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(guān)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(diǎn)[1-2]，得到了廣泛的應(yīng)用。在日常生活的使用中，超長時(shí)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(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，而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，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(jìn)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(rèn)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(shí)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(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池。
電池由正極鋰化合物、中間的電解質(zhì)膜及負(fù)極碳組成。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)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(fù)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(fù)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(fù)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(shí)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(biāo)隨時(shí)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(xué)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(yīng)不同。
鋰離子電池的充電過程分三個階段：預(yù)充電階段；恒流充電階段；恒壓充電階段。
預(yù)充電階段是在電池電壓低于3V時(shí)，電池不能承受大電流的充電。這時(shí)有必要以小電流對電池進(jìn)行浮充；當(dāng)電池電壓達(dá)到3V時(shí)，電池可以承受大電流的充電了。這時(shí)應(yīng)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(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，達(dá)到了電池承受電壓的極限。這時(shí)應(yīng)以4.2V的電壓恒壓充電。這時(shí)充電電流逐漸降低。當(dāng)充電電流小于30mA時(shí)，電池即充滿了。這時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)容量下降到額定容量的60%時(shí)，即認(rèn)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(yīng)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(jī)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(jī)電池發(fā)揮出最大效能，不會達(dá)到最長的通話或待機(jī)時(shí)間。 盡量避免手機(jī)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(jī)待機(jī)時(shí)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(shí)，環(huán)境溫度也不宜過高或過低。溫度過低會導(dǎo)致充電時(shí)間延長；溫度過高影響電池的使用壽命。
超常時(shí)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(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。
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(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?，使得電池的充電控制和?biāo)稱容量吻合電池的實(shí)際情況。
3.小結(jié)
鋰離子電池作為新型化學(xué)電源的一種，比傳統(tǒng)電源更多的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛研究用于大型電動設(shè)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(xué)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(xiàn)】
[1]郭炳焜，李新海，楊松青.化學(xué)電源-電池原理及制造技術(shù)[M].長沙：中南大學(xué)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(xué)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.
