手機鋰電池充放電過程的優(yōu)化研究

王林榕，李永強，熊正燁，盧嘉玲

(廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東湛江，524088)

0 引言

本文在針對使用充電器對手機鋰離子電池充電時，驗證鋰離子電池在什么情況下可以最大限度的發(fā)揮電池的儲能作用，盡可能的延長鋰離子電池的使用壽命。在通過研究不同電壓的充放電區(qū)別和適宜的充電電壓大小，確定其最優(yōu)化的充放電過程。

1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池充放電的過程與一般的電池有所不同，鋰離子電池的充放電是通過鋰離子在層狀物質(zhì)的晶體中的出入從而達到能量的變化，而不是像傳統(tǒng)的方式那樣實現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移。在正常充放電情況下,鋰離子的轉(zhuǎn)移一般只能引起層間距的變化,而不會使晶體結(jié)構(gòu)遭受破壞,因此從充放電的情況與變化來講,鋰離子電池是現(xiàn)有電池中最好的可逆充電電池。

鋰離子電池正極材料為鋰化合物，負極由碳組成，中間的電解質(zhì)膜是聚合物電解質(zhì)。當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，負極則吸收正極所釋放的鋰離子，放電時則反之。其反應(yīng)方程式如下所示：

鋰離子電池正常工作的時候，電池內(nèi)部進行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)正反應(yīng)向外輸出功率，但是，如果電池過度充電、過度放電或者電流過大的情況都可能導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)副反應(yīng)的產(chǎn)生，隨著時間的變化，其副反應(yīng)便逐漸加劇，輕則極大地影響電池的性能和壽命，產(chǎn)生大量氣體在內(nèi)部，使電池結(jié)構(gòu)遭受損壞；重則可能因為電池內(nèi)部的壓力急速增加而引發(fā)爆炸。

在實驗中，以控制變量法的思想對鋰離子電池進行在不同電壓下的充放電。首先將電源電壓分別調(diào)至3.9V、4.1V、4.3V給手機鋰電池進行充電，待到電流大小變?yōu)?.1A時電池表示充電完全，記錄每一組電池端口電流隨充電時間的變化；然后每一組都以相同的條件對模擬手機打電話時的工作狀態(tài)進行放電。由于實驗用手機打電話可以使用接近2個小時，故經(jīng)過計算，可得出手機電阻約為10Ω，即采用電阻箱10Ω電阻放電，萬用表調(diào)節(jié)至電壓檔，當電池電壓下降至3.3V時停止放電，記錄各組電池隨放電時間的電壓的變化，即電池充電過程和電池放電過程。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 3.9V的充放電

3.9V恒壓充電的結(jié)果如圖1所示。由圖可以看出，鋰離子電池的充電斜率隨著時間變化逐漸趨向平行于X軸，即曲線隨著時間逐漸平緩，并且可以明顯看出有三個階段的分界，在0-5 min內(nèi)電流急劇下降，表示充電速率很快，電子快速均勻轉(zhuǎn)移，這是電池充電速率最快的一個階段；在充電進行到5-34 min的時候，電流下降幅度相對于14 min之前有了明顯的減緩，并且以恒定的速率進行充電，而在之后的34 min至充電結(jié)束電流下降曲線的斜率更加小，曲線也更加平緩。

圖1 3.9V時鋰電池的充電過程

3.9V恒壓充電狀態(tài)下，電池放電過程如圖2所示。由圖7觀察可得知放電曲線大概可以分為三個階段，在放電0-3 min內(nèi)，鋰離子電池的電壓下降快，電壓曲線的斜率大；在3-32 min的放電時間內(nèi)，電壓曲線表現(xiàn)出隨時間而斜率變得越來越慢，幾近平行于X軸，放電很緩慢，電壓一直穩(wěn)定在3.6 V左右，程一個平臺狀。直至放電至32 min的時候曲線斜率一直在增加，因為擔心電池會因為過放而損壞，所以放電至3.3V的時候終止了放電。

圖2 3.9V時鋰電池的放電過程

2.2 4.1V的充放電

4.1V時的充電過程如圖3所示。從圖中可以直觀看出于4.1V充電的電流圖有點不一樣，4.1V充電在開始的時候也有一個電流急劇下降的階段，從0-19 min這段時間，曲線的斜率最大，然后隨著時間曲線的斜率逐漸減少，與3.9V充電不一樣的是該電壓充電的曲線是從14 min后保持比較穩(wěn)定的趨勢進行充電，直至充電完全。

圖3 4.1V時鋰電池的充電過程

4.1V狀態(tài)下鋰電池的放電過程如圖4所示。從圖中可以看出，放電曲線也是呈現(xiàn)了三個階段，放電剛開始的8 min內(nèi)，電池的電壓下降速率得快，放電速度快；而在8-130 min這段時間曲線一直保持比較穩(wěn)定的斜率，沒有過大的波動，保持的比較穩(wěn)定的放電，放電曲線類似呈現(xiàn)一個平臺狀，曲線的變化明顯變得平緩了，斜率變化緩慢；時間到達130 min的時候曲線的斜率突然增大，開始加快了放電速度，而且電壓變化曲線越來越陡，直至達到3.3V。

圖4 4.1V時鋰電池的放電過程

2.3 4.3V的充放電

4.3V時的充電過程如圖5所示，其充電時間比較短，與3.9V和4.1V充電的曲線走勢不一樣的是4.3V充電的曲線很陡，電流一直保持大幅度的下降，而且總體的斜率也是最大的，充電速率最快，與4.1V充電一樣的是該電壓充電的曲線是從70 min后保持比較穩(wěn)定的趨勢進行充電，直至充電完全。

圖5 4.3V時鋰電池的充電過程

4.1V時的放電過程如圖6所示。與之前兩個電壓下的放電曲線一致，分為三個階段放電，在0-8 min這個時間段內(nèi)電壓的變化大，斜率大，下降幅度明顯；到達8 min后，電池開始穩(wěn)定放電，曲線保持穩(wěn)定的斜率,電壓也像3.9V和4.1V一樣，保持穩(wěn)定的下降趨勢，放電電壓曲線變得緩慢，呈現(xiàn)一個平臺狀，維持到距離放電160 min的時候，突然曲線開始變陡，一直增大，直至放電到3.3V。

圖6 4.3V時鋰電池的放電過程

2.4 結(jié)果分析

三種恒壓下鋰電池的充電過程如圖7所示。通過不同電壓充電過程比較可知，鋰離子電池充電的電流隨充電的時間增大而呈現(xiàn)一定規(guī)律減少，其充電電壓越大，曲線顯示越陡，充電更迅速，而且充電的時間會明顯縮短。由圖看出，充電電壓最大的，其充電時電流越大，充電時間居3.9V和4.1V充電電壓之間，且斜率在前期比較大，之后便平緩。用4.1V充電的時候時間遠遠長于3.9V和4.3V充電，而且明顯斜率平緩很多。3.9V充電電壓時，電壓小，時間短，其容量也很小。

圖7 三種恒壓下鋰電池的充電過程

圖8 三種恒壓下鋰電池的放電過程

三種電壓下放電過程如圖8所示。可以看出三種恒壓充電下的電壓變化曲線走勢基本一致，在放電到一定時間后電壓曲線都會變得緩慢，在一定的時間內(nèi)會呈現(xiàn)一個平臺狀，而在這段時間過后之后曲線曲率都會突然增大，直至放電完成；4.3V充電狀態(tài)的處于最上層，其次是4.1V,最后是3.9V,由圖可以得出4.3V下電池放電時間最長，也就是電池的導(dǎo)航時間最大，其次是4.1V下充電的鋰離子電池導(dǎo)航時間，最低是3.9V充電的導(dǎo)航時間。

3 結(jié)論

（1）在4.1-5V這個一般充電范圍內(nèi)，充電電壓最大的，其充電時電流越大。充電時間居3.9V和4.1V充電電壓之間，用4.1V充電時，明顯斜率平緩很多，但充電時間較長。3.9V充電電壓時，電壓小，時間短，其容量也很小。在用接近電池充電限制電壓的4.3V充電的情況下，雖然充電看起來更完全，但是其用時是最長的。（2）在放電情況下，4.3V充電狀態(tài)的處于最上層，其次是4.1V,最后是3.9V，可以得出4.3V下電池放電時間最長，也就是電池的導(dǎo)航時間最大，其次是4.1V下充電的鋰離子電池導(dǎo)航時間，最低是3.9V充電的導(dǎo)航時間。（3）綜合以上的分析4.3V下充電效果是最好的，雖然充電時間隨著充電電壓越大而越短，但是并不是一味地遵循大電壓充電效果就越好。