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)展，并廣泛地應用于社會。鋰離子電池以其它電 池所不可比擬的優(yōu)勢迅速占領了許多領域，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)的方式實現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過鋰離子在層壯物質(zhì)的晶體中的出入，發(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)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極往返出入，正像搖椅一樣在正負極間搖來搖去，故有人將鋰離子電池形象稱為搖椅電池。
我們經(jīng)常說的鋰離子電池的優(yōu)越性是針對于傳統(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)壽命長自放電率低無記憶效應等優(yōu)點。
鋰離子電池包含兩個被電解質(zhì)阻隔的電極。電解質(zhì)是一種離子導體和電子絕緣體。在放電過程中，電池將化學能轉(zhuǎn)化為電能。電池包中可以包含幾個或者平行串聯(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)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)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電壓是相關的。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)轉(zhuǎn)移到陰極能量較低的狀態(tài)。
電池依靠其電化學活性物質(zhì)來儲存化學能。這些能量可以按照需求通過氧化還原反應來轉(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)。
陽極：在放電過程中電子通過外電路轉(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)：電解質(zhì)是一個離子導體，電子的不良導體。電解質(zhì)阻隔電池的陰陽極，同時能提供電子轉(zhuǎn)移的媒介。電解質(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)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)然后插層到石墨層之中。
B. 放電過程
在放電過程中，負極發(fā)生氧化反應，鋰離子從陽極脫出然后穿過電解質(zhì)重新插層到陰極之中。對應的，相應數(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)生還原反應。電極和電解質(zhì)界面發(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)構(gòu)中，而不會破壞宿主材料的結(jié)構(gòu)
（1）、誤區(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。經(jīng)過抽樣調(diào)查，可以看出有相當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)別，所查閱過的所有嚴肅的正式技術(shù)資料都強調(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。通常，手機說明書上介紹的充電方法，就是適合該手機的標準充電方法。
（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)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極造成永久的損壞，從分子層面看，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。
（3）、電池壽命
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(jù)列出如下(DOD是放電深度的英文縮寫)：
循環(huán)壽命 (10％DOD)：> 1000次
循環(huán)壽命 (100％DOD)：> 200次
從上面數(shù)據(jù)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?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)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)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)、放電次數(shù)等數(shù)值。這些數(shù)值在使用中會逐漸變化。使用說明中的“使用一個月左右應該全充放一次”的做法主要的作用應該就是修正這些寄存器里不當 的值。
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