鋰離子電池充放電性能的檢測與分析

高曉清，汶曉勇，伍 璇

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

鋰離子電池充放電性能的檢測與分析

高曉清，汶曉勇，伍 璇

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

充放電性能的檢測是鋰離子電池檢測的一項重要考核指標(biāo)。主要介紹了鋰離子電池充放電性能檢測的原理、內(nèi)容、步驟和要求。通過對鋰離子電池充放電性能的嚴格檢測，有助于掌握并有效利用鋰離子電池的工作機理。

鋰離子電池；充放電性能；額定容量

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，手機作為一種通信工具越來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、無記憶效應(yīng)、無污染、電池循環(huán)充放電次數(shù)多(壽命長)等優(yōu)點[1]，已普遍在手機上使用。與此同時，手機電池的安全問題也日益引起人們的關(guān)注。過充、過放是電池爆炸的兩個主要原因，必須對電池的充放電按標(biāo)準規(guī)定的要求進行。

1 鋰離子電池的工作原理和工作機理

1.1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子二次電池的反應(yīng)實質(zhì)上為一個Li+濃差電池，充電時，Li+從負極脫出并插入正極，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+一起在正負極間遷移，使正負極發(fā)生氧化還原反應(yīng)，保持一定的點位[2]。

以石墨/鋰鈷氧電池為例，充電時正極LiCoO2中的鋰離子遷出，經(jīng)過電解液，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，過程正好相反，即鋰離子從石墨負極的層間遷出，經(jīng)過電解液，進入正極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，正負極反應(yīng)即電池的充放電過程。

1.2 鋰離子電池的充放電工作機理

電池充電時，正極材料中的鋰形成離子溶出，嵌入到負極石墨層中；電池放電時，鋰離子從石墨層中脫嵌，穿過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程中，電池的電壓和電流都隨充電時間而發(fā)生變化，是一個先恒流后恒壓的過程，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)達到限制電壓4.2 V時，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所提供的電量]時，充電結(jié)束。

圖1 鋰離子充電原理

電池的放電過程基本是一個恒流放電過程，在該過程中，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，可能由于過熱導(dǎo)致安全問題。

2 鋰離子電池的充放電性能檢測

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

2.1 檢測標(biāo)準

YD/T 998-2001《移動通信手持機用鋰離子電源及充電器》中充放電性能檢測包括3項指標(biāo)：充電性能、放電性能與額定容量。充電性能測試分標(biāo)準充電與快速充電，放電性能檢測也分標(biāo)準放電與快速放電，額定容量測試是按照標(biāo)準充放電進行。

2.2 檢測設(shè)備

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

2.3 充電性能技術(shù)要求

標(biāo)準充電：以0.2C5A恒流充電，當(dāng)電源端電壓達到限制電壓(4.2 V×n)時，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)電源端電壓達到限制電壓(4.2 V×n)時，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)準放電：以0.2C5A恒流放電，當(dāng)電源端電壓達到限制電壓(2.5 V×n)時，最少放電時間為5 h。

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

2.5 額定容量實驗

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

2.6 實例分析

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)準充放電如圖2所示；快速充放電如圖3所示。

圖2 標(biāo)準充放電工步設(shè)置

圖3 快速充放電工步設(shè)置

測試結(jié)果：額定容量測試通過，放電到終止電壓時的容量為590 mAh。標(biāo)準放電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

一般電池出廠時已充電至約50%的電容量，新購的電池可直接使用。新電池第一次用完后首次充電時，可用手觸摸電池外殼溫度是否過高，一般電池充電初期(1 h內(nèi))會發(fā)熱，但溫度不會太高，過后溫度會接近環(huán)境溫度。若充電1 h后電池外殼溫度很高，則有可能電池過充電保護電路存在問題，為安全起見，應(yīng)停止使用該電池。謹慎選擇充電器，最好選擇與電池同廠家的產(chǎn)品。建議不要頻繁充電，避免長時間充電，充滿即可。有些人習(xí)慣在入睡前將手機電池進行充電，第二天早上才停止充電，但這種習(xí)慣對鋰離子電池的保養(yǎng)是不適宜的，甚至存在著安全隱患。電池如果不慎摔過或被重物撞擊過后，請勿急于充電，一定要檢查電池的外殼是否有裂紋，充電時注意電池外殼溫度是否異常，以免內(nèi)部保護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，主要研究方向為手機的國外認證相關(guān)測試和相關(guān)標(biāo)準、手機及其部件的安規(guī)測試。