锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极,是现代高性能电池的代表。锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池,而真正的锂电池由于危险性大,很少应用于日常电子产品。
锂离子电池(Li-ion,LithiumIonBattery):锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点,因而得到了普遍应用——现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源,尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高,它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍,而且具有很低的自放电率。此外,锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。
锂离子电池充电
在使用锂电池中应注意的是,电池放置一段时间后则进入休眠状态,此时容量低于正常值,使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活,只要经过3—5次正常的充放电循环就可激活电池,恢复正常容量。由于锂电池本身的特性,决定了它几乎没有记忆效应。因此用户手机中的新锂电池在激活过程中,是不需要特别的方法和设备的。对锂离子电池充电,应使用专用的锂离子电池充电器。锂离子电池充电采用“恒流/恒压”方式,先恒流充电,到接近终止电压时改为恒压充电。如一种800mA.h容量的电池,其终止充电电压为4.2V。电池以800mA(充电率为1C)恒流充电,开始时电池电压以较大的斜率上升,当电池电压接近4.2V时,改成4.2V恒压充电,锂电池电流渐降,电压变化不大,到充电电流降为1/10C(约80mA)时,认为接近充满,可以终止充电(有的充电器到10C后启动定时器,过一定时间后结束充电)。不能用充镍镉电池的充电器(充三节镍镉电池的)来充锂离子电池(虽然额定电压一样,都是3.6V),由于充电方式不同,容易造成过充。
(1)充电电压:充满电时的终止充电电压与电池负极材料有关,焦炭为4.1V,而石墨为4.2V,一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。在充电时应注意4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电,否则会有过充危险(4.1V与4.2V的充电器所用的充电器IC不同)。锂离子电池对充电的要求是很高的,它要求精密的充电电路以保证充电的安全。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。
(2)充电电流:锂离子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(C是电池的容量,如标称容量1500mA.h的电池,充电电流0.5*1500=750mA)。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。
(3)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。
锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时,会造成电池的损坏或降低使用寿命。为此开发出各种保护元件及由保护IC组成的保护电路,它安装在电池或电池组中,使电池获得完善的保护。但是在使用中应尽可能防止过充电及过放电。例如,手机电池在充电过程中,快充满时应及时与充电器进行分离。放电深度浅时,循环寿命会明显提高。因此在使用时,不要等到手机上出现电池不足的信号时才去充电,更不要在出现此信号时继续使用,尽管出现此信号时还有一部分残余容量可供使用。
锂离子电池放电
放电终止电压:锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V),终止放电电压为2.5-2.75V(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)。电池的放电终止电压不应小于2.5(n是串联的电池数),低于终止放电电压继续放电称为过放,过放会使电池寿命缩短,严重时会导致电池失效。电池不用时,应将电池充电到保有20%的电容量,再进行防潮包装保存,3~6个月检测电压1次,并进行充电,保证电池电压在安全电压值(3V以上)范围内。
放电电流:锂离子电池不适合用作大电流放电,过大电流放电时内部会产生较高的温度而损耗能量,减少放电时间,若电池中无保护元件还会产生过热而损坏电池。因此电池生产工厂给出最大放电电流,在使用中不能超过产品特性表中给出的最大放电电流。
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)。
贮存和运输
锂离子电池可贮存在温度为-5~35℃,相对湿度不大于75%的清洁、干燥、通风的环境中,应避免与腐蚀性物质接触,远离火源及热源,不要置于阳光直射的地方,不能随意拆卸电池。电池若长期贮存,电池电量应保持标称容量的30%~50%,推荐贮存的电池每6个月充电一次。
电池应包装成箱进行运输,在运输过程中应防止剧烈振动、撞击或挤压,防止日晒雨淋,可使用汽车、火车、轮船、飞机等交通工具进行运输。
短路
关于锂离子电池的安全问题,请各位朋友重视。锂离子电池在充电过程中很容易发生短路情况。虽然大多数锂离子电池都带有防短路的保护电路,还有防爆线。但很多情况下,这个电路在各种情况下,不一定会起作用。防爆线能起的作用也很有限。
过充
所有的锂离子电池,包括聚合物锂离子电池、锂铁电池等等,都非常害怕过充。锂离子电池如果充电时间过长,发生的爆炸的可能性就会加大。锂的化学性质非常活泼,很容易燃烧,当电池充放电时,电池内部持续升温,活化过程中所产生的气体膨胀,使电池内压加大。压力达到一定程度,如外壳有伤痕,即会破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸。所以,大家在使用锂离子电池的时候要非常注意安全。
充电注意事项
锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。充电量等于充电电流乘以充电时间,在充电控制电压一定的情况下,充电电流越大(充电速度越快),充电电量越小。电池充电速度过快和终止电压控制点不当,同样会造成电池容量不足,实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电,这种充电不足的现象随着循环次数的增加而加剧。
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)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)
(1)电压高单体电池的工作电压高达3.7-3.8V(磷酸铁锂的是3.2V),是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。
(2)比能量大能达到的实际比能量为555Wh/kg左右,即材料能达到150mAh/g以上的比容量(3--4倍于Ni-Cd,2--3倍于Ni-MH),已接近于其理论值的约88%。
(3)循环寿命长一般均可达到500次以上,甚至1000次以上,磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的电器,电池的使用期限,将倍增电器的竞争力。
(4)安全性能好无公害,无记忆效应。作为Li-ion前身新型锂离子电池的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域:Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素:部分工艺(如烧结式)的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”,严重束缚电池的使用,但Li-ion根本不存在这方面的问题。
(5)自放电小室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni-MH的30-35%。
(6)快速充电1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上,磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。
(7)工作温度工作温度为-25~45°C,随着电解液和正极的改进,期望能扩宽到-40~70°C。
(6)焚烧:不爆炸(煤气火焰烧烤电池)
(1)衰老: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。因为与温度有关,所以在工作电流高的电子产品更容易体现。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。储存温度与容量永久损失速度的关系:
(2)回收率:大约有1%的出厂新品因种种原因需要回收。
(3)不耐受过充:过充电时,过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中,无法再释放,可导致电池寿命短。
(4)不耐受过放:过放电时,电极脱嵌过多锂离子,可导致晶格坍塌,从而缩短寿命。