高曉清，汶曉勇，伍 璇

(廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東河源517000)

鋰離子電池充放電性能的檢測(cè)與分析

高曉清，汶曉勇，伍 璇

(廣東省通訊終端產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東河源517000)

充放電性能的檢測(cè)是鋰離子電池檢測(cè)的一項(xiàng)重要考核指標(biāo)。主要介紹了鋰離子電池充放電性能檢測(cè)的原理、內(nèi)容、步驟和要求。通過(guò)對(duì)鋰離子電池充放電性能的嚴(yán)格檢測(cè)，有助于掌握并有效利用鋰離子電池的工作機(jī)理。

鋰離子電池；充放電性能；額定容量

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)作為一種通信工具越來(lái)越成為人們生活中不可或缺的必需品。鋰離子電池憑借體積小、容量大、質(zhì)量輕、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染、電池循環(huán)充放電次數(shù)多(壽命長(zhǎng))等優(yōu)點(diǎn)[1]，已普遍在手機(jī)上使用。與此同時(shí)，手機(jī)電池的安全問(wèn)題也日益引起人們的關(guān)注。過(guò)充、過(guò)放是電池爆炸的兩個(gè)主要原因，必須對(duì)電池的充放電按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行。

1 鋰離子電池的工作原理和工作機(jī)理

1.1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子二次電池的反應(yīng)實(shí)質(zhì)上為一個(gè)Li+濃差電池，充電時(shí)，Li+從負(fù)極脫出并插入正極，正極為富鋰態(tài)。為保持電荷的平衡，充放電過(guò)程中應(yīng)有相同數(shù)量的電子經(jīng)外電路傳遞，與Li+一起在正負(fù)極間遷移，使正負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，保持一定的點(diǎn)位[2]。

以石墨/鋰鈷氧電池為例，充電時(shí)正極LiCoO2中的鋰離子遷出，經(jīng)過(guò)電解液，嵌入石墨的碳層間，在電池內(nèi)形成鋰碳層間化合物；放電時(shí)，過(guò)程正好相反，即鋰離子從石墨負(fù)極的層間遷出，經(jīng)過(guò)電解液，進(jìn)入正極LiCoO2中，電池的各電極反應(yīng)和電池的反應(yīng)分別為：

從上述鋰離子電池的工作原理可以看出，正負(fù)極反應(yīng)即電池的充放電過(guò)程。

1.2 鋰離子電池的充放電工作機(jī)理

電池充電時(shí)，正極材料中的鋰形成離子溶出，嵌入到負(fù)極石墨層中；電池放電時(shí)，鋰離子從石墨層中脫嵌，穿過(guò)隔離膜回填到正極鈷氧化鋰的層狀結(jié)構(gòu)中。鋰離子的移動(dòng)產(chǎn)生了電流。

1.3 鋰離子電池的充放電性能

鋰離子電池在充電過(guò)程中，電池的電壓和電流都隨充電時(shí)間而發(fā)生變化，是一個(gè)先恒流后恒壓的過(guò)程，其變化規(guī)律如圖1所示。在恒流充電階段，電壓持續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到限制電壓4.2 V時(shí)，電池改為恒壓充電，電流逐漸減小到0.01C5A[C5是指在環(huán)境溫度為(20±5)℃條件下，以5 h率放電至終止電壓時(shí)所提供的電量]時(shí)，充電結(jié)束。

圖1 鋰離子充電原理

電池的放電過(guò)程基本是一個(gè)恒流放電過(guò)程，在該過(guò)程中，電壓持續(xù)降低，電量也隨之減小。通常在環(huán)境溫度15～45℃下電池可以正常工作，完全放電；在低溫情況下，放電不完全；在高溫情況下，可能由于過(guò)熱導(dǎo)致安全問(wèn)題。

2 鋰離子電池的充放電性能檢測(cè)

鋰離子電池的充放電性能是鋰離子電池檢測(cè)項(xiàng)目中的一項(xiàng)主要性能指標(biāo)，它能直接反映電池的性能與容量大小，是考核電池的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

2.1 檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

YD/T 998-2001《移動(dòng)通信手持機(jī)用鋰離子電源及充電器》中充放電性能檢測(cè)包括3項(xiàng)指標(biāo)：充電性能、放電性能與額定容量。充電性能測(cè)試分標(biāo)準(zhǔn)充電與快速充電，放電性能檢測(cè)也分標(biāo)準(zhǔn)放電與快速放電，額定容量測(cè)試是按照標(biāo)準(zhǔn)充放電進(jìn)行。

2.2 檢測(cè)設(shè)備

采用“BTS-10V3A新威爾高精度電池檢測(cè)系統(tǒng)”。該設(shè)備系統(tǒng)硬件穩(wěn)定可靠，每個(gè)通道有獨(dú)立的恒流及硬件恒壓源，采用模塊化設(shè)計(jì)，獨(dú)立性強(qiáng)，易于維護(hù)；每個(gè)通道可獨(dú)立設(shè)定工部運(yùn)行，上位機(jī)兼容性強(qiáng)，可適應(yīng)不同版本的下位機(jī)，同時(shí)具有友好人機(jī)交互界面，數(shù)據(jù)采集速度快，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便。

2.3 充電性能技術(shù)要求

標(biāo)準(zhǔn)充電：以0.2C5A恒流充電，當(dāng)電源端電壓達(dá)到限制電壓(4.2 V×n)時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流＜0.01C5A。

快速充電：以1C5A恒流充電，當(dāng)電源端電壓達(dá)到限制電壓(4.2 V×n)時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流＜0.01C5A。

2.4 放電性能技術(shù)要求

標(biāo)準(zhǔn)放電：以0.2C5A恒流放電，當(dāng)電源端電壓達(dá)到限制電壓(2.5 V×n)時(shí)，最少放電時(shí)間為5 h。

快速放電：以1C5A恒流充電，當(dāng)電源端電壓達(dá)到限制電壓(2.5 V×n)時(shí)，最少放電時(shí)間為51 min。

2.5 額定容量實(shí)驗(yàn)

在平均環(huán)境溫度為(20±5)℃條件下，按標(biāo)準(zhǔn)充電的要求進(jìn)行充電，完全充電后放置1～12 h，再按標(biāo)準(zhǔn)放電的要求放電到終止電壓。

2.6 實(shí)例分析

樣品名稱：鋰離子電池；環(huán)境溫度：23.6℃。

樣品描述：充電限制電壓4.2 V，額定電壓3.7 V，額定容量500 mAh。

工步設(shè)置：標(biāo)準(zhǔn)充放電如圖2所示；快速充放電如圖3所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)充放電工步設(shè)置

圖3 快速充放電工步設(shè)置

測(cè)試結(jié)果：額定容量測(cè)試通過(guò)，放電到終止電壓時(shí)的容量為590 mAh。標(biāo)準(zhǔn)放電5.9 h，快速放電1.1 h，均符合要求。

3 正確使用和保養(yǎng)電池

一般電池出廠時(shí)已充電至約50%的電容量，新購(gòu)的電池可直接使用。新電池第一次用完后首次充電時(shí)，可用手觸摸電池外殼溫度是否過(guò)高，一般電池充電初期(1 h內(nèi))會(huì)發(fā)熱，但溫度不會(huì)太高，過(guò)后溫度會(huì)接近環(huán)境溫度。若充電1 h后電池外殼溫度很高，則有可能電池過(guò)充電保護(hù)電路存在問(wèn)題，為安全起見(jiàn)，應(yīng)停止使用該電池。謹(jǐn)慎選擇充電器，最好選擇與電池同廠家的產(chǎn)品。建議不要頻繁充電，避免長(zhǎng)時(shí)間充電，充滿即可。有些人習(xí)慣在入睡前將手機(jī)電池進(jìn)行充電，第二天早上才停止充電，但這種習(xí)慣對(duì)鋰離子電池的保養(yǎng)是不適宜的，甚至存在著安全隱患。電池如果不慎摔過(guò)或被重物撞擊過(guò)后，請(qǐng)勿急于充電，一定要檢查電池的外殼是否有裂紋，充電時(shí)注意電池外殼溫度是否異常，以免內(nèi)部保護(hù)電路損壞造成意外發(fā)生。

[1]馮祥明，鄭金云，李榮富，等.鋰離子電池過(guò)充短路添加劑研究[J].電源技術(shù)，2008(9)：603-605.

[2]郭炳焜，徐徽，王先友，等.鋰離子電池[M].2版.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2002.

Detection and analysis of charge and discharge properties of lithium ion battery

GAO Xiao-qing,WEN Xiao-yong,WU Xuan
(Guangdong Telecommunications Terminal Products Quality Supervision and Testing Center,Heyuan Guangdong 517000,China)

The Detection of charge and discharge performance is an important assessment indicator of lithium ion battery detection.The principle,content,procedure and requirements of charge and discharge performance detection of lithium ion battery were introduced.Through the strict examination to the charge and discharge performance of lithium ion battery,it’s helpful to understand and effectively use the working mechanism of the lithium ion battery.

lithium ion battery;charge and discharge performance;rated capacity

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1643-02

2015-01-12

高曉清(1982—)，女，山西省人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槭謾C(jī)的國(guó)外認(rèn)證相關(guān)測(cè)試和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、手機(jī)及其部件的安規(guī)測(cè)試。