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浅谈锂离子电池充放电

钜大LARGE  |  点击量:209次  |  2019年08月07日  

摘要
【摘要】本文浅析了锂离子电池充放电的原理,及其对电池寿命的影响。0引言锂离子电池因其端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低和无污染等优点,得... 关键字:锂离子电池 负极碳 锂电池 正极锂化合物。

【摘要】本文浅析了锂离子电池充放电的原理,及其对电池寿命的影响。


0 引言


锂离子电池因其端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低和无污染等优点,得到了广泛的应用。在日常生活的使用中,超长时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电,将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏。从分子层面看,过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,而过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,使得其中一些锂离子再也无法释放出来。因此对锂离子电池充放电过程的研究,有助于对锂电池进行合理的充电控制、对锂电池质量检测及延长锂电池的使用寿命等。


1 锂离子电池的充放电原理


目前锂电池公认的基本原理是所谓的"摇椅理论"。锂电池的充放电不是通过传统的方式实现电子的转移,而是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入,发生能量变化。在正常充放电情况下,锂离子的出入一般只引起层间距的变化,而不会引起晶体结构的破坏,因此从充放电反映来讲,锂离子电池是一种理想的可逆电池。在充放电时锂离子在电池正负极往返出入,正像摇椅一样在正负极间摇来摇去,故有人将锂离子电池形象称为摇椅池。


电池由正极锂化合物、中间的电解质膜及负极碳组成。当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。一般采用嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz等。


电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)丙烯碳酸脂、(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的高分子材料。隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜。外壳采用钢或铝材料,具有防爆的功能。锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满时的电压(称为终止充电电压)一般为4.2V;锂离子电池终止放电电压为2.5V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继续使用,则称为过放电,对电池有损害。


锂离子电池的特性是通过其充放电过程中端电压的变化反映出来的。电池端电压的变化间接体现了电池的充放电容量、内阻、表面升温、充放电平台、电极极化程度、寿命等指标随时间变化的规律。因此,充放电电压特性一致的电池在电化学特性上具有很好的一致性。利用电池的动态特性配组的结果也会相应不同。


锂离子电池的充电过程分三个阶段:预充电阶段;恒流充电阶段;恒压充电阶段。


预充电阶段是在电池电压低于3V时,电池不能承受大电流的充电。这时有必要以小电流对电池进行浮充;当电池电压达到3V时,电池可以承受大电流的充电了。这时应以恒定的大电流充电。以使锂离子快速均匀转移,这个电流值越大,对电池的充满及寿命越有利;当电池电压达到4.2V时,达到了电池承受电压的极限。这时应以4.2V的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于30mA时,电池即充满了。这时要停止充电。否则,电池因过充而降低寿命。这种先恒流后恒压的方法,是目前锂电池最常用的充电方法。


2 锂离子电池充放电对寿命的影响


锂电池每一个充电—放电过程,称为一个充电循环。锂电池从工作开始,每个循环后的容量都会出现轻微下降,这是由电池的电极材料的性质决定的。


按照国家标准,当容量下降到额定容量的60%时,即认为电池寿命结束。通常锂电池寿命不小于500次循环,就是指500次充电循环后,容量不小于额定容量的60%。依一般的电池使用三天一充。这样电池的寿命应在4年。锂离子电池的最佳使用环境温度在10℃—30℃之间,在这个范围内使用,对手机电池的工作性能和使用寿命都比较好,在过冷或过热的环境中使用,都不利于手机电池发挥出最大效能,不会达到最长的通话或待机时间。尽量避免手机在0℃以下和40℃以上使用,在这个环境温度下,你会发现手机待机时间明显缩短,电池电量下降很快,长期这样使用,电池的寿命也会大大缩短。同理,在给锂离子电池充电时,环境温度也不宜过高或过低。温度过低会导致充电时间延长;温度过高影响电池的使用寿命。


超常时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电,将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏,从分子层面看,过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。


这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器,存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化。使用说明中的"使用一个月左右应该全充放一次"的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当的值,使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况。


3 小结


锂离子电池作为新型化学电源的一种,比传统电源更多的优点,被广泛研究用于大型电动设备。决定锂离子电池的寿命的因素很多,其中最重要的是电池化学材料、充放电深度、电池温度。通过改善这些条件,可以有效的延长电池寿命,使之有更长的使用期限。(闫秋丽 天津力神电池股份有限公司中国天津300384)


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