鋰離子電知識(shí)

采用含有鋰元素的材料作為電極的電池。它是現(xiàn)代高性能電池的代表。

名詞簡介

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。

鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆：

（1）鋰電池：存在鋰單質(zhì)。

（2）鋰離子聚合物電池：用多聚物取代液態(tài)有機(jī)溶劑。

組成部分

鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列：

（1）正極——活性物質(zhì)一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，現(xiàn)在又出現(xiàn)了鎳鈷錳酸鋰材料，電動(dòng)自行車則用磷酸鐵鋰，導(dǎo)電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

（2）隔膜——一種特殊的復(fù)合膜，可以讓離子通過，但卻是電子的絕緣體。

（3）負(fù)極——活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳，導(dǎo)電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

（4）有機(jī)電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液。

（5）電池外殼——分為鋼殼（現(xiàn)在方型很少使用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池使用）、鋁塑膜（軟包裝）等，還有電池的蓋帽，也是電池的正負(fù)極引出端。

作用機(jī)理

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。

工作狀態(tài)和效率

鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，好的電池，每月在2%以下（可恢復(fù)）。沒有記憶效應(yīng)。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%，而且輸出功率大。使用壽命長。不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。

充電

充電是電池重復(fù)使用的重要步驟，鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段：恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會(huì)過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到設(shè)定的值，而最終完成充電。電量統(tǒng)計(jì)芯片通過記錄放電曲線可以抽樣計(jì)算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后，放電曲線會(huì)發(fā)生改變，鋰離子電池雖然不存在記憶效應(yīng)，但是充、放電不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響電池性能。

充電注意事項(xiàng)

鋰離子電池過度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過程中鋰離子無法插入；過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。

充電量等于充電電流乘以充電時(shí)間，在充電控制電壓一定的情況下，充電電流越大（充電速度越快），充電電量越小。電池充電速度過快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng)，同樣會(huì)造成電池容量不足，實(shí)際是電池的部分電極活性物質(zhì)沒有得到充分反應(yīng)就停止充電，這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

放電

第一次充放電，如果時(shí)間能較長(一般3至4小時(shí)足夠)，那么可以使電極盡可能多的達(dá)到最高氧化態(tài)（充足電），放電（或使用）時(shí)則強(qiáng)制放到規(guī)定的電壓、或直至自動(dòng)關(guān)機(jī)，如此能激活電池使用容量。

但在鋰離子電池的平常使用中，不需要如此操作，可以隨時(shí)根據(jù)需要充電，充電時(shí)既不必要一定充滿電為止，也不需要先放電。像首次充放電那樣的操作，只需要每隔3至4個(gè)月進(jìn)行連續(xù)的1至2次即可。

化學(xué)解析

概述：和所有化學(xué)電池一樣，鋰離子電池也由三個(gè)部分組成：正極、負(fù)極和電解質(zhì)。電極材料都是鋰離子可以嵌入(插入)/脫嵌(脫插)的。

正極：正極材料，如上文所述，可選的正極材料很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對(duì)照：

正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。充電時(shí)：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi+xe放電時(shí)：Li1-xFePO4+xLi+xe→LiFePO4

負(fù)極：負(fù)極材料，多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。

負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫插，充電時(shí)鋰離子插入。充電時(shí)：xLi+xe+6C→LixC6放電時(shí)：LixC6→xLi+xe+6C

電解質(zhì)溶液

溶質(zhì)：常采用鋰鹽，如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)。溶劑：由于電池的工作電壓遠(yuǎn)高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機(jī)溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機(jī)溶劑常常在充電時(shí)破壞石墨的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solidelectrolyteinterphase，SEI)導(dǎo)致電極鈍化。有機(jī)溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。

主要優(yōu)點(diǎn)

（1）電壓高：單體電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍。

（2）比能量大：目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量（3至4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理論值的約88%。

（3）循環(huán)壽命長：一般均可達(dá)到500次以上,甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達(dá)到2000次以上。對(duì)于小電流放電的電器,電池的使用期限，將倍增電器的競爭力。

（4）安全性能好：無公害,無記憶效應(yīng)。作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。

（5）自放電小：室溫下充滿電的Li-ion儲(chǔ)存1個(gè)月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。

（6）可快速充放電：1C充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上，現(xiàn)在磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到標(biāo)稱容量的90%。

（7）工作溫度范圍高，工作溫度為-25~45°C，隨著電解液和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-40~70°C。

鋰離子電池的使用

（1）如何為新電池充電

在使用鋰電池中應(yīng)注意的是，電池放置一段時(shí)間后則進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)容量低于正常值，使用時(shí)間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活，只要經(jīng)過３—５次正常的充放電循環(huán)就可激活電池，恢復(fù)正常容量。由于鋰電池本身的特性，決定了它幾乎沒有記憶效應(yīng)。因此用戶手機(jī)中的新鋰電池在激活過程中，是不需要特別的方法和設(shè)備的。

對(duì)于鋰電池的“激活”問題，眾多的說法是：充電時(shí)間一定要超過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”的說法，明顯是從鎳電池（如鎳鎘和鎳氫）延續(xù)下來的說法。所以這種說法，可以說一開始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區(qū)別，而且可以非常明確的告訴大家，我所查閱過的所有嚴(yán)肅的正式技術(shù)資料都強(qiáng)調(diào)過充和過放電會(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12個(gè)小時(shí)的超長充電（充電器顯示充滿即可）。

此外，鋰電池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。也就是說，如果你的鋰電池在充滿后，放在充電器上也是白充。而我們誰都無法保證電池的充放電保護(hù)電路的特性永不變化和質(zhì)量的萬無一失，所以你的電池將長期處在危險(xiǎn)的邊緣徘徊。這也是我們反對(duì)長充電的另一個(gè)理由。

此外，不可忽視的另外一個(gè)方面就是鋰電池同樣也不適合過放電，過放電對(duì)鋰電池同樣也很不利。

（2）正常使用中應(yīng)該何時(shí)開始充電

經(jīng)常可以見到這種說法，因?yàn)槌浞烹姷拇螖?shù)是有限的，所以應(yīng)該將手機(jī)電池的電盡可能用光再充電，其實(shí)鋰電池的壽命與這無關(guān)。下面可以舉例一個(gè)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：

循環(huán)壽命(10%DOD):>1000次

循環(huán)壽命(100%DOD):>200次

其中DOD是放電深度的英文縮寫。從表中可見，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的要長很多。當(dāng)然如果折合到實(shí)際充電的相對(duì)總?cè)萘浚?0%*1000=100，100%*200=200，后者的完全充放電還是要比較好一些，但前面網(wǎng)友的那個(gè)說法要做一些修正：在正常情況下，你應(yīng)該有保留地按照電池剩余電量用完再充的原則充電，但假如你的電池在你預(yù)計(jì)第2天不可能堅(jiān)持整個(gè)白天的時(shí)候，就應(yīng)該及時(shí)開始充電，當(dāng)然你如果愿意背著充電器到辦公室又當(dāng)別論。

電池剩余電量用完再充的原則并不是要你走向極端。和長充電一樣流傳甚廣的一個(gè)說法，就是“盡量把電池的電量用完”。這種做法其實(shí)只是鎳電池上的做法，目的是避免記憶效應(yīng)發(fā)生，不幸的是它也在鋰電池上流傳之今。曾經(jīng)有人因?yàn)槭謾C(jī)電池電量過低的警告出現(xiàn)后，仍然不充電繼續(xù)使用一直用到自動(dòng)關(guān)機(jī)的例子。結(jié)果這個(gè)例子中的手機(jī)在后來的充電及開機(jī)中均無反應(yīng)，不得不送客服檢修。這其實(shí)就是由于電池因過度放電而導(dǎo)致電壓過低，以至于不具備正常的充電和開機(jī)條件造成的。

個(gè)人建議手機(jī)鋰離子電池不要充得太滿也不要用到?jīng)]電，電池沒用完電就充電，不會(huì)對(duì)電池造成傷害，充電以2-3小時(shí)以內(nèi)為宜，不一定非要充滿。但應(yīng)該每隔3至4個(gè)月左右，對(duì)鋰電池進(jìn)行1--2次完全的充滿電（正常充電時(shí)間）和放完電。

長期不用的鋰電池，應(yīng)該存放在陰涼偏干燥的地方，以半電狀態(tài)（滿電電量的70--80%，假如你的手機(jī)滿電時(shí)顯示4格，那么3格即可）最好，滿電存放有危險(xiǎn)且電池會(huì)有損害，無電存放電池會(huì)被破壞。每隔3至6個(gè)月，檢查一次是否要補(bǔ)充電。

鋰離子電池按電解液分可以分成液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池，聚合物鋰離子電池的電解液是膠體，不會(huì)流動(dòng)，所以不存在泄漏問題，更加安全。

保養(yǎng)須知

充電時(shí)不得高于最大充電電壓，放電時(shí)不得低于最小工作電壓。

無論任何時(shí)間鋰離子電池都必須保持最小工作電壓以上,低電壓的過放或自放電反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致鋰離子活性物質(zhì)分解破壞，并不一定可以還原。

鋰離子電池任何形式的過充都會(huì)導(dǎo)致電池性能受到嚴(yán)重破壞，甚至爆炸。鋰離子電池在充電過程必需避免對(duì)電池產(chǎn)生過充。

不要經(jīng)常深放電、深充電。不過，每經(jīng)歷約30個(gè)充電周期后，電量檢測芯片會(huì)自動(dòng)執(zhí)行一次深放電、深充電，以準(zhǔn)確評(píng)估電池的狀態(tài)。

避免高溫，輕則縮短壽命，嚴(yán)重者可引發(fā)爆炸。如有條件可儲(chǔ)存于冰箱。筆記本電腦如果正在使用交流電，請(qǐng)拔除鋰離子電池條，以免受到電腦產(chǎn)熱的影響。

避免凍結(jié)，但多數(shù)鋰離子電池電解質(zhì)溶液的冰點(diǎn)在-40℃，不容易凍結(jié)。

如果長期不用，請(qǐng)以40％～60％的充電量儲(chǔ)存。電量過低時(shí)，可能因自放電導(dǎo)致過放。

由于鋰離子電池不使用時(shí)也會(huì)自然衰老，因此，購買時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要量選購，不宜過多購入