锂电池原理

发布网友 发布时间：2022-04-19 22:10

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热心网友 时间：2022-07-08 11:51

锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳。常见
的正极材料主要成分为 LiCoO2 ，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离
子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新
和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。

化学反应原理虽然很简单，然而在实际的工业生产中，需要考虑的实际问题要多得多：
正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性，负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳
更多的锂离子；填充在正负极之间的电解液，除了保持稳定，还需要具有良好导电性，减小
电池内阻。

虽然锂离子电池很少有镍镉电池的记忆效应，记忆效应的原理是结晶化，在锂电池中几
乎不会产生这种反应。但是，锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，其原因是复杂而多
样的。主要是正负极材料本身的变化，从分子层面来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会
逐渐塌陷、堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化
合物。物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况，总之最终降低了电池中可以自由在充放电
过程中移动的锂离子数目。

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，可以直观
的理解，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
离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。

不适合的温度，将引发锂离子电池内部其他化学反应生成我们不希望看到的化合物，所
以在不少的锂离子电池正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂。在电池升温到一
定的情况下，复合膜膜孔闭合或电解质变性，电池内阻增大直到断路，电池不再升温，确保
电池充电温度正常。

而深充放能提升锂离子电池的实际容量吗？专家明确地告诉我，这是没有意义的。他们
甚至说，所谓使用前三次全充放的“激活”，在他们两位博士的知识里，也想不通这有什么
必要。然而为什么很多人深充放以后 Battery Information 里标示容量会发生改变呢 ? 后
面将会提到。

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。我个
人认为，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，使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况。

充电控制芯片主要控制电池的充电过程。锂离子电池的充电过程分为两个阶段，恒流快
充阶段（电池指示灯呈*时）和恒压电流递减阶段 ( 电池指示灯呈绿色闪烁。恒流快充
阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升
高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到 0 ，而最终完成充电。

电量统计芯片通过记录放电曲线（电压，电流，时间）可以抽样计算出电池的电量，这
就是我们在 Battery Information 里读到的 wh. 值。而锂离子电池在多次使用后，放电曲
线是会改变的，如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线，其计算出来的电量也
就是不准确的。所以我们需要深充放来校准电池的芯片。

最后我对电池的保养的看法是：

1. 不必刻意保证每一次都放完电了再充；

2. 一段时间可做一次保护电路控制下的深充放以修正电池的电量统计，但这不会提高
你电池的实际容量。

3. 长期不用的电池，应放在阴凉的地方以减弱其内部自身钝化反应的速度。

4. 保护电路也无力监控电池的自放电，长期不用的电池，应充入一定的电量以防电池
在存贮中自放电过量导致过度放电的损坏。

其实电池没有太多要顾及的使用注意，换句话说是顾及也没有太大用。一个电池能使用
多少次，也许差别更多的来自电池本身制造中的个体差异，而不是使用方法。选择具有良好

参考资料：http://67.159.2.54/index.php?fromuid=51153

热心网友 时间：2022-07-08 13:26

一、发展及分类
“锂电池”，是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
锂电池最早期应用在心脏起搏器中。锂电池的自放电率极低，放电电压平缓等优点，使得植入人体的起搏器能够长期运作而不用重新充电。锂电池一般有高于3.0伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电池，就广泛用于计算器，数码相机、手表中。
为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究，从而制造出前所未有的产品。
1912年锂金属电池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。
20世纪70年代时，M. S. Whittingham提出并开始研究锂离子电池。
1992年Sony成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本、计算器等携带型电子设备的重量和体积大大减小。
由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。随着科学技术的发展，锂电池已经成为了主流。

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。
锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求*，只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。
二、工作原理
1. 锂金属电池
一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
放电反应：Li+MnO2=LiMnO2
2.锂离子电池：
锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。
充电正极上发生的反应为
LiCoO2=Li(1-x)CoO2+xLi++xe-(电子)
充电负极上发生的反应为
6C+xLi++xe- = LixC6
充电电池总反应：LiCoO2+6C = Li(1-x)CoO2+LixC6
三、特征
高能量密度锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的20-30%，镍氢的35-50%。
高电压一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V（平均值），相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。
无污染锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。
不含金属锂锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规定的*。
循环寿命高在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次，磷酸亚铁锂则可以达到2000次。
无记忆效应记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。
快速充电使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器，可以使锂离子电池在1.5-2.5个小时内就充满电；而新开发的磷铁锂电池，已经可以在35分钟内充满电。
三、优缺点分析
1．优点
（1）能量比较高。具有高储存能量密度，已达到460-600Wh/kg，是铅酸电池的约6-7倍；
（2）使用寿命长，使用寿命可达到6年以上，磷酸亚铁锂为正极的电池1C（100%DOD）充放电，有可以使用10,000次的记录；
（3）额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用。
（4）具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；
（5）自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；
（6）重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；
（7）高低温适应性强，可以在-20℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-45℃环境下使用；
（8）绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。
（9）生产基本不消耗水，对缺水的我国来说，十分有利。
比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，L是升（体积单位）。

2.缺点
1．锂原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险。
2．钴酸锂的锂离子电池不能大电流放电，价格昂贵，安全性较差。
3．锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电。
4．生产要求条件高，成本高。
5．使用条件有*，高低温使用危险大。