电池百科

锂离子电池的概述及工作原理

来源：互联网作者：Blue Taiyang浏览次数：1730发布时间：2022-04-20 20:35:00

锂离子二次电池的概况
锂离子电池的优点
1、高能量密度∶ 100 Wh/Kg以上，为镍镉电池的三倍，镍氢电池的两倍;
2、电压平台高∶3.6 V，镍基电池为1.2 V;
3、低温下工作优∶在-20～60℃的温度范围内工作，低温下的工作优于其它电池;
4、低维护性∶没有记忆效应，无需定期放电，最理想的保存方式，就是在 40%充电后冷藏保存，可以保存达十年之久;
5、低自放电率∶ 小于6%/月;
6、长循环寿命（>1000次，100%DOD）;
7、环保∶无重金属，无污染。

锂离子电池的缺点
1、安全性能问题∶需复杂的保护线路 ;
2、易于老化∶存储的锂离子电池照样会容量衰竭;
3、价格昂贵。

锂离子电池的种类
根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为
1、液态锂离子电池（lithium ion battery，简称为LIB）
2、聚合物锂离子电池（polymer lithium ion battery，简称为 LIP)
相同点∶液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。
区别∶主要区别在于电解质的不同，锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是"干态"的，也可以是"胶态"的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。

锂离子电池的工作原理
以LiCoO，体系的锂离子二次电池为例说明其工作原理。一般，锂离子二次电池是由正极、电解液、隔膜以及负极构成。充电时，正极中的锂离子从LiCoO，层状结构中脱出，Co元素的化合价由+Ⅲ升高到+Ⅳ，正极材料发生氧化反应，同时锂离子经过电解液迁移到电池的负极，在负极碳材料的层状结构内和碳化合生成 LiCx。电池在接上负载时，则两电极上所发生的反应分别为充电时发生反应的逆反应。隔膜位于正负反应电极之间，隔膜可以透过离子，但却不允许电子透过，同时当电池正负极发生一定程度的微短路时，隔膜还起到阻断保护作用。

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。
锂离子电池比较骄贵。如果不满足其充电及使用要求，很容易出现爆炸，寿命下降等现象。因为锂离子电池对温度、过压、过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均集成了热敏电阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放电保护电路。

离子电池的充电原理
Iconst∶恒流充电电流;
Ipre ∶预充电电流
Ifull∶充满判断电流;
Vconst∶恒压充电电压;
Vmin∶预充结束电压及短路判断电压

锂离子电池的充电过程分∶
预充电阶段 ;
恒流充电阶段-1C
恒压充电阶段4.1v-4.2v

预充电阶段
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。

恒流充电阶段
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。

恒压充电阶段
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。恒压充电阶段要求电压控制精度为1%。依国家标准，锂离子电池要能在1C的充电电流下，可以循环充放电500次以上。依一般的电池使用三天一充。这样电池的寿命应在4年。
当没电的电池插在这种充电器上时，充电器即以最大的电流为电池充电。如果在锂离子电池最虚弱的低压时（低于2.5V）就以大电流冲击，将会严重损害电池的寿命。
另外，这类的充电器均为直接市电220V接入，转换为5V的低压直流。因为转换效率低下，会产生大量的热。热量直接叠加在了电池上，使电池温度过高，这对电池有很大损害

锂离子电池的充电方法
标准充电∶在环境温度20±5 ℃的条件下，以0.5C5A恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压 4.20V时，改为恒压充电，直到充电电流小于10mA ，停止充电。
快速充电∶在环境温度20±5 ℃的条件下，以1C5A 恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压 4.2V 时，改为恒压充电，直到充电电流小于10mA ，停止充电。

锂离子电池的放电特性
在较高放电率下（1.0 C以上），虽然放电电压有所下降，但截止到2.5V终止电压时的放电容量却降低很少。

锂离子电池的高温性能
电池充电结束后，将电池放入60±2 ℃ 的高温箱中恒温2h ，然后以1C5A电流恒流放电至2.75V。放电时间不小于54分钟。后将电池取出在环境温度 20±5℃ 的条件下搁置2h，电池外观无变形、无爆裂。

锂离子电池的低温特性
电池充电结束后，将电池放入-10±2 ℃ 的低温箱中恒温2h后，以0.5C5A电流恒流放电至终止电压2.75V。放电时间不小于1.8h。后将电池取出在环境温度20±5℃的条件下搁置2h ，电池外观无变形、无爆裂。

在环境温度20±C的条件下，以1C5A恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到，直到充电电流为 10±5mA，停止充电;搁置0.5h - 1h ，然后以1C5A电流恒流放电至2.75V,搁置0.5h~1h ，再进行下一个充放电循环。直至连续两次放电容量小于 80%的1C5A放电容量，认为寿命终止，循环寿命不小
于300次。

锂离子电池的安全评估
利用恒定电流持续给电芯充电，设定固定电压上限。电芯内部在负极上产生螺离子枝晶，刺穿隔膜是通过该试验最大的威胁。
用小电阻的导线直接连接正负极，使电池形成超大电流回路，电池内部快速升温