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锂离子电池:手机通宵长时间充电会不会损害电池?

 山乡武侠 2015-05-27

 现在消费者用的手机大部分都是智能手机,而智能手机的硬件的变化导致耗电非常快,几年的时间由单核发展到双核手机、四核、到八核、同时手机屏幕也由3.5寸发展了5.5寸、7寸等,手机功能的增加给我们带到了全新的网络世界当中,从而大部分手机用户几乎需要每天一充量了。

       然而问题又来了,手机用户平时白天的时候用手机,一般习惯于晚上临睡前充电,很多时候就把充电这事给忘了,等发现的时候已经到第二天早上了,有很多手机用户会认为,在电池已经完全充满电的情况下,依然保持其处于充电状态,可能对手机电池造成损害。但事实上,目前还没有任何证据可证明,这种方式会对电池产生不良影响。当前智能手机使用的都是锂离子电池,当它们的电量充满后就会自动断电。

       还有很多手机用户认为直到电池电量耗尽才去充电可以增强手机电池的使用寿命,这也是对锂离子电池较为常见的误解之一。实际上,在电量耗尽之前就充电不仅不会对电池造成损害,反而对电池更好。每块电池在完全报废之前都有一定的充电周期限制,而一个充电周期就意味着电量从充满电到完全消耗殆尽的过程。你的手机电池健康受损是因为其充电周期减少,而非因为电池满电后继续充电。

      那么一个手机电池的充电周期到底多少呢?锂电池无论用不用,“保质期”为3年,三年后衰减很快。还有一个就是fullchargecycle,大约400-500次后衰减很快,就是看你先用到3年还是先充到次数,再没有充到次数前不用担心手机电池的使用寿命问题。锂电池除了怕低电量,还怕的一点就是过热,尤其是在天比较热的情况下充电的时候。如果你的套套散热很差,充电时会发热,最好在充电时把套拿下。

       还有一点也是手机用户比较关心的问题就是充电时到底可不可以使用手机,有人说充电时使用手机会导致手机电池爆炸,那时因为手机电池发胀存在质量问题了。当然了很多手机用户会认为手机使用过程中会导致手机充电慢,这是手机电池在一边充电一边放电吗?这是因为手机里有两个电路,一个给电池充电,一个直接通过AC给机器供电。充电慢是因为一部分电流供机器使用了,所以充电的电流就小了,usb充电时尤其明显,因为其电流本身很小。不过值得注意的是,小电流慢充电反而是锂电池喜欢的充电方式,这样产生的热量小,更有利于它的寿命。

       此外手机用户特别需要注意的是,在手机充电的过程中不要玩游戏或者其他大负荷使用,其原因不是因为耗电大,而是会产生大的热量,往往这时候你会感觉手机非常的烫手,这样往往会减少电池寿命。

锂离子电池 - 简介

锂离子电池(Li-ion,Lithium Ion Battery):锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点,因而得到了普遍应用——现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源,尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高,它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍,而且具有很低的自放电率。此外,锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。

锂离子电池 - 原理结构

锂离子电池锂离子电池图册

锂系电池分为锂电池和锂离子电池。目前手机笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池。目前手机等使用的锂离子电池,而真正的锂电池由于危险性大,没有应用于日常电子产品。

锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形象地称为“摇椅电池”。

锂离子电池能量密度大,平均输出电压高。自放电小,每月在10%以下。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃~60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%,而且输出功率大。使用寿命长。没有环境污染,被称为绿色电池。

充电是电池重复使用的重要步骤,锂离子电池的充电过程分为两个阶段:恒流快充阶段(指示灯呈红色或黄色)和恒压电流递减阶段(指示灯呈绿色)。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可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次使用后,放电曲线会发生改变,锂离子电池虽然不存在记忆效应,但是充电不当会严重影响电池性能。

锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电使过多的锂离子插入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

充电量等于充电电流乘以充电时间,在充电控制电压一定的情况下,充电电流越大(充电速度越快),充电电量越小。电池充电速度过快和终止电压控制点不当,同样会造成电池容量不足,实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电,这种充电不足的现象随着循环次数的增加而加剧。

锂离子电池 - 历史

历史经历

锂离子电池锂离子电池图册

1970年,埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。这种电池也可以充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中容易形成锂结晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。
1982年伊利诺伊理工大学(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,此过程是快速的,并且可逆。与此同时,采用金属锂制成的锂电池,其安全隐患备受关注,因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。
1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。
1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。
1992年日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。此类以钴酸锂作为正极材料的电池,至今仍是便携电子器件的主要电源。
1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸铁锂(LiFePO4),比传统的正极材料更具安全性,尤其耐高温,耐过充电性能远超过传统锂离子电池材料。因此已成为当前主流的大电流放电的动力锂电池的正极材料。

历史过程

早期锂电池

锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前,先介绍锂电池。举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电.这种电池也可以充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

炭材料锂电池

后来,日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出, 又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

摇椅式电池

通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ion Batteries又叫摇椅式电池。

锂离子电池 - 特点

一是绿色环保电池迅猛发展,包括锂离子蓄电池、氢镍电池等;
二是一次电池向蓄电池转化,这符合可持续发展战略;
三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。

锂离子电池 - 组成部分

钢壳/铝壳系列

(1)电池上下盖 

(2)正极——活性物质一般为氧化锂钴 

(3)隔膜——一种特殊的复合膜

(4)负极——活性物质为碳 

(5)有机电解液 

(6)电池壳(分为钢壳和铝壳两种)

软包装系列

锂离子电池锂离子电池图册
(1)正极——活性物质一般为氧化锂钴 

(2)隔膜——PP或者PE复合膜

(3)负极——活性物质为碳 

(4)有机电解液

(5)电池壳——铝塑复合膜

钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列
(1)正极——活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂,镍钴锰酸锂材料,电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂(俗称三元)或者三元+少量锰酸锂,纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电集流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。
(2)隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,可以让锂离子自由通过,而电子不能通过。
(3)负极——活性物质为石墨,或近似石墨结构的碳,导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。
(4)有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂,聚合物的则使用凝胶状电解液。
(5)电池外壳——分为钢壳(方型很少使用)、铝壳、镀镍铁壳(圆柱电池使用)、铝塑膜(软包装)等,还有电池的盖帽,也是电池的正负极引出端。

锂离子电池 - 工作原理

当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。  离子电池原理图(如右图)

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间,电流越大,充电越快,同时电池发热也越大。而且,过大的电流充电,容量不够满,因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样,倒太快的话会产生泡沫,反而不满。   

对电池来说,正常使用就是放电的过程。锂电池放电需要注意几点:   

第一,放电电流不能过大,过大的电流导致电池内部发热,有可能会造成永久性的损害。在手机上,这个倒是没有问题的,可以不考虑。 

第二,绝对不能过放电!锂电池最怕过放电,一旦放电电压低于2.7V,将可能导致电池报废。好在手机电池内部都已经装了保护电路,电压还没低到损坏电池的程度,保护电路就会起作用,停止放电。从图上可以看出,电池放电电流越大,放电容量越小,电压下降更快。

锂离子电池 - 化学解析

和所有化学电池一样,锂离子电池也由三个部分组成:正极、负极和电解质。电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。 

正极

正极材料:如上文所述,可选的正极材料很多,目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。不同的正极材料对照:  

不同的正极材料对照不同的正极材料对照图册

正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。充电时:LiFePO4→ Li1-xFePO4 + xLi + xe 放电时:Li1-xFePO4+ xLi + xe →LiFePO4

负极

负极材料:多采用石墨。新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。 负极反应:放电时锂离子脱插,充电时锂离子插入。充电时:xLi + xe + 6C →LixC6 放电时:LixC6 → xLi + xe + 6C 

大体分为以下几种:

第一种是碳负极材料:目前已经实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。

第二种是锡基负极材料:锡基负极材料可分为锡的氧化物和锡基复合氧化物两种。氧化物是指各种价态金属锡的氧化物。目前没有商业化产品。

第三种是含锂过渡金属氮化物负极材料,目前也没有商业化产品。

第四种是合金类负极材料:包括锡基合金、硅基合金、锗基合金、铝基合金、锑基合金、镁基合金和其它合金 ,目前也没有商业化产品。

第五种是纳米级负极材料:纳米碳管、纳米合金材料。

第六种纳米材料是纳米氧化物材料:目前合肥翔正化学科技有限公司根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向,诸多公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在以前传统的石墨,锡氧化物,纳米碳管里面,极大的提高锂电池的冲放电量和充放电次数。

电解质溶液

1.溶质:常采用锂盐,如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF?)。

2.溶剂:由于电池的工作电压远高于水的分解电压,因此锂离子电池常采用有机溶剂,如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构,导致其剥脱,并在其表面形成固体电解质膜(solid electrolyte interphase,SEI)导致电极钝化。有机溶剂还带来易燃、易爆等安全性问题。

锂离子电池 - 安全隐患

锂离子电池锂离子电池图册
锂离子电池的安全性问题,不仅与池材料本身性质有关,而且与电池制备技术和使用有关。手机电池频频发生爆炸事件,一方面是由于保护电路失效,但更重要的是在于材料方面并没有根本的解决问题。

钴酸锂正极活性材料在小电芯方面是很成熟的体系,但是充满电后,仍旧有大量的锂离子留在正极,当过充时,残留在正极的锂离子将会涌向负极,在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果,甚至在正常充放电过程中,也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶,钴酸锂材料的理论比能量是超过每克270毫安时的,但为保证其循环性能,实际使用容量只有理论容量的一半。在使用过程中,由于某种原因(如管理系统损坏)而导致电池充电电压过高,正极中剩余的一部分锂就会脱出,经电解液到负极表面以金属锂的形式沉积形成枝晶。枝晶刺穿隔膜,形成内部短路。

电解液的主要成分为碳酸酯,闪点很低,沸点也较低,在一定条件下会燃烧甚至爆炸。如电池出现过热,会导致电解液中的碳酸酯被氧化和还原,产生大量气体和更多的热,如缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放,电池内压便会急剧上升而引起爆炸。

聚合物电解质锂离子电池并没有从根本上解决安全性问题,同样使用钴酸锂和有机电解液,而且电解液为胶状,不易泄漏,将会发生更猛烈的燃烧,燃烧是聚合物电池安全性最大的问题。

在使用方面也存在一些问题,电池发生外部短路或内部短路将产生几百安培的过大电流。外部短路时电池瞬间大电流放电,在内阻上消耗大量能量,产生巨大热量。内部短路形成大电流,温度上升导致隔膜熔化,短路面积扩大,进而形成恶性循环。

锂离子电池为达到单只电芯 3~4.2V的高工作电压,必须采取分解电压大于2V的有机电解液,而采用有机电解液在大电流、高温的条件下会被电解,电解产生气体,导致内部压力升高,严重会冲破壳体。

过充可能会析出金属锂,在壳体破裂的情况下,与空气直接接触,导致燃烧,同时引燃电解液,发生强烈火焰,气体急速膨胀,发生爆炸。

另外,对于手机锂离子电池,由于使用不当,如挤压、冲击和进水等导致电池膨胀、变形和开裂等,这些都会导致电池短路,在放电或充电过程放热引起爆炸。

锂离子电池 - 安全性设计

(图)锂离子电池锂离子电池图册

为了避免因使用不当造成电池过放电或者过充电,在单体锂离子电池内设有三重保护机构。一是采用开关元件,当电池内的温度上升时,它的阻值随之上升,当温度过高时,会自动停止供电;二是选择适当的隔板材料,当温度上升到一定数值时,隔板上的微米级微孔会自动溶解掉,从而使锂离子不能通过,电池内部反应停止;三是设置安全阀(就是电池顶部的放气孔),电池内部压力上升到一定数值时,安全阀自动打开,保证电池的使用安全性。

有时,电池本身虽然有安全控制措施,但是因为某些原因造成控制失灵,缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放,电池内压便会急剧上升而引起爆炸。

一般情况下,锂离子电池储存的总能量和其安全性是成反比的,随着电池容量的增加,电池体积也在增加,其散热性能变差,出事故的可能性将大幅增加。对于手机用锂离子电池,基本要求是发生安全事故的概率要小于百万分之一,这也是社会公众所能接受的最低标准。而对于大容量锂离子电池,特别是汽车等用大容量锂离子电池,采用强制散热尤为重要。

选择更安全的电极材料,选择锰酸锂材料,在分子结构方面保证了在满电状态,正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中,从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构,使其氧化性能远远低于钴酸锂,分解温度超过钴酸锂100℃,即使由于外力发生内部短路(针刺),外部短路,过充电时,也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。

另外,采用锰酸锂材料还可以大幅度降低成本。

提高现有安全控制技术的性能,首先要提高锂离子电池芯的安全性能,这对大容量电池尤为重要。选择热关闭性能好的隔膜,隔膜的作用是在隔离电池正负极的同时,允许锂离子的通过。当温度升高时,在隔膜熔化前进行关闭,从而使内阻上升至2000欧姆,让内部反应停止下来。

当内部压力或温度达到预置的标准时,防爆阀将打开,开始进行卸压,以防止内部气体积累过多,发生形变,最终导致壳体爆裂。

提高控制灵敏度、选择更灵敏的控制参数和采用多个参数的联合控制(这对于大容量电池尤为重要)。对于大容量锂离子电池组是串/并联的多个电芯组成,如笔记本电脑的电压为10V以上,容量较大,一般采用3~4个单电池串联就可以满足电压要求,然后再将2~3个串联的电池组并联,以保证较大的容量。

大容量电池组本身必须设置较为完善的保护功能,还应考虑两种电路基板模块:保护电路基板(Protection Board PCB)模块及Smart Battery Gauge Board模块。整套的电池保护设计包括:第1级保护IC(防止电池过充、过放、短路),第2级保护IC(防止第2次过压)、保险丝、LED指示、温度调节等部件。

在多级保护机制下,即使是在电源充电器、笔记本电脑出现异常的情况下,笔记本电池也只能转为自动保护状态,如果情况不严重,往往在重新插拔后还能正常工作,不会发生爆炸。笔记本电脑和手机使用的锂离子电池所采用的底层技术是不安全的,需要考虑更安全的结构。

锂离子电池 - 种类

(图)锂离子电池锂离子电池的充电器图册

常用的有锂-二氧化锰电池、锂—亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。
锂-二氧化锰电池(LiMnO2)

锂-二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极,并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高,额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍);终止放电电压为2V;比能量大(见上面举的例子);放电电压稳定可靠;有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤2%);工作温度范围-20℃~+60℃。

该电池可以做成不同的外形以满足不同要求,它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。

可充电锂离子电池

可充电锂离子电池是手机中应用最广泛的电池,但它较为“娇气”,在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此,在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。 锂离子电池充电要求很高,要保证终止电压精度在1%之内,目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC,以保证安全、可靠、快速地充电。

现在手机已十分普遍,手机中一部分是镍氢电池,但灵巧型的手机则是锂离子电池。正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池,它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式,并且有由几个电池串联在一起组成的电池组。 锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关:阳极材料为石墨的4.2V;阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同,焦炭阳极的内阻略大,其放电曲线也略有差别,如图1所示。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。现在使用的大部分是4.2V的,锂离子电池的终止放电电压为2.5V~2.75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同)。低于终止放电电压继续放电称为过放,过放对电池会有损害。

锂离子电池不适合用作大电流放电,过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池生产工厂给出最大放电电流,在使用中应小于最大放电电流。 锂离子电池对温度有一定要求,工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。 锂离子电池对充电的要求是很高的,它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%(例如:充4.2V的锂离子电池,其允差为±0.042V),过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议,并要求有限流电路以免发生过流(过热)。一般常用的充电率为0.25C~1C(C是电池的容量,如C=800mAh,1C充电率即充电电流为800mA)。在大电流充电时往往要检测电池温度,以防止过热损坏电池或产生爆炸。

锂离子电池充电分为两个阶段:先恒流充电,到接近终止电压时改为恒压充电,其充电特性如图2所示。这是一种800mAh容量的电池,其终止充电电压为4.2V。电池以800mA(充电率为1C)恒流充电,开始时电池电压以较大的斜率升压,当电池电压接近4.2V时,改成4.2V恒压充电,电流渐降,电压变化不大,到充电电流降为1/10C(约80mA)时,认为接近充满,可以终止充电(有的充电器到1/10C后启动定时器,过一定时间后结束充电)。 锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时,会造成电池的损坏或降低使用寿命。

锂离子电池 - 优点缺点

优点

锂离子电池(Li-ion,Lithium Ion Battery):锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点,因而得到了普遍应用——现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源,尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高,它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍,而且具有很低的自放电率。此外,锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。

另外请注意锂电池外部一般标有英文7.2V lithiumion battery(锂电池)或7.2V lithium secondary battery(锂二次电池)、7.2V lithiumion rechargeable battery(充电锂电池),所以用户在购买电池时一定要看清电池块外表的标志,防止因为没有看清电池类型而将镉镍、氢镍电池误认为锂电池。

无记忆效应大大方便了手机用户,用户不必在每次充电时都先放电再充电,而可以随心所欲的随时对手机充电。

缺点

锂电池的缺点是价格昂贵,所以目前尚不能普遍应用,主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。随着技术的发展、工艺的改进及生产量的增加,锂电池的价格将会不断地下降,应用上也会更普遍。

锂离子电池 - 注意事项

(图)锂离子电池富士重工车用锂离子电池 图册

锂离子电池应用注意事项除与上述不可充电的锂电池相同外,在充电方面还应注意以下几点:

1. 锂离子电池有4.1V及4.2V终止充电的不同品种,因此因此在充电时注意的是4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电,否则会有过充的危险(4.1V与4.2V的充电器用的充电器IC是不同的!)。 

2. 对电池充电时,其环境温度不能超过产品特性表中所列的温度范围。

3. 不能反向充电。

4. 不能用充镍镉电池的充电器(充三节镍镉电池的)来充锂离子电池(虽然额定电压一样,都是3.6V),但充电方式不同,容易造成过充。 

在放电方面应注意以下几点: 

1. 锂离子电池放电电流不能超过产品特性表中给出最大放电电流。放电电流较大时,会产生较高的温度(损耗能量),减少放电时间,若电池中无保护元件会产生过热而损坏电池。

2. 不同温度下放电曲线是不同的,如图5所示。从图中可以看出,在不同的温度下,其放电电压及放电时间也不同。在-20℃放电时情况最差。

在贮存方面: 

1. 电池若长期贮存,要保持在50%放电态。 

2. 电池应保存在低温、干燥坏境中。 

3. 要远离热源,也不要置于阳光直射的地方。

锂离子电池 - 电池使用

新电池激活

锂离子电池出厂前,厂家都进行了激活处理,并进行了预充电,因此锂离子电池均有余电,不用激活,锂离子电池按照调整期时间充电,这种调整期需进行3~5次完全充放电。

新电池充电

在使用锂电池中应注意的是,电池放置一段时间后则进入休眠状态,此时容量低于正常值,使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活,只要经过3—5次正常的充放电循环就可激活电池,恢复正常容量。由于锂电池本身的特性,决定了它几乎没有记忆效应。因此用户手机中的新锂电池在激活过程中,是不需要特别的方法和设备的。不仅理论上是如此,从我自己的实践来看,从一开始就采用标准方法充电这种“自然激活”方式是最好的。

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。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别,而且可以非常明确的告诉大家,我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。

此外,锂电池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。也就是说,如果你的锂电池在充满后,放在充电器上也是白充。而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失,所以你的电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是我们反对长充电的另一个理由。

此外,不可忽视的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电,过放电对锂电池同样也很不利。

使用中充电

经常可以见到这种说法,因为充放电的次数是有限的,所以应该将手机电池的电尽可能用光再充电。但是我找到一个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:

循环寿命 (10%DOD):>1000次

循环寿命 (100%DOD):>200次

其中DOD是放电深度的英文缩写。从表中可见,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,但前面网友的那个说法要做一些修正:在正常情况下,你应该有保留地按照电池剩余电量用完再充的原则充电,但假如你的电池在你预计第2天不可能坚持整个白天的时候,就应该及时开始充电,当然你如果愿意背着充电器到办公室又当别论。

电池剩余电量用完再充的原则并不是要你走向极端。和长充电一样流传甚广的一个说法,就是“尽量把电池的电量用完”。这种做法其实只是镍电池上的做法,目的是避免记忆效应发生,不幸的是它也在锂电池上流传之今。曾经有人因为手机电池电量过低的警告出现后,仍然不充电继续使用一直用到自动关机的例子。结果这个例子中的手机在后来的充电及开机中均无反应,不得不送客服检修。这其实就是由于电池因过度放电而导致电压过低,以至于不具备正常的充电和开机条件造成的。 

建议手机电池的电量保持在满格的状态,当电量不满的时候就开始充电,2-3小时以内为宜。

锂离子电池按电解液分可以分成液态锂离子电池和聚合物锂离子电池,聚合物锂离子电池的电解液是胶体,不会流动,所以不存在泄漏问题,更加安全。 

锂离子电池不要充得太满也不要用到没电。电池没用完充电不会对电池造成伤害

锂离子电池 - 保存方法

锂原电池自放电很低,可保存3年之久,在冷藏的条件下保存,效果会更好。将锂原电池存放在低温的地方,不失是一个好方法。锂离子电池在20℃下可储存半年以上,这是由于它的自放电率很低,而且大部分容量可以恢复。   

锂电池存在的自放电现象,如果电池电压在3.6V以下长时间保存,会导致电池过放电而破坏电池内部结构,减少电池寿命。因此长期保存的锂电池应当每3~6个月补电一次,即充电到电压为3.8~3.9V(锂电池最佳储存电压为3.85V左右)为宜,不宜充满。 

锂电池的应用温度范围很广,在北方的冬天室外,仍然可以使用,但容量会降低很多,如果回到室温的条件下,容量又可以恢复。 

注意事项

锂原电池:与锂离子电池不同,它不能充电,充电十分危险。其他注意事项,与锂离子电池相当。

锂离子电池 - 保养须知

充电时不得高于最大充电电压,放电时不得低于最小工作电压。   

无论任何时间锂离子电池都必须保持最小工作电压以上, 低电压的过放或自放电反应会导致锂离子活性物质分解破坏,并不一定可以还原。  

锂离子电池任何形式的过充都会导致电池性能受到严重破坏,甚至爆炸。锂离子电池在充电过程必需避免对电池产生过充。  

不要经常深放电、深充电。不过,每经历约30个充电周期后,电量检测芯片会自动执行一次深放电、深充电,以准确评估电池的状态。 

避免高温,轻则缩短寿命,严重者可引发爆炸。如有条件可储存于冰箱。笔记本电脑如果正在使用交流电,请拔除锂离子电池条,以免受到电脑产热的影响。 

避免冻结,但多数锂离子电池电解质溶液的冰点在-40℃,不容易冻结。   

如果长期不用,请以40%~60%的充电量储存。电量过低时,可能因自放电导致过放。  

由于锂离子电池不使用时也会自然衰老,因此,购买时应根据实际需要量选购,不宜过多购入。

锂离子电池 - 新发展

聚合物类

聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的,以导电材料为正极,碳材料为负极,电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成,并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。由于性能的更加稳定,因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。很多企业都在开发这种新型电池。 

动力类

动力锂离子电池:严格来说,动力锂离子电池是指容量在3AH以上的锂离子电池,则泛指能够通过放电给设备、器械、模型、车辆等驱动的锂离子电池,由于使用对象的不同,电池的容量可能达不到单位AH的级别。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等;高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。根据内部材料的不同,动力锂离子电池相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种,统称为动力锂离子电池。 

高性能类

为了突破传统锂电池的储电瓶颈,研制一种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定,在电池多次充放电后储电能力明显下降。为此,改用一种新的合成方法。他们用几种原始材料与一种锂盐混合并加热,由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料。这种方法在纳米尺度材料上一举创建了储电单元和导电电路。   目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到现有储电材料的两倍,而且生产工艺简单,成本较低,而其高性能可以保持很长时间。领导这项研究的马克西米利安·菲希特纳博士说,如果能够充分开发这种新材料的潜力,将来可以使锂离子电池的储电密度提高5倍。

锂离子电池 - 短路保护

模组中单节电池内短示意模组中单节电池内短示意图册
电池内短路保护解决方案电池内短路保护解决方案图册
锂离子电池组内短路保护 
锂离子电池由于材料体系及制成工艺等诸多方面因素的影响,存在发生内短路的风险。虽然锂离子电池在出厂时都已经经过严格的老化及自放电筛选,但由于过程失效及其他不可预知的使用因素影响,依然存在一定的失效概率导致使用过程中出现内短路。对于动力电池,其电池组中锂离子电池多达几百节甚至上万节,大大放大了电池组发生内短的概率。由于动力电池组内部所蕴含的能量极大,内短路的发生极易诱发恶性事故,导致人员伤亡和财产损失。
对于并联的锂离子动力电池模组,当其中一节或几节电池发生内短时,电池模组中的其他电池会对其放电,电池组的能量会使内短电池温度急速升高,极易诱发热失控,最终导致电池起火爆炸。如示意图1所示 
图1:模组中单节电池内短示意
常规的温度探测在电池升温时,虽然可以告知IC切断主回路,但无法阻止并联电池模组内部的持续放电, 并且由于主回路切断,电池模组所有的能量都集中于内短路电池,反而增加了热失控发生的几率。
理想的方案是,在发现某节电池发生内短而升温时,可以切断该节电池与模组中其他电池的连接回路。如图2所示,在单节电池上组装TE PPTC或者MHP-TA系列产品,当内短路发生时TE保护器件可以有效地阻断内短路电池与模组内其他电池的联系,防止恶性事故的发生。对于单体电池数量大的动力电池组,配组时对电池及器件内阻一致性要求较高,而MHP-TA由于其内部双金属结构,器件电阻的一致性非常好, 可以极大地满足对于电池内阻的要求。

图2:电池内短路保护解决方案

锂离子动力电池的系统组成及实际路况复杂,被动器件的防护是必不可少的。

锂离子电池 - 市场需求

锂离子电池需求情况重点考察手机和笔记本两大下游的情况。2013年前5个月国内的手机总产量为5.58亿部,同比增长22.02%,其中5月产量为1.23亿部,同比增长32.80%。手机市场的需求情况较好。同期,国内笔记本计算机的总产量为9526.38万台,同比增长3.86%,其中5月产量为1756.34万台,同比减少8.12%。笔记本市场的总体表现比较一般。鉴于手机市场的较好表现,我们认为2013年全年锂电池行业的需求有望总体维持稳定增长。

2014年上半年,中国锂离子电池行业(包括电池、正负极材料、隔膜、电解液及专用设备等)保持稳定发展,全行业总产值接近400亿元人民币,产业格局和新技术应用出现亮点。
产业规模稳定增长[1]

2014年上半年锂离子电池产量约145亿瓦时,销售收入约277亿元,同比增长约8%。正负极材料、隔膜、电解液及关键设备与电池产量维持同步增长,销售收入接近100亿元。


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