锂离子电池的充放电原理是什么?

2021-03-25      3614 次浏览

1锂离子电池的充放电原理


目前锂离子电池公认的基本原理是所谓的"摇椅理论"。锂离子电池的充放电不是通过传统的方式实现电子的转移,而是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入,发生能量变化。在正常充放电情况下,锂离子的出入一般只引起层间距的变化,而不会引起晶体结构的破坏,因此从充放电反映来讲,锂离子电池是一种理想的可逆电池。在充放电时锂离子在电池正负极往返出入,正像摇椅相同在正负极间摇来摇去,故有人将锂离子电池形象称为摇椅池。


电池由正极锂化合物、中间的电解质膜及负极碳组成。当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。一般采用嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz等。


2锂离子电池充放电对寿命的影响


锂离子电池每一个充电放电过程,称为一个充电循环。锂离子电池从工作开始,每个循环后的容量都会出现轻微下降,这是由电池的电极材料的性质决定的。


按照国家标准,当容量下降到额定容量的60%时,即认为电池寿命结束。通常锂离子电池寿命不小于500次循环,就是指500次充电循环后,容量不小于额定容量的60%。依一般的电池使用三天一充。这样电池的寿命应在4年。锂离子电池的最佳使用环境温度在10℃30℃之间,在这个范围内使用,对手机电池的工作性能和使用寿命都比较好,在过冷或过热的环境中使用,都不利于手机电池发挥出最大效能,不会达到最长的通话或待机时间。尽量防止手机在0℃以下和40℃以上使用,在这个环境温度下,你会发现手机待机时间明显缩短,电池电量下降很快,长期这样使用,电池的寿命也会大大缩短。同理,在给锂离子电池充电时,环境温度也不宜过高或过低。温度过低会导致充电时间延长;温度过高影响电池的使用寿命。


超常时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电,将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏,从分子层面看,过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。


这也是锂离子电池为何通常配有充放电的控制电路的原因。锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器,存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化。使用说明中的"使用一个月左右应该全充放一次"的做法重要的用途应该就是修正这些寄存器里不当的值,使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况。

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