鋰電池基本原理解析：充電及放電機(jī)制

發(fā)布時(shí)間： 2015-12-21 09:10:47 來源： CSDN

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[摘要]目前鋰電池公認(rèn)的基本原理是所謂的“搖椅理論”。鋰電池的沖放電不是通過傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過鋰離子在層壯物質(zhì)的晶體中的出入，發(fā)生能量變化。在正常沖放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞。

　　目前鋰電池公認(rèn)的基本原理是所謂的“搖椅理論”。鋰電池的沖放電不是通過傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過鋰離子在層壯物質(zhì)的晶體中的出入，發(fā)生能量變化。在正常沖放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞。

　　電池充電最重要的就是這三步：

　　第一步：判斷電壓<3V，要先進(jìn)行預(yù)充電，0.05C電流;

　　第二步：判斷 3V<電壓<4.2V，恒流充電0.2C~1C電流;

　　第三步：判斷電壓>4.2V，恒壓充電，電壓為4.20V，電流隨電壓的增加而減少，直到充滿。

　　一、鋰電池

　　1、簡(jiǎn)述鋰電池以及工作原理

　　鋰離子電池自1990年問世以來，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于社會(huì)。鋰離子電池以其它電池所不可比擬的優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了許多領(lǐng)域，象大家熟知的移動(dòng)電話、筆記本電腦、小型攝像機(jī)等等。

　　目前鋰電池公認(rèn)的基本原理是所謂的“搖椅理論”。鋰電池的沖放電不是通過傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過鋰離子在層壯物質(zhì)的晶體中的出入，發(fā)生能量變化。在正常沖放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此從沖放電反映來講，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。在沖放電時(shí)鋰離子在電池正負(fù)極往返出入，正像搖椅一樣在正負(fù)極間搖來搖去，故有人將鋰離子電池形象稱為搖椅電池。

　　我們經(jīng)常說的鋰離子電池的優(yōu)越性是針對(duì)于傳統(tǒng)的鎳鎘電池(Ni/Cd)和鎳氫電池(Ni/MH)來講的。具有工作電壓高比能量大循環(huán)壽命長(zhǎng)自放電率低無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　2、鋰電池日常使用過程中的常識(shí)

　　(1)誤區(qū)：“電池激活，前三次充電12小時(shí)以上”

　　對(duì)于鋰電池的“激活”問題，眾多的說法是：充電時(shí)間一定要超過12小時(shí)，反復(fù)做三次，以便激活電池。這種“前三次充電要充 12小時(shí)以上”的說法，明顯是從鎳電池(如鎳鎘和鎳氫)延續(xù)下來的說法。所以這種說法，可以說一開始就是誤傳。經(jīng)過抽樣調(diào)查，可以看出有相當(dāng)一部分人混淆了兩種電池的充電方法。

　　鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區(qū)別，所查閱過的所有嚴(yán)肅的正式技術(shù)資料都強(qiáng)調(diào)過充和過放電會(huì)對(duì)鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)方法充電，特別是不要進(jìn)行超過12個(gè)小時(shí)的超長(zhǎng)充電。通常，手機(jī)說明書上介紹的充電方法，就是適合該手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)充電方法。

　　(2)不益長(zhǎng)時(shí)間充電、電池完全用完再充電

　　鋰電池的手機(jī)或充電器在電池充滿后都會(huì)自動(dòng)停充，并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)10幾小時(shí)的“涓流”充電。如果鋰電池在充滿后，放在充電器上也是也不再充電。

　　超常時(shí)間充電和完全用空電量會(huì)造成過度充電和過度放電，將對(duì)鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞，從分子層面看，過度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。

　　(3)電池壽命

　　關(guān)于鋰離子電池充放電循環(huán)的實(shí)驗(yàn)表，關(guān)于循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)列出如下(DOD是放電深度的英文縮寫)：

　　循環(huán)壽命 (10%DOD)：> 1000次

　　循環(huán)壽命 (100%DOD)：> 200次

　　從上面數(shù)據(jù)可見，可充電次數(shù)和放電深度有關(guān)，10%DOD時(shí)的循環(huán)壽命要比100%DOD的要長(zhǎng)很多。當(dāng)然如果折合到實(shí)際充電的相對(duì)總?cè)萘?0%*1000=100，100%*200=200，后者的完全充放電還是要比較好一些。但是鋰電池的壽命主要體現(xiàn)在充放電周期上，這個(gè)周期是一個(gè)絕對(duì)概念，上次使用了30%電力，充滿電，下次又使用了70%的電力，又充滿電，這個(gè)剛好是一個(gè)充電周期。所以還是遵循鋰電池發(fā)明者的口號(hào)“即用即充，即充即用”的方法使用鋰電池。

　　(4)定期深度充放電進(jìn)行電池校準(zhǔn)

　　鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、溫度、ID 、充電狀態(tài)、放電次數(shù)等數(shù)值。這些數(shù)值在使用中會(huì)逐漸變化。使用說明中的“使用一個(gè)月左右應(yīng)該全充放一次”的做法主要的作用應(yīng)該就是修正這些寄存器里不當(dāng)?shù)闹怠?/p>

　　二、鋰電池的充電方式是限壓橫流方式

　　主要分三步完成：

　　第一步：判斷電壓<3V，要先進(jìn)行預(yù)充電，0.05C電流;

　　第二步：判斷 3V<電壓<4.2V，恒流充電0.2C~1C電流;

　　第三步：判斷電壓>4.2V，恒壓充電，電壓為4.20V，電流隨電壓的增加而減少，直到充滿。

　　其實(shí)今天我就是這一點(diǎn)有些不懂，在網(wǎng)上查了一下，然后上面那些做為常識(shí)了解。

　　充電開始時(shí)，應(yīng)先檢測(cè)待充電電池的電壓，如果電壓低于3V，要先進(jìn)行預(yù)充電，充電電流為設(shè)定電流的1/10，一般選0.05C左右。電壓升到3V后，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)充電過程。標(biāo)準(zhǔn)充電過程為：以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，電池電壓升到4.20V時(shí)，改為恒壓充電，保持充電電壓為4.20V。此時(shí)，充電電流逐漸下降，當(dāng)電流下降至設(shè)定充電電流的1/10時(shí)，充電結(jié)束。

　　一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過大的電流充電，容量不夠滿，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會(huì)產(chǎn)生泡沫，反而不滿。

　　術(shù)語解釋：充放電電流一般用C作參照，C是對(duì)應(yīng)電池容量的數(shù)值。電池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的電池容量1200mAh，對(duì)應(yīng)的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。

　　下面是鋰電池典型充電曲線圖：