鋰電池的工作原理？

【專家解說】：鋰離子電池的基本知識(shí) 便攜式電子產(chǎn)品以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，各種電池的用量大增，并且開發(fā)出許多新型電池。除大家較熟悉的高性能堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來開發(fā)的鋰電池。這里主要介紹有關(guān)鋰電池的基本知識(shí)。這包括它的特性、主要參數(shù)、型號(hào)的意義、應(yīng)用范圍及使用注意事項(xiàng)等。 鋰是一種金屬元素，其化學(xué)符號(hào)為L(zhǎng)i(其英文名為lithium)，是一種銀白色、十分柔軟、化學(xué)性能活潑的金屬，在金屬中是最輕的。它除了應(yīng)用于原子能工業(yè)外，可制造特種合金、特種玻璃(電視機(jī)上用的熒光屏玻璃)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(xué)能一次性地轉(zhuǎn)化為電能，不能將電能還原回化學(xué)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(zhuǎn)變成化學(xué)能儲(chǔ)存起來，在使用時(shí)，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，它是可逆的，如電能化學(xué)能鋰電池的主要特點(diǎn)。 鋰電池的最大特點(diǎn)是比能量高。什么是比能量呢?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(shí)；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。這里舉一個(gè)例來說明：5號(hào)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2V×08Ah)。同樣尺寸的5號(hào)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(jié)5號(hào)鎳鎘電池約重23g，而一節(jié)5號(hào)鋰－二氧化錳電池約重18g。一節(jié)鋰－二氧化錳電池為3V，而兩節(jié)鎳鎘電池才2.4V。所以采用鋰電池時(shí)電池?cái)?shù)量少(使便攜式電子產(chǎn)品體積減小、重量減輕)，并且電池的工作壽命長(zhǎng)。 另外鋰電池具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)及無公害等優(yōu)點(diǎn)。 鋰電池的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，所以目前尚不能普遍應(yīng)用，主要應(yīng)用于掌上計(jì)算機(jī)、PDA、通信設(shè)備、照相機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、魚雷、儀器等。隨著技術(shù)的發(fā)展、工藝的改進(jìn)及生產(chǎn)量的增加，鋰電池的價(jià)格將會(huì)不斷地下降，應(yīng)用上也會(huì)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它化合物電池。本文僅介紹最常用的。 1鋰－二氧化錳電池(LiMnO2) 鋰－二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，并采用有機(jī)電解液的一次性電池。該電池的主要特點(diǎn)是電池電壓高，額定電壓為3V(是一般堿性電池的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(wěn)定可靠；有較好的儲(chǔ)存性能(儲(chǔ)存時(shí)間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤2％)；工作溫度范圍－20℃～＋60℃。 該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長(zhǎng)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。上圖就是日本產(chǎn)萬勝鋰－二氧化錳電池，3伏電壓，不可充電，單節(jié)體積15x40毫米?？沙潆婁囯x子電池 可充電鋰離子電池是目前手機(jī)中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢)。因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p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(nèi)，目前各大半導(dǎo)體器件廠已開發(fā)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(xiàn)在手機(jī)已十分普遍，手機(jī)中一部分是鎳氫電池，但靈巧型的手機(jī)則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對(duì)延長(zhǎng)電池壽命是十分重要的。鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰電池，它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長(zhǎng)方形、圓柱形、長(zhǎng)方形及扣式，并且有由幾個(gè)電池串聯(lián)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(chǎn)品為3.7V)。充滿電時(shí)的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)：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(nèi)阻也不同，焦炭陽極的內(nèi)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?，F(xiàn)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范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同)。低于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過放，過放對(duì)電池會(huì)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(shí)會(huì)降低放電時(shí)間(內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產(chǎn)工廠給出最大放電電流，在使用中應(yīng)小于最大放電電流。 鋰離子電池對(duì)溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍。 鋰離子電池對(duì)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(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議，并要求有限流電路以免發(fā)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(shí)往往要檢測(cè)電池溫度，以防止過熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。 鋰離子電池充電分為兩個(gè)階段：先恒流充電，到接近終止電壓時(shí)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(shí)電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí)，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(shí)，認(rèn)為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到1/10C后啟動(dòng)定時(shí)器，過一定時(shí)間后結(jié)束充電)。 鋰離子電池在充電或放電過程中若發(fā)生過充、過放或過流時(shí)，會(huì)造成電池的損壞或降低使用壽命。 應(yīng)用注意事項(xiàng): 鋰離子電池應(yīng)用注意事項(xiàng)除與上述不可充電的鋰電池相同外，在充電方面還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：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(shí)注意的是4.1V的電池不能用4.2V的充電器充電，否則會(huì)有過充的危險(xiǎn)(4.1V與4.2V的充電器用的充電器IC是不同的!)。 2. 對(duì)電池充電時(shí)，其環(huán)境溫度不能超過產(chǎn)品特性表中所列的溫度范圍。3. 不能反向充電。4. 不能用充鎳鎘電池的充電器(充三節(jié)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(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 1. 鋰離子電池放電電流不能超過產(chǎn)品特性表中給出最大放電電流。放電電流較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的溫度(損耗能量)，減少放電時(shí)間，若電池中無保護(hù)元件會(huì)產(chǎn)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(shí)間也不同。在-20℃放電時(shí)情況最差。 在貯存方面： 1. 電池若長(zhǎng)期貯存，要保持在50%放電態(tài)。 2. 電池應(yīng)保存在低溫、干燥壞境中。 3. 要遠(yuǎn)離熱源，也不要置于陽光直射的地方。 形象的工作原理比喻：現(xiàn)在將鋰離子電池原理和充放電機(jī)理，用生活中常見的泡沫現(xiàn)象來比喻。鋰離子電池如同 一堆肥皂泡沫，泡內(nèi)儲(chǔ)存的就是電能。當(dāng)充電時(shí)，汽泡會(huì)隨著充電時(shí)間加長(zhǎng)而不斷增大，當(dāng)超過其極限值時(shí)汽泡就會(huì)破裂，此時(shí)即損壞了鋰電晶型，造成永久性損壞。 當(dāng)過度放電則會(huì)造成汽泡塌陷、消失，這樣下次充電時(shí)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(hù)電路加以嚴(yán)格控制。 當(dāng)然，優(yōu)質(zhì)的電芯和精確的控制電路可大大地延長(zhǎng)電池的使用壽命。 站長(zhǎng)最喜歡用的就是鋰離子電池，鋰電池自放電小，容量大，性能優(yōu)越。站長(zhǎng)曾經(jīng)對(duì)一塊全新的富士通筆記本用10.8V/2.4AH鋰電池（就是下圖的鋰電池，電芯為松下共6節(jié)2并3串）做過放電測(cè)試，放電負(fù)載為6寸液晶監(jiān)視器，工作電流780毫安，測(cè)試結(jié)果如下：時(shí)間T 端電壓V 6：40 12.00 6：52 11.83 7：20 11.43 7：56 11.16 8：23 11.00 8：50 10.92 9：10 10.84 9：35 10.55 9: 46 9.85 9: 52 9.00 放電足足維持3個(gè)小時(shí)！可以看出這組電池的性能確實(shí)非常棒！容量非常實(shí)足！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(diào)穩(wěn)壓電路。Q2、W2、R2構(gòu)成可調(diào)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，待電池充滿后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(qǐng)?jiān)谥甘緹粝绾罄^續(xù)充電1～2小時(shí)，使用時(shí)需要在Q2、Q3裝適當(dāng)大小的散熱片。