鋰離子電池的基本知識

攜帶型電子產品以電池作為電源。隨著攜帶型產品的迅猛發展，各種電池的用量大增，並且開發出許多新型電池。除大家較熟悉的高性能鹼性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來開發的鋰電池。這裏主要介紹有關鋰電池的基本知識。這包括它的特性、主要參數、型號的意義、應用範圍及使用注意事項等。
　　鋰是一種金屬元素，其化學符號為Li(其英文名為lithium)，是一種銀白色、十分柔軟、化學性能活潑的金屬，在金屬中是最輕的。它除了應用於原子能工業外，可製造特種合金、特種玻璃(電視機上用的螢光屏玻璃)及鋰電池。在鋰電池中它用作電池的陽極。
　　鋰電池也分成兩大類：不可充電的及可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池，它只能將化學能一次性地轉化為電能，不能將電能還原回化學能(或者還原性能極差)。而可充電的電池稱為二次性電池(也稱為蓄電池)。它能將電能轉變成化學能儲存起來，在使用時，再將化學能轉換成電能，它是可逆的，如電能化學能鋰電池的主要特點。
　　鋰電池的最大特點是比能量高。什麼是比能量呢?比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。這裏舉一個例來說明：5號鎳鎘電池的額定電壓為1.2V，其容量為800mAh，則其能量為0.96Wh(1杄2V×0杄8Ah)。同樣尺寸的5號鋰－二氧化錳電池的額定電壓為3V，其容量為1200mAh，則其能量為3.6Wh。這兩種電池的體積是相同的，則鋰－二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的3.75倍!
　　一節5號鎳鎘電池約重23g，而一節5號鋰－二氧化錳電池約重18g。一節鋰－二氧化錳電池為3V，而兩節鎳鎘電池才2.4V。所以採用鋰電池時電池數量少(使攜帶型電子產品體積減小、重量減輕)，並且電池的工作壽命長。
　　另外鋰電池具有放電電壓穩定、工作溫度範圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優點。
　　鋰電池的缺點是價格昂貴，所以目前尚不能普遍應用，主要應用於掌上電腦、PDA、通信設備、照相機、衛星、導彈、魚雷、儀器等。隨著技術的發展、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。不可充電的鋰電池
　　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他化合物電池。本文僅介紹最常用的。
　　1杄鋰－二氧化錳電池(Li拟MnO2)
　　鋰－二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，並採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(是一般鹼性電池的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％)；工作溫度範圍－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)。圓柱形的也有不同的直徑及高度尺寸。

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，並且有由幾個電池串聯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。現在使用的大部分是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範圍或給出終止放電電壓，各參數略有不同)。低於終止放電電壓繼續放電稱為過放，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，在使用中應小於最大放電電流。鋰離子電池對溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度範圍、放電溫度範圍及保存溫度範圍。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，並要求有限流電路以免發生過流(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後啟動計時器，過一定時間後結束充電)。鋰離子電池在充電或放電過程中若發生過充、過放或過流時，會造成電池的損壞或降低使用壽命。
　　應用注意事項:
　　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，其環境溫度不能超過產品特性表中所列的溫度範圍。
     3. 不能反向充電。
     4. 不能用充鎳鎘電池的充電器(充三節鎳鎘電池的)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。
     2. 電池應保存在低溫、乾燥壞境中。
     3. 要遠離熱源，也不要置於陽光直射的地方。

形象的工作原理比喻：

現在將鋰離子電池原理和充放電機理，用生活中常見的泡沫現象來比喻。鋰離子電池如同一堆肥皂泡沫，泡內儲存的就是電能。當充電時，汽泡會隨著充電時間加長而不斷增大，當超過其極限值時汽泡就會破裂，此時即損壞了鋰電晶型，造成永久性損壞。
　　當過度放電則會造成汽泡塌陷、消失，這樣下次充電時汽泡也充不起來，而造成鋰電失效。如何控制汽泡不充爆和汽泡不過度塌陷？就必須要用保護電路加以嚴格控制。當然，優質的電芯和精確的控制電路可大大地延長電池的使用壽命。

這是一種恒流恒壓的鋰電池充電控制板，圖中Q1、R1、W1、TL431組成精密可調穩壓電路。Q2、W2、R2構成可調恒流電路。Q3、R3、R4、R5、LED為充電指示電路。隨著被充電鋰電池電壓逐漸上升，充電電流將逐漸減小，待電池充滿後R4上的壓降不斷減小，最終使Q3截至，LED熄滅，為了保證電池能充足，請在指示燈熄滅後繼續充電1～2小時，使用時需要在Q2、Q3裝適當大小的散熱片。

轉錄自： http://www.xie-gang.com/ldc.htm