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        淺談鋰離子電池充放電

        2013-06-04 07:09:12閆秋麗

        閆秋麗

        【摘 要】本文淺析了鋰離子電池充放電的原理,及其對電池壽命的影響。

        【關鍵詞】鋰離子電池;充放電深度

        0.引言

        鋰離子電池因其端電壓高、比能量大、充放電壽命長、放電性能穩(wěn)定、自放電率低和無污染等優(yōu)點[1-2],得到了廣泛的應用。在日常生活的使用中,超長時間充電和完全用空電量會造成過度充電和過度放電,將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞。從分子層面看,過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷,而過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結(jié)構(gòu)里去,使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。因此對鋰離子電池充放電過程的研究,有助于對鋰電池進行合理的充電控制、對鋰電池質(zhì)量檢測及延長鋰電池的使用壽命等。

        1.鋰離子電池的充放電原理

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

        電池由正極鋰化合物、中間的電解質(zhì)膜及負極碳組成。當電池充電時,鋰離子從正極中脫嵌,在負極中嵌入,放電時反之。一般采用嵌鋰過渡金屬氧化物做正極,如 LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。做為負極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物,如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物,包括SnO、SnO2、錫復合氧 化物SnBxPyOz等。電解質(zhì)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或它們復合膜。外殼采用鋼或鋁材料,具有防爆的功能。鋰離子電池的額定電壓為3.6V。電池充滿時的電壓(稱為終止充電電壓)一般為 4.2V;鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。如果鋰離子電池在使用過程中電壓已降到2.5V后還繼續(xù)使用,則稱為過放電,對電池有損害。

        鋰離子電池的特性是通過其充放電過程中端電壓的變化反映出來的。電池端電壓的變化間接體現(xiàn)了電池的充放電容量、內(nèi)阻、表面升溫、充放電平臺、電極極化程度、壽命等指標隨時間變化的規(guī)律。因此,充放電電壓特性一致的電池在電化學特性上具有很好的一致性[3]。利用電池的動態(tài)特性配組的結(jié)果也會相應不同。

        鋰離子電池的充電過程分三個階段:預充電階段;恒流充電階段;恒壓充電階段。

        預充電階段是在電池電壓低于3V時,電池不能承受大電流的充電。這時有必要以小電流對電池進行浮充;當電池電壓達到3V時,電池可以承受大電流的充電了。這時應以恒定的大電流充電。以使鋰離子快速均勻轉(zhuǎn)移,這個電流值越大,對電池的充滿及壽命越有利;當電池電壓達到4.2V時,達到了電池承受電壓的極限。這時應以4.2V的電壓恒壓充電。這時充電電流逐漸降低。當充電電流小于30mA時,電池即充滿了。這時要停止充電。否則,電池因過充而降低壽命。這種先恒流后恒壓的方法,是目前鋰電池最常用的充電方法[4]。

        2.鋰離子電池充放電對壽命的影響

        鋰電池每一個“充電—放電”過程,稱為一個充電循環(huán)。鋰電池從工作開始,每個循環(huán)后的容量都會出現(xiàn)輕微下降,這是由電池的電極材料的性質(zhì)決定的。

        按照國家標準,當容量下降到額定容量的60%時,即認為電池壽命結(jié)束。通常鋰電池壽命不小于500次循環(huán),就是指500次充電循環(huán)后,容量不小于額定容量的60%。依一般的電池使用三天一充。這樣電池的壽命應在 4 年。鋰離子電池的最佳使用環(huán)境溫度在10℃—30℃之間,在這個范圍內(nèi)使用,對手機電池的工作性能和使用壽命都比較好,在過冷或過熱的環(huán)境中使用,都不利于手機電池發(fā)揮出最大效能,不會達到最長的通話或待機時間。 盡量避免手機在0℃以下和40℃以上使用,在這個環(huán)境溫度下,你會發(fā)現(xiàn)手機待機時間明顯縮短,電池電量下降很快,長期這樣使用,電池的壽命也會大大縮短。同理,在給鋰離子電池充電時,環(huán)境溫度也不宜過高或過低。溫度過低會導致充電時間延長;溫度過高影響電池的使用壽命。

        超常時間充電和完全用空電量會造成過度充電和過度放電,將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞,從分子層面看,過度放電將導致負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負極碳結(jié)構(gòu)里去,而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。

        這也是鋰離子電池為什么通常配有充放電的控制電路的原因。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)值在使用中會逐漸變化。使用說明中的"使用一個月左右應該全充放一次"的做法主要的作用應該就是修正這些寄存器里不當?shù)闹?,使得電池的充電控制和標稱容量吻合電池的實際情況。

        3.小結(jié)

        鋰離子電池作為新型化學電源的一種,比傳統(tǒng)電源更多的優(yōu)點,被廣泛研究用于大型電動設備。決定鋰離子電池的壽命的因素很多,其中最重要的是電池化學材料、充放電深度、電池溫度。通過改善這些條件,可以有效的延長電池壽命,使之有更長的使用期限。

        【參考文獻】

        [1]郭炳焜,李新海,楊松青.化學電源-電池原理及制造技術[M].長沙:中南大學出版社,2000.

        [2]郭炳焜,徐徽,王先友,et al.鋰離子電池[M].長沙:中南大學出版社,2002.

        [3]趙亞鋒,馮廣斌,張連武.蓄電池一致性配組研究[J].兵工自動化,2006,25(10):71-72.

        [4]Cope R C and Podrazhansky Y.The Art of Battery Charging.In:14th Annu. Battery Conf.Application and Advances,1999:233-235.

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