鋰電池原理-鋰電池的工作原理解析與注意事項-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-03-05
鋰離子電池自1990年問世以來，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于社會。鋰離子電池以其它電 池所不可比擬的優(yōu)(yōu)勢迅速占領(lǐng)了許多領(lǐng)域，象大家熟知的移動電話、筆記本電腦、小型攝像機等等。
目前鋰電池公認(rèn)的基本原理是所謂的“搖椅理論”。鋰電池的沖放電不是通過傳統(tǒng)(tǒng)的方式實現(xiàn)(xiàn)電子的轉(zhuǎn)(zhuǎn)移，而是通過鋰離子在層壯物質(zhì)(zhì)的晶體中的出入，發(fā)(fā)生能量變化。在正常沖放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會引起晶體結(jié)(jié)構(gòu)的破壞，因此從沖放電反映來講，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。在沖放電時鋰離子在電池正負(fù)極往返出入，正像搖椅一樣在正負(fù)極間搖來搖去，故有人將鋰離子電池形象稱為搖椅電池。
我們經(jīng)(jīng)常說的鋰離子電池的優(yōu)(yōu)越性是針對于傳統(tǒng)(tǒng)的鎳鎘電池（Ni/Cd）和鎳氫電池（Ni/MH）來講的。 具有工作電壓高比能量大循環(huán)(huán)壽命長自放電率低無記憶效應(yīng)等優(yōu)(yōu)點。
鋰離子電池包含兩個被電解質(zhì)(zhì)阻隔的電極。電解質(zhì)(zhì)是一種離子導(dǎo)體和電子絕緣體。在放電過程中，電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)(zhuǎn)化為電能。電池包中可以包含幾個或者平行串聯(lián)(lián)的單個電池。
鋰離子電池是一種被人們熟知的rocking chair或者swing電池，因為其在充放電過程中電荷媒介會在電解質(zhì)(zhì)中穿梭在電極材料中嵌入或者遷出。
在某種意義上，電池可以看作“電荷”泵。正負(fù)極端的壓力差被稱作為電壓或者電動勢。通過外電路進行電子轉(zhuǎn)(zhuǎn)移的自由能以及在兩個插層電極之間的鋰離子在兩端之間的化學(xué)電壓是相關(guān)的。電極的電勢越高，材料中的Li就越難遷出。在放電過程中，Li能夠從陽極中能量較高的狀態(tài)(tài)轉(zhuǎn)(zhuǎn)移到陰極能量較低的狀態(tài)(tài)。
電池依靠其電化學(xué)活性物質(zhì)(zhì)來儲存化學(xué)能。這些能量可以按照需求通過氧化還原反應(yīng)來轉(zhuǎn)(zhuǎn)化為電能。
3.電池的組成
鋰離子電池一般包含三個主要成分：陽極，陰極，電解質(zhì)(zhì)。
陽極：在放電過程中電子通過外電路轉(zhuǎn)(zhuǎn)移走，電極材料被氧化。大部分商用的電池使用基于炭/石墨的電極材料；不過金屬或者合金也可以作為陽極材料。
陰極：在放電過程中，通過外電路接收電子；通常使用過渡金屬氧化物或者磷化物來作為陰極材料。
電解質(zhì)(zhì)：電解質(zhì)(zhì)是一個離子導(dǎo)體，電子的不良導(dǎo)體。電解質(zhì)(zhì)阻隔電池的陰陽極，同時能提供電子轉(zhuǎn)(zhuǎn)移的媒介。電解質(zhì)(zhì)一般使用一些非水的有機溶劑，里面溶解一些含Li+的鹽。比如LiPF6溶解在碳酸丙烯酯中。
備注：這里省略對隔膜和外殼的介紹。
4.鋰離子電池的充放電過程
A. 充電過程
電子一般在放電狀態(tài)(tài)進行組裝。在充電過程中，陰極材料（如：LiCoO2）被氧化，鋰離子從層狀的插層材料中脫出，穿過電解質(zhì)(zhì)然后插層到石墨層之中。
B. 放電過程
在放電過程中，負(fù)極發(fā)(fā)生氧化反應(yīng)，鋰離子從陽極脫出然后穿過電解質(zhì)(zhì)重新插層到陰極之中。對應(yīng)的，相應(yīng)數(shù)(shù)量的電子會穿過外電路從而平衡電荷。與此同時，正極材料從外電路接收電子和來自溶液中的Li+離子從而發(fā)(fā)生還原反應(yīng)。電極和電解質(zhì)(zhì)界面發(fā)(fā)生電子電流和離子電流的交換。
基于插層機理的電池——可逆的插入一個外來離子到固體結(jié)(jié)構(gòu)中，而不會破壞宿主材料的結(jié)(jié)構(gòu)
（1）、誤區(qū)(qū)：“電池激活，前三次充電12小時以上”
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(fù)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)(xù)下來的說法。所以這種說法，可以說一開始就是誤傳。經(jīng)(jīng)過抽樣調(diào)(diào)查，可以看出有相當(dāng)一部分人混淆了兩種電池的充電方法。
鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區(qū)(qū)別，所查閱過的所有嚴(yán)肅的正式技術(shù)資料都強調(diào)(diào)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(biāo)準(zhǔn)時間和標(biāo)準(zhǔn)方法充電，特別是不要進行超過12個小時的超長充電。通常，手機說明書上介紹的充電方法，就是適合該手機的標(biāo)準(zhǔn)充電方法。
（2）、 不益長時間充電、電池完全用完再充電
鋰電池的手機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)(xù)10幾小時的“涓流”充電。如果鋰電池在充滿后，放在充電器上也是也不再充電。
超常時間充電和完全用空電量會造成過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞，從分子層面看，過度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)(jié)構(gòu)出現(xiàn)(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負(fù)極碳結(jié)(jié)構(gòu)里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。
（3）、電池壽命
關(guān)于鋰離子電池充放電循環(huán)(huán)的實驗表，關(guān)于循環(huán)(huán)壽命的數(shù)(shù)據(jù)(jù)列出如下(DOD是放電深度的英文縮寫)：
循環(huán)(huán)壽命 (10％DOD)：> 1000次
循環(huán)(huán)壽命 (100％DOD)：> 200次
從上面數(shù)(shù)據(jù)(jù)可見，可充電次數(shù)(shù)和放電深度有關(guān)，10％DOD時的循環(huán)(huán)壽命要比100％DOD的要長很多。當(dāng)然 如果折合到實際充電的相對總?cè)萘?0％*1000=100，100％*200=200，后者的完全充放電還是要比較好一 些。但是鋰電池的壽命主要體現(xiàn)(xiàn)在充放電周期上，這個周期是一個絕對概念，上次使用了30％電力，充滿電，下次又使用了70％的電力，又充滿電，這個剛好是 一個充電周期。所以還是遵循鋰電池發(fā)(fā)明者的口號“即用即充，即充即用”的方法使用鋰電池。
（4）、定期深度充放電進行
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)(tài)、放電次數(shù)(shù)等數(shù)(shù)值。這些數(shù)(shù)值在使用中會逐漸變化。使用說明中的“使用一個月左右應(yīng)該全充放一次”的做法主要的作用應(yīng)該就是修正這些寄存器里不當(dāng) 的值。
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