池重量较钢壳轻。

铝壳电池的容量稍高。

由于钢壳和铝壳的内部结构不同，所以壳体表现出来的正负极也存在着差别，钢壳电池的外壳为负极，顶部为正极；铝壳电池的正好相反，外壳为正极，顶部为负极。

两种型号电池在内阻和电压方面没有很大分别。

11、目前常见的各种可充电电池之间有什么差别？

目前镍镉、镍氢、锂离子充电电池大量应用于各种便携式用电设备（如笔记本电脑、摄像机和移动电话等）中，每种充电电池都具有自己独特的化学性质。镍镉和镍氢电池之间重要差别在于：镍氢电池能量密度比较高。与相同型号电池比较，镍氢电池容量是镍镉容量的二倍，这意味着在不为用电设备新增额外重量时，使用镍氢电池能大大地延长设备工作时间。镍氢电池另一优点是：大大减少了镍镉电池中存在的记忆效应问题，从而使得镍氢电池可更方便地使用。镍氢电池比镍镉电池更环保，因为它内部没有有毒重金属元素。

Li-ion也已经快速成为便携设备的标准电源，Li-ion能供应和镍氢电池相同的能量，但在重量方面则可减少大约35%，这关于象摄像机和笔记本电脑之类的用电设备来说是至关重要的。Li-ion完全没有记忆效应和不含有毒物质的优点也是使它成为标准电源的重要因素。

电池性能术语

1、什么是电池内阻？

•是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻值大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。内阻大小重要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。是衡量电池性能的一个重要参数。注：一般以充电态内阻为标准。测量电池的内阻需用专用内阻仪测量，才能确保所得到的值的精确度。

2、什么是电池的容量?怎么样计算？影响电池容量的有什么因素？

•电池的容量有额定容量和实际容量之分。

•电池的额定容量是指电池在环境温度为20℃5℃条件下，以5h率放电至终止电压时所应供应的电量，用C5表示。

•电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量，重要受放电倍率和温度的影响（故严格来讲，电池容量应指明充放电条件）。

•容量常见单位有：mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。

•影响电池容量的因素重要有两个方面：一是活性物质的重量；二是活性物质的利用率。

3、什么是开路电压？什么是工作电压？

开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。一般情况下，Li-ion电池充满电后开路电压为4.14.2V左右，放电后开路电压为3.0V左右。通过对电池的开路电压的检测，可以判断电池的荷电状态。

工作电压又称端电压，是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，需克服电池的内阻所造成阻力，故工作电压总是低于开路电压，充电时则与之相反。Li-ion的放电工作电压在3.6V左右。

4、什么是放电平台？

放电平台是指在电池任何倍率的电流下恒压充到电压为4.2V，并且充电电流小于0.01C时停止充电即充满电后，然后搁置10分钟，在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间。

5、什么是内压？

•指电池的内部气压，是密封电池在充放电过程中出现的气体所致，重要受电池材料、制造工艺、电池结构等因素影响。其出现原因重要是由于电池内部水分及有机溶剂分解出现的气体于电池内聚集所致。

•高倍率的持续过充，会导致电池温度升高、内压增大，严重时对电池的性能及外观出现破坏性影响，如漏液、鼓底；电池内阻增大，放电时间及循环寿命变短等。

•Li-ion任何形式的过充都会导致电池性能受到严重破坏，甚至爆炸。故Li-ion在充电过程中需采用恒流恒压充电方式，防止对电池出现过充。

6、为何电池要储存一段时间后才能包装出货？

•电池的储存性能是衡量电池综合性能稳定程度的一个重要参数。电池经过一按时间的储存后，允许电池的容量及内阻有一定程度的变化。经过了一段时间的储存，可以让内部各成分的电化学性能稳定下来，可以了解该电池的自放电性能的大小，以便保证电池的品质。

7、什么是化成，为何要化成？

•组装后的电池，被给予一定的电流，使得电池正负极活性物质被激发，最后使电池具有放电能力的电化学过程称为化成；

•因为电池只有经过化成后才能够用来作为电源使用，所以要化成。

8、什么是分容？

•电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容。

9、什么是锂离子的检验仲裁充/放电制式?

•仲裁充电制式在给Li-ion充电的各种方法中，检验的仲裁充电制式是指在环境温度20℃5℃的条件下以0.2C充电，当电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.01C，最长时间不大于8h停止充电。

•仲裁放电制式仲裁放电制式是指在环境温度20℃5℃的条件下以0.2C放电，直至电池端电压达到放电限制电压。

10、什么是充电效率？什么是放电效率？

充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程度的量度。重要受电池工艺，配方及电池的工作环境温度影响，一般环境温度越高，则充电效率要低。

放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比，重要受放电倍率，环境温度，内阻等因素影响，一般情况下，放电倍率越高，则放电效率越低。温度越低，放电效率越低。

11、如何计算Li-ion电池的放电容量？

在没有特别指明的情况下，电池放电容量均是指在一定倍率的恒流下放电至2.75V时所持续的时间。电池在不同温度下的放电容量均可根据该电池的放电时间(T)和放电电流(I)来计算的公式位：C(mAh)=I(mA)*T(h)。

锂离子电池的重要制造过程

Li-ion电池的工艺技术非常严格、复杂，这里只能简单介绍一下其中的几个重要工序。

1）配料：用专门的溶剂和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。

2）涂布：将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正负极极片。

3）装配：按正极片隔膜负极片隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，在经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。

4）化成、分容：用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池。

锂离子电池-安全隐患

锂离子电池锂离子电池的安全性问题，不仅与池材料本身性质有关，而且与电池制备技术和使用有关。手机电池频频发生爆炸事件，一方面是由于保护电路失效，但更重要的是在于材料方面并没有根本的解决问题。

钴酸锂正极活性材料在小电芯方面是很成熟的体系，但是充满电后，仍旧有大量的锂离子留在正极，当过充时，残留在正极的锂离子将会涌向负极，在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果，甚至在正常充放电过程中，也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶，钴酸锂材料的理论比能量是超过每克270毫安时的，但为保证其循环性能，实际使用容量只有理论容量的一半。在使用过程中，由于某种原因（如管理系统损坏）而导致电池充电电压过高，正极中剩余的一部分锂就会脱出，经电解液到负极表面以金属锂的形式沉积形成枝晶。枝晶刺穿隔膜，形成内部短路。

电解液的重要成分为碳酸酯，闪点很低，沸点也较低，在一定条件下会燃烧甚至爆炸。如电池出现过热，会导致电解液中的碳酸酯被氧化和还原，出现大量气体和更多的热，如缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放，电池内压便会急剧上升而引起爆炸。

聚合物电解质锂离子电池并没有从根本上解决安全性问题，同样使用钴酸锂和有机电解液，而且电解液为胶状，不易泄漏，将会发生更猛烈的燃烧，燃烧是聚合物电池安全性最大的问题。

在使用方面也存在一些问题，电池发生外部短路或内部短路将出现几百安培的过大电流。外部短路时电池瞬间大电流放电，在内阻上消耗大量能量，出现巨大热量。内部短路形成大电流，温度上升导致隔膜熔化，短路面积扩大，进而形成恶性循环。

锂离子电池为达到单只电芯3～4.2V的高工作电压，必须采取分解电压大于2V的有机电解液，而采用有机电解液在大电流、高温的条件下会被电解，电解出现气体，导致内部压力升高，严重会冲破壳体。

过充可能会析出金属锂，在壳体破裂的情况下，与空气直接接触，导致燃烧，同时引燃电解液，发生强烈火焰，气体急速膨胀，发生爆炸。

另外，关于手机锂离子电池，由于使用不当，如挤压、冲击和进水等导致电池膨胀、变形和开裂等，这些都会导致电池短路，在放电或充电过程放热引起爆炸。

对各组成部份物质的要求

＜一＞对正负极物质的要求

1、正极电位超正，负极电位越负

2、活性要高（反应快，得胜率高）

3、活性物质在电解液中要稳定，自溶速度要小

4、活性物质要有良好的导电性能，电阻小

5、便于生产，资源丰富

＜二＞对电解液的要求

1、电导率高，扩散效率好，粘度低

2、化学成份稳定，挥发性小，易贮存

3、正负极活性物质在电液中能长期保持稳定

4、便于使用

＜三＞对隔膜要求

1、有良好的稳定性

2、具有一定的机械强度和抗弯曲能力，有抗拒枝晶穿透能力

3、便于使用

4、吸水性良好，孔径、孔率符合要求

＜四＞对外壳要求

1、有较高的机械强度，承受一般的冲击

2、具有耐工艺腐蚀的能力

问题

1、为何会出现电池零电压（低电压）？及其处理方法？

1）电池有无遭受外部短路或过放、反充（将电池正负极或充电器正负极反接，电池充电时相当于强制过放）；用电器电路是否正常；点焊品电池是否有烧焦的痕迹。

2）电池有无受高倍率大电流持续过充，导致电池机芯膨胀，内部正负极直接接触短路。

处理方法:

1）了解客户电池的具体使用情况；

2）取同型号电池充电后接入用电器，判断用电器是否正常；

3）将电池以1C电流充电30分钟，开路放置10分钟左右，如电池的开路电压稳定在电池的正常电压范围内，则电池可基本恢复正常。如电池已受破坏，则电压无法恢复；如电池未使用便出现此现象后，用1C充电电压无法恢复，则需专业技术人员进一步分析。

4）可建议客户选用带保险管、温度开关等保护类电子元件或集成电路的电池（在过电流充放及短路、过充、过放、反充情况下断开电路，从而保护电池不受破坏）。

5）建议客户注意点焊电流和焊针间的距离。

2、电池/电池组充不进电有什么情况？

1）检查电池或电池组是否是零电压、高内阻电池；

2）检查电池组的连接及电子元件、保护电路有无异常；

3）检查充电设备或充电电路在充电状态下有无充电电压/电流输出；

4）环境温度是否过高导致充电效率低（最佳温度应不超过40℃）；

处理方法：

1）了解客户对电池的具体使用情况及使用条件；

2）取同型号电池与万用表（电流档）串入电路充电，根据充电电流数值判断充电设备是否正常。

3）重复单体电池零电压步骤分析、处理；

4）建议客户选用稳定性能较好的充电设备或充电电路；

3、电池/电池组放不出电有什么情况？

现象：充电后,装入设备中,设备不能工作,电池组的开路电压不变化或变化不大

1）检查电池/电池组是否零电压，高内阻电池；

2）电池组内接电子元件、保护电路有无损坏；

3）检查设备放电电路是否正常。

处理方法：

1）用充满电的同型号电池/电池组接入设备，设备是否工作正常；

2）使用万用表检测电池内接电子元件、保护电路是否正常。

3）重复单体电池零电压步骤分析、处理；

4）如属用电器放电电路异常，建议客户及时修理、更换用电器；

5）如客户没有对电池组自行改装，则需专门的技术人员作进一步的分析。

4、有什么原因可能导致电池的使用寿命缩短？

1）客户的充电器或充电电路是否与电池匹配、输出电压/电流是否稳定；

2）是否按SPEC要求使用电池/电池组（如：电池的使用和储存的环境等）；

3）客户所用电池品种是否与客户设备要求相一致。

4）有无持续过充或过放电池/电池组；

处理方法：

1）了解电池具体使用情况；

2）查看充电器铬牌标称额定电流及电压；

3）用万用表与电池串入电路充电，检测充电电流是否过大。

4）建议使用与电池/电池组匹配及更稳定的充电器或充电电路已及与设备相匹配的电池；

5）建议客户按要求使用电池/电池组，尽量防止过充、反充或过放；

5、什么是过充？过充会带来什么不良后果？怎么样防止？

理论上，Li-ion电池在一定倍率的恒流恒压下充电，当充电转换为恒压4.2V充电后，充电电路中电流为0.01C时，恒压充电的状态仍在进行，即被视为过充。

过充可能导致漏液、变形、起火、在恒压失效后随着充电的加深电压达到一定程度(一般限值为6.0V)会引起爆炸，是损害电池性能的重要原因之一。

在电池外部加PCB板保护，或在充电器中设置保护线路和/或时限装置（即充电限2.5小时）来防止电池过充可以达到防止和保护的用途。

6、什么是过放？过放会带来什么不良后果？怎么样防止？

电池在一定倍率下恒流放电，当电池电压达到2.75V时，放电状态仍在继续，即为过放。

过放可能导致漏液、零电压以及负电压，是损害电池性能的重要原因之一。

在电池外部加PCB板或在充电器中设计保护线路和/或时限装置来防止过放。

7、电池在什么样的情况下会发生爆炸？如何预防？

电池爆炸有以下几种原因：

1）外部短路超过电池的承受限度；

2）过充电。充电电压超过限定值（一般不超过6V）；

3）线路板失效；

4）温度过高（超过150℃）；

8、造成电池短路有什么因素？会造成什么样的后果？

1）外部导体直接连接电池的正负极；

2）组装时电池外部冲击力导致内部（微）短路；

3）内部结构存在不良（如极粉刺刺破隔膜后正负极相接）

假如电池外部接触到任何金属导体都有可能导致外部短路。Li-ion电池外部短路时可能导致外壳变形、漏液、起火，甚至爆炸。因为内部电解液温度上升，从而引起内部气压上升，内压升高会冲破电池的安全阀，假如安全阀失效就会导致爆炸。

如何正确使用锂离子电池

1、如何为新电池充电,在使用锂离子电池中应注意的是，电池放置一段时间后则进入休眠状态，此时容量低于正常值，使用时间亦随之缩短。但锂离子电池很容易激活，只要经过３５次正常的充放电循环就可激活电池，恢复正常容量。由于锂离子电池本身的特性，决定了它几乎没有记忆效应。因此用户手机中的新锂离子电池在激活过程中，是不要特别的方法和设备的。不仅理论上是如此，从我自己的实践来看，从一开始就采用标准方法充电这种自然激活方式是最好的。关于锂离子电池的激活问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反复做三次，以便激活电池。这种前三次充电要充12小时以上的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。锂离子电池和镍电池的充放电特性有非常大的差别，而且可以非常明确的告诉大家，我所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂离子电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电。