鋰電池原理-鋰電池的工作原理解析與注意事項(xiàng)-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-03-05
鋰離子電池自1990年問(wèn)世以來(lái)，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于社會(huì)。鋰離子電池以其它電 池所不可比擬的優(yōu)勢(shì)迅速占領(lǐng)了許多領(lǐng)域，象大家熟知的移動(dòng)電話、筆記本電腦、小型攝像機(jī)等等。
目前鋰電池公認(rèn)的基本原理是所謂的“搖椅理論”。鋰電池的沖放電不是通過(guò)傳統(tǒng)的方式實(shí)現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移，而是通過(guò)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(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此從沖放電反映來(lái)講，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。在沖放電時(shí)鋰離子在電池正負(fù)極往返出入，正像搖椅一樣在正負(fù)極間搖來(lái)?yè)u去，故有人將鋰離子電池形象稱為搖椅電池。
我們經(jīng)常說(shuō)的鋰離子電池的優(yōu)越性是針對(duì)于傳統(tǒng)的鎳鎘電池（Ni/Cd）和鎳氫電池（Ni/MH）來(lái)講的。 具有工作電壓高比能量大循環(huán)壽命長(zhǎng)自放電率低無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。
鋰離子電池包含兩個(gè)被電解質(zhì)阻隔的電極。電解質(zhì)是一種離子導(dǎo)體和電子絕緣體。在放電過(guò)程中，電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。電池包中可以包含幾個(gè)或者平行串聯(lián)的單個(gè)電池。
鋰離子電池是一種被人們熟知的rocking chair或者swing電池，因?yàn)槠湓诔浞烹娺^(guò)程中電荷媒介會(huì)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(fù)極端的壓力差被稱作為電壓或者電動(dòng)勢(shì)。通過(guò)外電路進(jìn)行電子轉(zhuǎn)移的自由能以及在兩個(gè)插層電極之間的鋰離子在兩端之間的化學(xué)電壓是相關(guān)的。電極的電勢(shì)越高，材料中的Li就越難遷出。在放電過(guò)程中，Li能夠從陽(yáng)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(xué)活性物質(zhì)來(lái)儲(chǔ)存化學(xué)能。這些能量可以按照需求通過(guò)氧化還原反應(yīng)來(lái)轉(zhuǎn)化為電能。
3.電池的組成
鋰離子電池一般包含三個(gè)主要成分：陽(yáng)極，陰極，電解質(zhì)。
陽(yáng)極：在放電過(guò)程中電子通過(guò)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(guò)金屬或者合金也可以作為陽(yáng)極材料。
陰極：在放電過(guò)程中，通過(guò)外電路接收電子；通常使用過(guò)渡金屬氧化物或者磷化物來(lái)作為陰極材料。
電解質(zhì)：電解質(zhì)是一個(gè)離子導(dǎo)體，電子的不良導(dǎo)體。電解質(zhì)阻隔電池的陰陽(yáng)極，同時(shí)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(jī)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(duì)隔膜和外殼的介紹。
4.鋰離子電池的充放電過(guò)程
A. 充電過(guò)程
電子一般在放電狀態(tài)進(jìn)行組裝。在充電過(guò)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(guò)電解質(zhì)然后插層到石墨層之中。
B. 放電過(guò)程
在放電過(guò)程中，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，鋰離子從陽(yáng)極脫出然后穿過(guò)電解質(zhì)重新插層到陰極之中。對(duì)應(yīng)的，相應(yīng)數(shù)量的電子會(huì)穿過(guò)外電路從而平衡電荷。與此同時(shí)，正極材料從外電路接收電子和來(lái)自溶液中的Li+離子從而發(fā)生還原反應(yīng)。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(jī)理的電池——可逆的插入一個(gè)外來(lái)離子到固體結(jié)構(gòu)中，而不會(huì)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(shí)以上”
對(duì)于鋰電池的“激活”問(wèn)題，眾多的說(shuō)法是：充電時(shí)間一定要超過(guò)12小時(shí)，反復(fù)做三次，以便激活電池。這種“前三次充電要充 12小時(shí)以上”的說(shuō)法，明顯是從鎳電池（如鎳鎘和鎳氫）延續(xù)下來(lái)的說(shuō)法。所以這種說(shuō)法，可以說(shuō)一開(kāi)始就是誤傳。經(jīng)過(guò)抽樣調(diào)查，可以看出有相當(dāng)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(guò)的所有嚴(yán)肅的正式技術(shù)資料都強(qiáng)調(diào)過(guò)充和過(guò)放電會(huì)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)時(shí)間和標(biāo)準(zhǔn)方法充電，特別是不要進(jìn)行超過(guò)12個(gè)小時(shí)的超長(zhǎng)充電。通常，手機(jī)說(shuō)明書(shū)上介紹的充電方法，就是適合該手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)充電方法。
（2）、 不益長(zhǎng)時(shí)間充電、電池完全用完再充電
鋰電池的手機(jī)或充電器在電池充滿后都會(huì)自動(dòng)停充，并不存在鎳電充電器所謂的持續(xù)10幾小時(shí)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(shí)間充電和完全用空電量會(huì)造成過(guò)度充電和過(guò)度放電，將對(duì)鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞，從分子層面看，過(guò)度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過(guò)度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過(guò)度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)里去，而使得其中一些鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。
（3）、電池壽命
關(guān)于鋰離子電池充放電循環(huán)的實(shí)驗(yàn)表，關(guān)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(jiàn)，可充電次數(shù)和放電深度有關(guān)，10％DOD時(shí)的循環(huán)壽命要比100％DOD的要長(zhǎng)很多。當(dāng)然 如果折合到實(shí)際充電的相對(duì)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(gè)周期是一個(gè)絕對(duì)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(gè)剛好是 一個(gè)充電周期。所以還是遵循鋰電池發(fā)明者的口號(hào)“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(jìn)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(huì)逐漸變化。使用說(shuō)明中的“使用一個(gè)月左右應(yīng)該全充放一次”的做法主要的作用應(yīng)該就是修正這些寄存器里不當(dāng) 的值。
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