浅谈锂离子电池充放电

浅谈锂离子电池充放电

【摘要】本文浅析了锂离子电池充放电的原理，及其对电池寿命的影响。

【关键词】锂离子电池；充放电深度

0.引言

锂离子电池因其端电压高、比能量大、充放电寿命长、放电性能稳定、自放电率低和无污染等优点[1-2]，得到了广泛的应用。在日常生活的使用中，超长时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏。从分子层面看，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，而过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，使得其中一些锂离子再也无法释放出来。因此对锂离子电池充放电过程的研究，有助于对锂电池进行合理的充电控制、对锂电池质量检测及延长锂电池的使用寿命等。

1.锂离子电池的充放电原理

目前锂电池公认的基本原理是所谓的”摇椅理论”。锂电池的充放电不是通过传统的方式实现电子的转移，而是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入，发生能量变化。在正常充放电情况下，锂离子的出入一般只引起层间距的变化，而不会引起晶体结构的破坏，因此从充放电反映来讲，锂离子电池是一种理想的可逆电池。在充放电时锂离子在电池正负极往返出入，正像摇椅一样在正负极间摇来摇去，故有人将锂离子电池形象称为摇椅池。

电池由正极锂化合物、中间的电解质膜及负极碳组成。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。一般采用嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz等。电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）丙烯碳酸脂、（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的高分子材料。隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP 或它们复合膜。外壳采用钢或铝材料，具有防爆的功能。锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为 4.2V；锂离子电池终止放电电压为2.5V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继续使用，则称为过放电，对电池有损害。

锂离子电池的特性是通过其充放电过程中端电压的变化反映出来的。电池端电压的变化间接体现了电池的充放电容量、内阻、表面升温、充放电平台、电极极化程度、寿命等指标随时间变化的规律。因此，充放电电压特性一致的电池在电化学特性上具有很好的一致性[3]。利用电池的动态特性配组的结果也会相应不同。

锂离子电池的充电过程分三个阶段：预充电阶段；恒流充电阶段；恒压充电阶段。

预充电阶段是在电池电压低于3V时，电池不能承受大电流的充电。这时有必要以小电流对电池进行浮充；当电池电压达到3V时，电池可以承受大电流的充电了。这时应以恒定的大电流充电。以使锂离子快速均匀转移，这个电流值越大，对电池的充满及寿命越有利；当电池电压达到4.2V时，达到了电池承受电压的极限。这时应以4.2V的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于30mA时，电池即充满了。这时要停止充电。否则，电池因过充而降低寿命。这种先恒流后恒压的方法，是目前锂电池最常用的充电方法[4]。

2.锂离子电池充放电对寿命的影响

锂电池每一个“充电—放电”过程，称为一个充电循环。锂电池从工作开始，每个循环后的容量都会出现轻微下降，这是由电池的电极材料的性质决定的。

按照国家标准，当容量下降到额定容量的60%时，即认为电池寿命结束。通常锂电池寿命不小于500次循环，就是指500次充电循环后，容量不小于额定容量的60%。依一般的电池使用三天一充。这样电池的寿命应在 4 年。锂离子电池的最佳使用环境温度在10℃—30℃之间，在这个范围内使用，对手机电池的工作性能和使用寿命都比较好，在过冷或过热的环境中使用，都不利于手机电池发挥出最大效能，不会达到最长的通话或待机时间。尽量避免手机在0℃以下和40℃以上使用，在这个环境温度下，你会发现手机待机时间明显缩短，电池电量下降很快，长期这样使用，电池的寿命也会大大缩短。同理，在给锂离子电池充电时，环境温度也不宜过高或过低。温度过低会导致充电时间延长；温度过高影响电池的使用寿命。

超常时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。

这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化。使用说明中的”使用一个月左右应该全充放一次”的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当的值，使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况。

3.小结

锂离子电池作为新型化学电源的一种，比传统电源更多的优点，被广泛研究用于大型电动设备。决定锂离子电池的寿命的因素很多，其中最重要的是电池化学材料、充放电深度、电池温度。通过改善这些条件，可以有效的延长电池寿命，

使之有更长的使用期限。

【参考文献】

[1]郭炳焜，李新海，杨松青.化学电源-电池原理及制造技术[M].长沙：中南大学出版社，2000.

[2]郭炳焜，徐徽，王先友，et al.锂离子电池[M].长沙：中南大学出版社，2002.

[3]赵亚锋，冯广斌，张连武.蓄电池一致性配组研究[J].兵工自动化，2006，25（10）：71-72.

[4]Cope R C and Podrazhansky Y.The Art of Battery Charging.In：14th Annu. Battery Conf.Application and Advances，1999：233-235.