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。這堨D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/kgWh/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)。這媮|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(1P2V×0P8Ah)。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!
  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。
  1P鋰-二氧化錳電池(LiQMnO2)
  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);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:先甯y充電,到接近終止電壓時改為睎ㄔR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)甯y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睎ㄔR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。

 

 

 

 

這是一種甯y睎ㄙ瑣Y電池充電控制板,圖中Q1R1W1TL431組成精密可調穩壓電路。Q2W2R2構成可調甯y電路。Q3R3R4R5LED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12小時,使用時需要在Q2Q3裝適當大小的散熱片。

 

 

轉錄自:  http://www.xie-gang.com/ldc.htm