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锂电池原理-锂电池的工作原理解析与注意事项-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-03-05 

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一、锂电池的原理

1、简述锂电池以及工作原理

锂离子电池自1990年问世以来,因其卓越的性能得到了迅猛的发展,并广泛地应用于社会。锂离子电池以其它电 池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域,象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等等。


目前锂电池公认的基本原理是所谓的“摇椅理论”。锂电池的冲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壮物质的晶体中的出入,发生能量变化。在正常冲放电情况下,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,因此从冲放电反映来讲,锂离子电池是一种理想的可逆电池。在冲放电时锂离子在电池正负极往返出入,正像摇椅一样在正负极间摇来摇去,故有人将锂离子电池形象称为摇椅电池。


我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镍镉电池(Ni/Cd)和镍氢电池(Ni/MH)来讲的。 具有工作电压高比能量大循环寿命长自放电率低无记忆效应等优点。


1.锂离子电池

锂离子电池包含两个被电解质阻隔的电极。电解质是一种离子导体和电子绝缘体。在放电过程中,电池将化学能转化为电能。电池包中可以包含几个或者平行串联的单个电池。

锂离子电池是一种被人们熟知的rocking chair或者swing电池,因为其在充放电过程中电荷媒介会在电解质中穿梭在电极材料中嵌入或者迁出。


2.电池电压

在某种意义上,电池可以看作“电荷”泵。正负极端的压力差被称作为电压或者电动势。通过外电路进行电子转移的自由能以及在两个插层电极之间的锂离子在两端之间的化学电压是相关的。电极的电势越高,材料中的Li就越难迁出。在放电过程中,Li能够从阳极中能量较高的状态转移到阴极能量较低的状态。

电池依靠其电化学活性物质来储存化学能。这些能量可以按照需求通过氧化还原反应来转化为电能。


3.电池的组成

锂离子电池一般包含三个主要成分:阳极,阴极,电解质。

阳极:在放电过程中电子通过外电路转移走,电极材料被氧化。大部分商用的电池使用基于炭/石墨的电极材料;不过金属或者合金也可以作为阳极材料。

阴极:在放电过程中,通过外电路接收电子;通常使用过渡金属氧化物或者磷化物来作为阴极材料。

电解质:电解质是一个离子导体,电子的不良导体。电解质阻隔电池的阴阳极,同时能提供电子转移的媒介。电解质一般使用一些非水的有机溶剂,里面溶解一些含Li+的盐。比如LiPF6溶解在碳酸丙烯酯中。

备注:这里省略对隔膜和外壳的介绍。


4.锂离子电池的充放电过程

A. 充电过程

电子一般在放电状态进行组装。在充电过程中,阴极材料(如:LiCoO2)被氧化,锂离子从层状的插层材料中脱出,穿过电解质然后插层到石墨层之中。


B. 放电过程

在放电过程中,负极发生氧化反应,锂离子从阳极脱出然后穿过电解质重新插层到阴极之中。对应的,相应数量的电子会穿过外电路从而平衡电荷。与此同时,正极材料从外电路接收电子和来自溶液中的Li+离子从而发生还原反应。电极和电解质界面发生电子电流和离子电流的交换。

锂电池原理

基于插层机理的电池——可逆的插入一个外来离子到固体结构中,而不会破坏宿主材料的结构


2、锂电池日常使用过程中的常识

(1)、误区:“电池激活,前三次充电12小时以上”

对于锂电池的“激活”问题,众多的说法是:充电时间一定要超过12小时,反复做三次,以便激活电池。这种“前三次充电要充 12小时以上”的说法,明显是从镍电池(如镍镉和镍氢)延续下来的说法。所以这种说法,可以说一开始就是误传。经过抽样调查,可以看出有相当一部分人混淆了两种电池的充电方法。

锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别,所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电,特别是不要进行超过12个小时的超长充电。通常,手机说明书上介绍的充电方法,就是适合该手机的标准充电方法。


(2)、 不益长时间充电、电池完全用完再充电

锂电池的手机或充电器在电池充满后都会自动停充,并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。如果锂电池在充满后,放在充电器上也是也不再充电。

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。


(3)、电池寿命

关于锂离子电池充放电循环的实验表,关于循环寿命的数据列出如下(DOD是放电深度的英文缩写):

循环寿命 (10%DOD):> 1000次

循环寿命 (100%DOD):> 200次

从上面数据可见,可充电次数和放电深度有关,10%DOD时的循环寿命要比100%DOD的要长很多。当然 如果折合到实际充电的相对总容量10%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充放电还是要比较好一 些。但是锂电池的寿命主要体现在充放电周期上,这个周期是一个绝对概念,上次使用了30%电力,充满电,下次又使用了70%的电力,又充满电,这个刚好是 一个充电周期。所以还是遵循锂电池发明者的口号“即用即充,即充即用”的方法使用锂电池。


(4)、定期深度充放电进行

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”的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当 的值。



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