鋰離子電池培訓詳細資料

鋰離子電池

鋰離子電池（Li-ion，LithiumIonBattery）：鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優(yōu)點，因而得到了普遍應用——現(xiàn)在的許多數(shù)碼設備都采用了鋰離子電池作電源，盡管其價格相對來說比較昂貴。鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，而且具有很低的自放電率。此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優(yōu)點也是它廣泛應用的重要原因。

鋰離子電池-原理結構

鋰離子

鋰離子電池原理結構

電池原理結構鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池。目前手機等使用的鋰離子電池，而真正的鋰電池由于危險性大，沒有應用于日常電子產品。

鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在10%以下。沒有記憶效應。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達100%，而且輸出功率大。使用壽命長。沒有環(huán)境污染，被稱為綠色電池。

充電是電池重復使用的重要步驟，鋰離子電池的充電過程分為兩個階段：恒流快充階段（指示燈呈紅色或黃色）和恒壓電流遞減階段（指示燈呈綠色）。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。電量統(tǒng)計芯片通過記錄放電曲線可以抽樣計算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后，放電曲線會發(fā)生改變，鋰離子電池雖然不存在記憶效應，但是充電不當會嚴重影響電池性能。

鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結構出現(xiàn)塌陷，而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結構，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

充電量等于充電電流乘以充電時間，在充電控制電壓一定的情況下，充電電流越大（充電速度越快），充電電量越小。電池充電速度過快和終止電壓控制點不當，同樣會造成電池容量不足，實際是電池的部分電極活性物質沒有得到充分反應就停止充電，這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

鋰離子電池-鋰離子電池電池組成部分

鋰離子電池電池組成部分

鋼殼/鋁殼系列：

（1）電池上下蓋

（2）正極——活性物質一般為氧化鋰鈷

（3）隔膜——一種特殊的復合膜

（4）負極——活性物質為碳

（5）有機電解液

（6）電池殼（分為鋼殼和鋁殼兩種）

軟包裝系列

（1）正極——活性物質一般為氧化鋰鈷

（2）隔膜——pp或者pE復合膜

（3）負極——活性物質為碳

（4）有機電解液

（5）電池殼——鋁塑復合膜

鋰離子電池-安全隱患

鋰離子電池鋰離子電池的安全性問題，不僅與池材料本身性質有關，而且與電池制備技術和使用有關。手機電池頻頻發(fā)生爆炸事件，一方面是由于保護電路失效，但更重要的是在于材料方面并沒有根本的解決問題。

鈷酸鋰正極活性材料在小電芯方面是很成熟的體系，但是充滿電后，仍舊有大量的鋰離子留在正極，當過充時，殘留在正極的鋰離子將會涌向負極，在負極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過充時必然的結果，甚至在正常充放電過程中，也有可能會有多余的鋰離子游離到負極形成枝晶，鈷酸鋰材料的理論比能量是超過每克270毫安時的，但為保證其循環(huán)性能，實際使用容量只有理論容量的一半。在使用過程中，由于某種原因（如管理系統(tǒng)損壞）而導致電池充電電壓過高，正極中剩余的一部分鋰就會脫出，經電解液到負極表面以金屬鋰的形式沉積形成枝晶。枝晶刺穿隔膜，形成內部短路。

電解液的主要成分為碳酸酯，閃點很低，沸點也較低，在一定條件下會燃燒甚至爆炸。如電池出現(xiàn)過熱，會導致電解液中的碳酸酯被氧化和還原，產生大量氣體和更多的熱，如缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放，電池內壓便會急劇上升而引起爆炸。

聚合物電解質鋰離子電池并沒有從根本上解決安全性問題，同樣使用鈷酸鋰和有機電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會發(fā)生更猛烈的燃燒，燃燒是聚合物電池安全性最大的問題。

在使用方面也存在一些問題，電池發(fā)生外部短路或內部短路將產生幾百安培的過大電流。外部短路時電池瞬間大電流放電，在內阻上消耗大量能量，產生巨大熱量。內部短路形成大電流，溫度上升導致隔膜熔化，短路面積擴大，進而形成惡性循環(huán)。

鋰離子電池為達到單只電芯3～4.2V的高工作電壓，必須采取分解電壓大于2V的有機電解液，而采用有機電解液在大電流、高溫的條件下會被電解，電解產生氣體，導致內部壓力升高，嚴重會沖破殼體。

過充可能會析出金屬鋰，在殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導致燃燒，同時引燃電解液，發(fā)生強烈火焰，氣體急速膨脹，發(fā)生爆炸。

另外，對于手機鋰離子電池，由于使用不當，如擠壓、沖擊和進水等導致電池膨脹、變形和開裂等，這些都會導致電池短路，在放電或充電過程放熱引起爆炸。

鋰離子電池-安全性設計

鋰離子電池為了避免因使用不當造成電池過放電或者過充電，在單體鋰離子電池內設有三重保護機構。一是采用開關元件，當電池內的溫度上升時，它的阻值隨之上升，當溫度過高時，會自動停止供電；二是選擇適當?shù)母舭宀牧?，當溫度上升到一定?shù)值時，隔板上的微米級微孔會自動溶解掉，從而使鋰離子不能通過，電池內部反應停止；三是設置安全閥（就是電池頂部的放氣孔），電池內部壓力上升到一定數(shù)值時，安全閥自動打開，保證電池的使用安全性。

有時，電池本身雖然有安全控制措施，但是因為某些原因造成控制失靈，缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放，電池內壓便會急劇上升而引起爆炸。

一般情況下，鋰離子電池儲存的總能量和其安全性是成反比的，隨著電池容量的增加，電池體積也在增加，其散熱性能變差，出事故的可能性將大幅增加。對于手機用鋰離子電池，基本要求是發(fā)生安全事故的概率要小于百萬分之一，這也是社會公眾所能接受的最低標準。而對于大容量鋰離子電池，特別是汽車等用大容量鋰離子電池，采用強制散熱尤為重要。

選擇更安全的電極材料，選擇錳酸鋰材料，在分子結構方面保證了在滿電狀態(tài)，正極的鋰離子已經完全嵌入到負極炭孔中，從根本上避免了枝晶的產生。同時錳酸鋰穩(wěn)固的結構，使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰，分解溫度超過鈷酸鋰100℃，即使由于外力發(fā)生內部短路（針刺），外部短路，過充電時，也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發(fā)燃燒、爆炸的危險。

另外，采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。

提高現(xiàn)有安全控制技術的性能，首先要提高鋰離子電池芯的安全性能，這對大容量電池尤為重要。選擇熱關閉性能好的隔膜，隔膜的作用是在隔離電池正負極的同時，允許鋰離子的通過。當溫度升高時，在隔膜熔化前進行關閉，從而使內阻上升至2000歐姆，讓內部反應停止下來。

當內部壓力或溫度達到預置的標準時，防爆閥將打開，開始進行卸壓，以防止內部氣體積累過多，發(fā)生形變，最終導致殼體爆裂。

提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數(shù)和采用多個參數(shù)的聯(lián)合控制（這對于大容量電池尤為重要）。對于大容量鋰離子電池組是串/并聯(lián)的多個電芯組成，如筆記本電腦的電壓為10V以上，容量較大，一般采用3～4個單電池串聯(lián)就可以滿足電壓要求，然后再將2～3個串聯(lián)的電池組并聯(lián)，以保證較大的容量。

大容量電池組本身必須設置較為完善的保護功能，還應考慮兩種電路基板模塊:保護電路基板（protecTIonBoardpCB）模塊及SmartBatteryGaugeBoard模塊。整套的電池保護設計包括：第1級保護IC（防止電池過充、過放、短路），第2級保護IC（防止第2次過壓）、保險絲、LED指示、溫度調節(jié)等部件。

在多級保護機制下，即使是在電源充電器、筆記本電腦出現(xiàn)異常的情況下,筆記本電池也只能轉為自動保護狀態(tài)，如果情況不嚴重,往往在重新插拔后還能正常工作，不會發(fā)生爆炸。

目前，筆記本電腦和手機使用的鋰離子電池所采用的底層技術是不安全的，需要考慮更安全的結構。

總之，隨著材料技術的進步和人們對鋰離子電池設計、制造、檢測和使用諸方面要求的認識不斷加深，未來的鋰離子電池會變得更安全。

鋰離子電池-種類

鋰離子電池的充電器不可充電的鋰電池有多種，目前常用的有鋰－二氧化錳電池、鋰—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。

1?鋰－二氧化錳電池(Li?MnO2)

鋰－二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，并采用有機電解液的一次性電池。該電池的主要特點是電池電壓高，額定電壓為3V(是一般堿性電池的2倍)；終止放電電壓為2V；比能量大(見上面舉的例子)；放電電壓穩(wěn)定可靠；有較好的儲存性能(儲存時間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤2％)；工作溫度范圍－20℃～＋60℃。

該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長方形、圓柱形及紐扣形(扣式)。

鋰離子電池的充電器

可充電鋰離子電池

可充電鋰離子電池是目前手機中應用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會損壞電池或使之報廢)。因此，在電池上有保護元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在1%之內，目前各大半導體器件廠已開發(fā)出多種鋰離子電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。

現(xiàn)在手機已十分普遍，手機中一部分是鎳氫電池，但靈巧型的手機則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分重要的。鋰離子電池是目前應用最為廣泛的鋰電池，它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，并且有由幾個電池串聯(lián)在一起組成的電池組。鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產品為3.7V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關：陽極材料為石墨的4.2V；陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內阻也不同，焦炭陽極的內阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖1所示。一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池?，F(xiàn)在使用的大部分是4.2V的，鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V～2.75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同)。低于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過放，過放對電池會有損害。

鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時會降低放電時間(內部會產生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產工廠給出最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流。鋰離子電池對溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍。鋰離子電池對充電的要求是很高的，它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%(例如:充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)，過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應根據電池生產廠的建議，并要求有限流電路以免發(fā)生過流(過熱)。一般常用的充電率為0.25C～1C（C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）。在大電流充電時往往要檢測電池溫度，以防止過熱損壞電池或產生爆炸。

鋰離子電池充電分為兩個階段：先恒流充電，到接近終止電壓時改為恒壓充電，其充電特性如圖2所示。這是一種800mAh容量的電池，其終止充電電壓為4.2V。電池以800mA(充電率為1C)恒流充電，開始時電池電壓以較大的斜率升壓，當電池電壓接近4.2V時，改成4.2V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為1/10C(約80mA)時，認為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到1/10C后啟動定時器，過一定時間后結束充電)。鋰離子電池在充電或放電過程中若發(fā)生過充、過放或過流時，會造成電池的損壞或降低使用壽命。

鋰離子電池-優(yōu)點和缺點

鋰離子電池優(yōu)點

鋰離子電池（Li-ion，LithiumIonBattery）：鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優(yōu)點，因而得到了普遍應用——現(xiàn)在的許多數(shù)碼設備都采用了鋰離子電池作電源，盡管其價格相對來說比較昂貴。鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，而且具有很低的自放電率。此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優(yōu)點也是它廣泛應用的重要原因。

另外請注意鋰電池外部一般標有英文7.2Vlithiumionbattery（鋰電池）或7.2Vlithiumsecondarybattery（鋰二次電池）、7.2Vlithiumionrechargeablebattery（充電鋰電池），所以用戶在購買電池時一定要看清電池塊外表的標志，防止因為沒有看清電池類型而將鎘鎳、氫鎳電池誤認為鋰電池。

無記憶效應大大方便了手機用戶，用戶不必在每次充電時都先放電再充電，而可以隨心所欲的隨時對手機充電。

缺點

鋰電池的缺點是價格昂貴，所以目前尚不能普遍應用，主要應用于掌上計算機、pDA、通信設備、照相機、衛(wèi)星、特種、特種、儀器等。隨著技術的發(fā)展、工藝的改進及生產量的增加，鋰電池的價格將會不斷地下降，應用上也會更普遍。

鋰離子電池-注意事項

富士重工車用鋰離子電池鋰離子電池應用注意事項除與上述不可充電的鋰電池相同外，在充電方面還應注意以下幾點：

1.鋰離子電池有4.1V及4.2V終止充電的不同品種，因此在充電時注意的是4.1V的電池不能用4.2V的充電器充電，否則會有過充的危險(4.1V與4.2V的充電器用的充電器IC是不同的!)。

2.對電池充電時，其環(huán)境溫度不能超過產品特性表中所列的溫度范圍。

3.不能反向充電。

4.不能用充鎳鎘電池的充電器(充三節(jié)鎳鎘電池的)來充鋰離子電池(雖然額定電壓一樣，都是3.6V)，但充電方式不同，容易造成過充。

在放電方面應注意以下幾點：

1.鋰離子電池放電電流不能超過產品特性表中給出最大放電電流。放電電流較大時，會產生較高的溫度(損耗能量)，減少放電時間，若電池中無保護元件會產生過熱而損壞電池。

2.不同溫度下放電曲線是不同的，如圖5所示。從圖中可以看出，在不同的溫度下，其放電電壓及放電時間也不同。在-20℃放電時情況最差。

在貯存方面：

1.電池若長期貯存，要保持在50%放電態(tài)。

2.電池應保存在低溫、干燥壞境中。

3.要遠離熱源，也不要置于陽光直射的地方。

鋰離子電池-如何正確使用鋰離子電池

鋰離子電池的使用

1、如何為新電池充電,

在使用鋰電池中應注意的是，電池放置一段時間后則進入休眠狀態(tài)，此時容量低于正常值，使用時間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活，只要經過３—５次正常的充放電循環(huán)就可激活電池，恢復正常容量。由于鋰電池本身的特性，決定了它幾乎沒有記憶效應。因此用戶手機中的新鋰電池在激活過程中，是不需要特別的方法和設備的。不僅理論上是如此，從我自己的實踐來看，從一開始就采用標準方法充電這種“自然激活”方式是最好的。

對于鋰電池的“激活”問題，眾多的說法是：充電時間一定要超過12小時，反復做三次，以便激活電池。這種“前三次充電要充12小時以上”的說法，明顯是從鎳電池（如鎳鎘和鎳氫）延續(xù)下來的說法。所以這種說法，可以說一開始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區(qū)別，而且可以非常明確的告訴大家，我所查閱過的所有嚴肅的正式技術資料都強調過充和過放電會對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標準時間和標準方法充電，特別是不要進行超過12個小時的超長充電。

富士重工車用鋰離子電池

此外，鋰電池或充電器在電池充滿后都會自動停充，并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)10幾小時的“涓流”充電。也就是說，如果你的鋰電池在充滿后，放在充電器上也是白充。而我們誰都無法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質量的萬無一失，所以你的電池將長期處在危險的邊緣徘徊。這也是我們反對長充電的另一個理由。

此外，不可忽視的另外一個方面就是鋰電池同樣也不適合過放電，過放電對鋰電池同樣也很不利。

2、正常使用中應該何時開始充電

經?？梢砸姷竭@種說法，因為充放電的次數(shù)是有限的，所以應該將手機電池的電盡可能用光再充電。但是我找到一個關于鋰離子電池充放電循環(huán)的實驗表，關于循環(huán)壽命的數(shù)據列出如下:

循環(huán)壽命(10%DOD):>1000次

循環(huán)壽命(100%DOD):>200次

其中DOD是放電深度的英文縮寫。從表中可見，可充電次數(shù)和放電深度有關，10%DOD時的循環(huán)壽命要比100%DOD的要長很多。當然如果折合到實際充電的相對總容量：10%*1000=100，100%*200=200，后者的完全充放電還是要比較好一些，但前面網友的那個說法要做一些修正：在正常情況下，你應該有保留地按照電池剩余電量用完再充的原則充電，但假如你的電池在你預計第2天不可能堅持整個白天的時候，就應該及時開始充電，當然你如果愿意背著充電器到辦公室又當別論。

電池剩余電量用完再充的原則并不是要你走向極端。和長充電一樣流傳甚廣的一個說法，就是“盡量把電池的電量用完”。這種做法其實只是鎳電池上的做法，目的是避免記憶效應發(fā)生，不幸的是它也在鋰電池上流傳之今。曾經有人因為手機電池電量過低的警告出現(xiàn)后，仍然不充電繼續(xù)使用一直用到自動關機的例子。結果這個例子中的手機在后來的充電及開機中均無反應，不得不送客服檢修。這其實就是由于電池因過度放電而導致電壓過低，以至于不具備正常的充電和開機條件造成的。

個人建議手機電池的電量保持在滿格的狀態(tài)，當電量不滿的時候就開始充電，2-3小時以內為宜。

鋰離子電池按電解液分可以分成液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池，聚合物鋰離子電池的電解液是膠體，不會流動，所以不存在泄漏問題，更加安全。

鋰離子電池不要充得太滿也不要用到沒電。電池沒用完充電不會對電池造成傷害