鉅大LARGE | 點擊量:815次 | 2020年10月11日
鋰離子電池原理詳解
鋰離子電池的正極材料通常有鋰的活性化合物組成,負極則是特殊分子結(jié)構(gòu)的碳.常見的正極材料重要成分為LiCoO2,充電時,加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子,嵌入負極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中.放電時,鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出,重新和正極的化合物結(jié)合.鋰離子的移動出現(xiàn)了電流.
化學反應(yīng)原理雖然很簡單,然而在實際的工業(yè)生產(chǎn)中,要考慮的實際問題要多得多:正極的材料要添加劑來保持多次充放的活性,負極的材料要在分子結(jié)構(gòu)級去設(shè)計以容納更多的鋰離子;填充在正負極之間的電解液,除了保持穩(wěn)定,還要具有良好導電性,減小電池內(nèi)阻.
雖然鋰離子電池很少有鎳鎘電池的記憶效應(yīng),記憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化,在鋰離子電池中幾乎不會出現(xiàn)這種反應(yīng).但是,鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降,其原因是復雜而多樣的.重要是正負極材料本身的變化,從分子層面來看,正負極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會逐漸塌陷、堵塞;從化學角度來看,是正負極材料活性鈍化,出現(xiàn)副反應(yīng)生成穩(wěn)定的其他化合物.物理上還會出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況,總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數(shù)目.
過度充電和過度放電,將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞,從分子層面看,可以直觀的理解,過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷,過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結(jié)構(gòu)里去,而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來.這也是鋰離子電池為何通常配有充放電的控制電路的原因.
不適合的溫度,將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部其他化學反應(yīng)生成我們不希望看到的化合物,所以在不少的鋰離子電池正負極之間設(shè)有保護性的溫控隔膜或電解質(zhì)添加劑.在電池升溫到一定的情況下,復合膜膜孔閉合或電解質(zhì)變性,電池內(nèi)阻增大直到斷路,電池不再升溫,確保電池充電溫度正常.
而深充放能提升鋰離子電池的實際容量嗎?專家明確地告訴我,這是沒有意義的.他們甚至說,所謂使用前三次全充放的激活也同樣沒有什么必要.然而為何很多人深充放以后BatteryInformaTIon里標示容量會發(fā)生改變呢?后面將會提到.
鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片.其中管理芯片中有一系列的寄存器,存有容量、溫度、ID、充電狀態(tài)、放電次數(shù)等數(shù)值.這些數(shù)值在使用中會逐漸變化.我個人認為,使用說明中的使用一個月左右應(yīng)該全充放一次的做法重要的用途應(yīng)該就是修正這些寄存器里不當?shù)闹担沟秒姵氐某潆娍刂坪蜆朔Q容量吻合電池的實際情況.
充電控制芯片重要控制電池的充電過程.鋰離子電池的充電過程分為兩個階段,恒流快充階段(電池指示燈呈黃色時)和恒壓電流遞減階段(電池指示燈呈綠色閃爍.恒流快充階段,電池電壓逐步升高到電池的標準電壓,隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段,電壓不再升高以確保不會過充,電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到0,而最終完成充電.
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