锂电池知识

Posted 2020-08-14 天戈朱

目录：

• 锂电池与锂离子电池
• 电池组成部分
• 电池参数
• 工作原理
• 充电过程
• 安全标准
• 电池衰老

锂电池、锂离子电池、锂聚合物电池

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• 金属锂电池：跟普通干电池的原理一样，它是用金属锂作为负极，通过金属锂的腐蚀或叫氧化来产生电能的，这种电池循环性能不好，在充放电循环过程中容易形成锂结晶，造成内部短路，一般情况下这种电池是禁止充电的。锂是一种高度活跃的金属，它使用时不安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，后来就有了改进型的锂离子电池，加入了能抑制锂元素活跃的成份（比如钴、锰等等）从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电池也随之基本上淘汰了
• 锂离子电池：1992年日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。中间填充非水液态有机电解质以形成离子游离的通道，用隔膜来分离正负极防止短路
• 锂离子聚合物电池：用聚合物来凝胶化液态有机溶剂，或者直接用全固态电解质。锂离子电池一般以石墨类碳材料为负极

 钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列组成部分：

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• 正极：活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂（俗称三元）材料，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔
• 隔膜: 一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过
• 负极: 活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔
• 有机电解液: 溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液
• 电池外壳: 分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端

 锂离子电池参数

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• 额定电压:  因为材料的变化，一般为3.7V，磷酸铁锂（以下称磷铁）正极的则为3.2V
• 充电终止电压:  一般是4.2V，磷铁3.65V，终止充电电压精度允差为额定值的±1%（例如，充4.2V的锂离子电池，其允差为±0.042V），过压充电会造成锂离子电池永久性损坏
• 充电电流：电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流（过热）。一般常用的充电率为0.25～1C，推荐的充电电流为0.5C。在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止因过热而损坏电池或产生爆炸
• 充电温度：对电池充电时，其环境温度不能超过产品特性表中所列的温度范围。电池应在0～45℃温度范围内进行充电，远离高温（高于60℃）和低温（-20℃）环境
• 终止放电电压:  为2.75V～3.0V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同，一般为3.0V，磷铁为2.5V)，低于厂家标注的终止放电电压继续放电称为过放，过放对电池会有损害
• 放电电流：钴酸锂类型材料为正极的锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)，并可能发生危险；但磷酸铁锂正极材料锂电池，可以以20C甚至更大的大电流进行充放电(C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA）,一般常用的充放电倍率为0.25C～1C
• 放电温度：不同温度下的放电曲线是不同的。在不同温度下，锂离子电池的放电电压及放电时间也不同，电池应在-20℃到+60℃温度范围内进行放电（工作）
• 额定电压：？

工作原理

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• 锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理,如下图：
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• 充电时：正电极发生氧化反应，向外电路释放出电子和向内电路释放出锂离子。生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡, 嵌入的锂离子越多，充电容量越高.
• 放电时: 正电极发生还原反应，从外电路获得电子和从内电路吸取锂离子。电子经过外电路和用电器被输送到正电极，与此同时，锂离子则经过内电路中的电解液和穿过隔膜纸，回到正电极的晶体结构, 回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量

充电过程

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• 锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段：涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止，如下图
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1. 涓流充电: 涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电，涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1c(以恒定充电电流为1A举例，则涓流充电电流为100mA)
2. 恒流充电: 当电池电压上升到涓流充电阈值以上时，提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V
3. 恒压充电: 当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束，开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少，当减小到0.01C时，认为充电终止。（C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh的容量，1C就是充电电流1000mA）

4. 充电终止: 有两种典型的充电终止方法：采用最小充电电流判断或采用定时器(或者两者的结合)。最小电流法监视恒压充电阶段的充电电流，并在充电电流减小到0.02C至0.07C范围时终止充电。第二种方法从恒压充电阶段开始时计时，持续充电两个小时后终止充电过程

安全标准

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• 对于锂离子电池安全性能的考核指标，国际上规定了非常严格的标准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足以下条件:

1. 1. 短路：不起火，不爆炸
   2. 过充电：不起火，不爆炸
   3. 热箱试验：不起火，不爆炸（150℃恒温10min）
   4. 针剌：不爆炸（用Ф3mm钉穿透电池）
   5. 平板冲击：不起火，不爆炸（10kg重物自1M高处砸向电池）
   6. 焚烧：不爆炸（煤气火焰烧烤电池）

电池衰老

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• 与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数有关，也与温度有关。这种衰退的现象可以用容量减小表示，也可以用内阻升高表示
• 用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命, 一块新电池，存放时间长了，容量一样下降，充满电存放的话，下降的更厉害，储存温度及充电电量与容量永久损失速度的关系如下图
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