鋰離子電池的概述及工作原理

鋰離子二次電池的概況
鋰離子電池的優(yōu)點
1、高能量密度∶ 100 Wh/Kg以上，為鎳鎘電池的三倍，鎳氫電池的兩倍; 
2、電壓平臺高∶3.6 V，鎳基電池為1.2 V;
3、低溫下工作優(yōu)∶在-20～60℃的溫度范圍內(nèi)工作，低溫下的工作優(yōu)于其它電池;
4、低維護(hù)性∶沒有記憶效應(yīng)，無需定期放電，最理想的保存方式，就是在 40%充電后冷藏保存，可以保存達(dá)十年之久; 
5、低自放電率∶ 小于6%/月;
6、長循環(huán)壽命（>1000次，100%DOD）; 
7、環(huán)?！脽o重金屬，無污染。
 
鋰離子電池的缺點
1、安全性能問題∶需復(fù)雜的保護(hù)線路 ; 
2、易于老化∶存儲的鋰離子電池照樣會容量衰竭; 
3、價格昂貴。
 
鋰離子電池的種類
根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為 
1、液態(tài)鋰離子電池（lithium ion battery，簡稱為LIB） 
2、聚合物鋰離子電池（polymer lithium ion battery，簡稱為 LIP)
相同點∶液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用LiCoO2，負(fù)極使用各種碳材料如石墨，同時使用鋁、銅做集流體。
區(qū)別∶主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同，鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質(zhì)來代替，這種聚合物可以是"干態(tài)"的，也可以是"膠態(tài)"的，目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。
 
 鋰離子電池的工作原理
以LiCoO，體系的鋰離子二次電池為例說明其工作原理。一般，鋰離子二次電池是由正極、電解液、隔膜以及負(fù)極構(gòu)成。充電時，正極中的鋰離子從LiCoO，層狀結(jié)構(gòu)中脫出，Co元素的化合價由+Ⅲ升高到+Ⅳ，正極材料發(fā)生氧化反應(yīng)，同時鋰離子經(jīng)過電解液遷移到電池的負(fù)極，在負(fù)極碳材料的層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)和碳化合生成 LiCx。電池在接上負(fù)載時，則兩電極上所發(fā)生的反應(yīng)分別為充電時發(fā)生反應(yīng)的逆反應(yīng)。隔膜位于正負(fù)反應(yīng)電極之間，隔膜可以透過離子，但卻不允許電子透過，同時當(dāng)電池正負(fù)極發(fā)生一定程度的微短路時，隔膜還起到阻斷保護(hù)作用。
 
鋰離子電池的額定電壓為3.6V。電池充滿時的電壓（稱為終止充電電壓）一般為4.2V;鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。如果鋰離子電池在使用過程中電壓已降到2.5V后還繼續(xù)使用，則稱為過放電，對電池有損害。
鋰離子電池比較驕貴。如果不滿足其充電及使用要求，很容易出現(xiàn)爆炸，壽命下降等現(xiàn)象。因為鋰離子電池對溫度、過壓、過流及過放電很敏感，所以所有的電池內(nèi)部均集成了熱敏電阻（監(jiān)控充電溫度）及防過壓、過流、過放電保護(hù)電路。
 
 離子電池的充電原理
Iconst∶恒流充電電流; 
Ipre ∶預(yù)充電電流 
Ifull∶充滿判斷電流;
Vconst∶恒壓充電電壓; 
Vmin∶預(yù)充結(jié)束電壓及短路判斷電壓
 
鋰離子電池的充電過程分∶
預(yù)充電階段 ;
恒流充電階段-1C
恒壓充電階段4.1v-4.2v
 
預(yù)充電階段
預(yù)充電階段是在電池電壓低于3V時，電池不能承受大電流的充電。這時有必要以小電流對電池進(jìn)行浮充。
 
恒流充電階段
當(dāng)電池電壓達(dá)到3V時電池可以承受大電流的充電了。這時應(yīng)以恒定的大電流充電。以使鋰離子快速均勻轉(zhuǎn)移，這個電流值越大，對電池的充滿及壽命越有利。
 
恒壓充電階段
當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時，達(dá)到了電池承受電壓的極限。這時應(yīng)以 4.2V的電壓恒壓充電。這時充電電流逐漸降低。當(dāng)充電電流小于 30mA時，電池即充滿了。這時要停止充電。否則，電池因過充而降低壽命。恒壓充電階段要求電壓控制精度為1%。依國家標(biāo)準(zhǔn)，鋰離子電池要能在1C的充電電流下，可以循環(huán)充放電500次以上。依一般的電池使用三天一充。這樣電池的壽命應(yīng)在4年。
當(dāng)沒電的電池插在這種充電器上時，充電器即以最大的電流為電池充電。如果在鋰離子電池最虛弱的低壓時（低于2.5V）就以大電流沖擊，將會嚴(yán)重?fù)p害電池的壽命。
另外，這類的充電器均為直接市電220V接入，轉(zhuǎn)換為5V的低壓直流。因為轉(zhuǎn)換效率低下，會產(chǎn)生大量的熱。熱量直接疊加在了電池上，使電池溫度過高，這對電池有很大損害
 
鋰離子電池的充電方法
標(biāo)準(zhǔn)充電∶在環(huán)境溫度20±5 ℃的條件下，以0.5C5A恒流充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓 4.20V時，改為恒壓充電，直到充電電流小于10mA ，停止充電。
快速充電∶在環(huán)境溫度20±5 ℃的條件下，以1C5A 恒流充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓 4.2V 時，改為恒壓充電，直到充電電流小于10mA ，停止充電。
 
鋰離子電池的放電特性
在較高放電率下（1.0 C以上），雖然放電電壓有所下降，但截止到2.5V終止電壓時的放電容量卻降低很少。
 
鋰離子電池的高溫性能
電池充電結(jié)束后，將電池放入60±2 ℃ 的高溫箱中恒溫2h ，然后以1C5A電流恒流放電至2.75V。放電時間不小于54分鐘。后將電池取出在環(huán)境溫度 20±5℃ 的條件下擱置2h，電池外觀無變形、無爆裂。
 
鋰離子電池的低溫特性
電池充電結(jié)束后，將電池放入-10±2 ℃ 的低溫箱中恒溫2h后，以0.5C5A電流恒流放電至終止電壓2.75V。放電時間不小于1.8h。后將電池取出在環(huán)境溫度20±5℃的條件下擱置2h ， 電池外觀無變形、無爆裂。
  
在環(huán)境溫度20±C的條件下，以1C5A恒流充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時，改為恒壓充電，直到，直到充電電流為 10±5mA，停止充電;擱置0.5h - 1h ，然后以1C5A電流恒流放電至2.75V,擱置0.5h~1h ，再進(jìn)行下一個充放電循環(huán)。直至連續(xù)兩次放電容量小于 80%的1C5A放電容量，認(rèn)為壽命終止，循環(huán)壽命不小
于300次。
 
鋰離子電池的安全評估
利用恒定電流持續(xù)給電芯充電，設(shè)定固定電壓上限。電芯內(nèi)部在負(fù)極上產(chǎn)生螺離子枝晶 ，刺穿隔膜是通過該試驗最大的威脅。
用小電阻的導(dǎo)線直接連接正負(fù)極，使電池形成超大電流回路，電池內(nèi)部快速升溫