深度分析:锂离子电池简介(真收藏好文章系列)
锂离子电池广泛用于手机、笔记本等产品。
1. 锂离子电池介绍
锂离子电池是一种二次电池(充电电池),它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。
在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌,充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于负锂状态;放电时则相反。
锂离子电池电压范围2.8V~4.2V,典型电压3.7V,低于2.8V或者高于4.2V,电池都会有损坏风险。
2. 1C和0.1C的概念
电池容量的单位是mAh,C指的是电池充放电的倍率,比如一个2000mAh的电池,以1C放电指的是放电电流大小为2000mA,0.1C为200mA,充电也是同样的道理。
3. 锂离子电池的优缺点
锂离子电池的主要优点:
锂离子电池电压高,能量密度高;
循环寿命长,一般可循环500,甚至达到1000次以上;
自放电小,室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右;
可快速充电,1C充电时容量可以达到标称的80%;
工作温度范围宽,一般为-25~45°C,后面有望突破-40-70°C;
没有Ni-Cd、Ni-Mh一样的记忆效应,在充电前不比将剩余电量用完;
相比较Ni-Cd、Ni-Mh来说环保无污染(不含镉,汞等重金属);
锂离子电池的主要缺点:
成本高;
需要加保护电路板,包括过充和过放保护;
不能大电流放电,一般放电电流在0.5C以下,过大的电流导致电池内部发热;
安全性差,容易**、起火。
4. 锂电池和锂离子电池的区别
锂电池和锂离子电池是两个不同的概念,主要有如下的区别:
锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂;
锂离子电池是以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子;
锂电池也称一次锂电池,可以连续放电,也可以间歇放电,一旦电能耗尽便不能再用,不能进行充电;
锂离子电池也称二次锂电池,可以充放电;
5. 锂离子电池充电模式
锂离子电池理想充电模式被称为CC CV模式,即恒流 恒压模式。
如下的图形中,灰色为电池电压,绿色为充电电流,红色为电池容量。
在电池电压低时,电池以固定的恒定电流进行充电,当电池电压达到4.2V时,会由恒流模式切换到恒压模式,因为电池的电压不容许超过4.2V,所以**会逐渐减小充电电流,直到接近于0;当电池电压为4.2V,且充电电流为0,代表电池已充满电。
锂离子电池CC CV模式
为了保证电池的绝对安全,实际的充电模式会更细化,对于不确定的电池上来就按照恒流进行充电,会给电池造成更大的损坏。
测试模式,当电池电压低于2V时,会以很小的电流,对电池进行唤醒;
涓流充电,也叫预充模式,当电池电压处于2V~3V之间时,会以恒流充电的1/10或者1/20电流大小进行预充;
恒流充电,当电池电压升至3V以上时,会以恒流模式对电池快速充电;
恒压充电,当电池电压达到4.2V时,会以恒压模式对电池进行充电;
像TI的方案,在电池电压为4.2V,充电电流较低但不为0,约为恒流充电电流的1/10时,停止充电,这时候电池电压会降低到4.16V或者4.17V;
锂离子电池充电的三个阶段
6. 为什么锂离子电池充电截止电压是4.2V
下图是电池的循环寿命和充电截止电压的关系图,在电池最初的周期中,充电到略高的电压会得到更高的单周期电量,但只会存在一小段时间。
当电池的充电电压比推荐的4.2V最高电压还要高50mV或100mV时,由于每个周期都会略微过度充电,因此电池的老化速度会大大加快。
总结一句话就是:电池的充电截止电压高于4.2V,电压越高,循环寿命越短,且电池容量下降越快。
锂离子电池循环寿命和电池充电截止电压的关系
7. 锂离子电池放电曲线
如下是锂离子电池在不同放电电流下的放电曲线,可以看出:放电电流越大,电池的容量下降越快,容量越低,电池的标称容量使用越不充分。
电池容量越低时,电池的内阻相应会增加较多,比较大的电流进行放电时,内阻增长得比较快。
锂离子电池不同放电电流下的放电曲线
从不同温度下的电池放电曲线可以看出:温度越低,电池容量下降越快,放电越不充分。
电池的温度在0度以下,内部活性成分很弱,内阻会相应地变大;过高的温度对电池也有损坏。
锂离子电池不同温度下的放电曲线
8. 锂离子电池循环次数
在实际中,每当累积的放电容量等于设计容量时,则记为循环一次。
锂离子电池循环寿命
国标规定锂离子电池的循环寿命测试条件及要求: 在25度室温条件下以1C充电150分钟,以恒流1C的放电电流放到2.75V截止为一次循环。
当有一次放电时间小于36分钟时试验结束,循环次数必须大于300次。
这个定义规定了循环寿命的测试是以深充深放方式进行的;
规定了循环寿命按照这个模式执行后必须超过300次以后容量仍然有60%以上;
9. 锂离子电池工作电压范围
锂离子电池的工作电压有一个范围,不同电芯厂家制造会有所不同,但是差别不大。
锂离子电池电压范围
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