鋰離子電池充放電性能實(shí)驗(yàn)的分析

陳燕鳳+苗鵬+宋振強(qiáng)

【摘 要】在數(shù)字電子化時(shí)代，各種智能終端設(shè)備用到電池越來越多，而鋰離子電池是目前一種高性能的化學(xué)電池，已得到普及應(yīng)用，如數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)，電車等都用到鋰離子電池。而影響鋰離子電池存儲(chǔ)能量的因素很多，如材料，溫度、內(nèi)阻都會(huì)影響到鋰離子電池的性能，本文主要從鋰離子充放電性能實(shí)驗(yàn)來分析找出影響鋰離子容量的因素，并提出解決的方案。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池；充電；放電；容量保持率

0 引言

鋰離子電池具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長、安全性能好、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了普遍應(yīng)用。現(xiàn)在的許多數(shù)碼設(shè)備都采用了鋰離子電池作電源，盡管其價(jià)格相對(duì)來說比較昂貴，但鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5～2倍，而且具有很低的自放電率。此外，鋰離子電池沒有“記憶效應(yīng)”以及不含有毒物質(zhì)，即節(jié)能又環(huán)保。影響鋰離子性能的因素很多，材料、溫度、內(nèi)阻等都會(huì)影響鋰離子電池的性能，本文主要從鋰離子充放電性能實(shí)驗(yàn)來分析找出影響鋰離子容量的因素，并提出解決的方案。

1 鋰離子充電放電原理

當(dāng)鋰離子充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子在電場的作用下經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。鋰離子電池在放電時(shí)，即在使用電池的過程就是放電的過程，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回到正極，回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。而我們常說的電池容量指的就是放電容量，它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積。在鋰離子電池的充、放電過程中，鋰離子處于從正極到負(fù)極再回到正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 鋰離子充放電特性

鋰離子電池通常都采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電模式，充電開始為恒流階段，電池的電壓較低，在此過程中，充電電流穩(wěn)定不變。隨著充電的繼續(xù)進(jìn)行，電池電壓逐漸上升到4.2V，此時(shí)充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電壓波動(dòng)應(yīng)控制在1%以內(nèi)，充電電流逐漸減小。當(dāng)電流下降到某一范圍，進(jìn)入涓流充電階段。涓流充電也稱維護(hù)充電，在維護(hù)充電狀態(tài)下，充電器以某一充電速率給電池繼續(xù)補(bǔ)充電荷，最后使電池處于充足狀態(tài)。

鋰離子電池放電時(shí)，為了避免過大的電流會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱，而造成電池永久性的傷害，放電電流不能過大。電池電壓也不能低于放電終止電壓后，否則將繼續(xù)放電，將產(chǎn)生過放電現(xiàn)象，這也會(huì)造成電池永久性損壞。在不同的放電率下，電池電壓的變化有很大的區(qū)別。放電率越大，相應(yīng)剩余容量下的電池電壓越低。

下面（圖1，圖2）對(duì)同一個(gè)型號(hào)的鋰離子電池同一個(gè)溫度下用不同的電流進(jìn)行充放電的測試。

如圖1，圖2顯示，當(dāng)充放電電流為0.05C時(shí)，充電至3.9V時(shí)充入84%的電量，理論上在3.9V時(shí)應(yīng)該有84%的帶電量，但放電曲線顯示3.9V時(shí)放出容量16%，即帶電量為84%，幾乎沒有偏差；當(dāng)充放電電流為0.5C時(shí)，充電至3.9V時(shí)充入71%的電量，理論上在3.9V時(shí)應(yīng)該有71%的帶電量，但放電曲線顯示3.9V時(shí)放出容量12%，即帶電量為12%，存在17%左右的偏差。說明在充放電過程中由于極化內(nèi)阻的存在，充放電截止瞬間電壓與實(shí)際電壓（開路電壓）間存在偏差，且充放電電流越大，偏差越大。

基于上面這點(diǎn)，我們知道一般來說電流越大，充電速度越快，但是電池也有內(nèi)阻，電流過大，根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt會(huì)引起電池發(fā)熱，容易引起電池爆炸， 電池上一般有保護(hù)電流限制限流過大。

3 不同情況下鋰離子電池充放電后的影響

鋰離子電池在放電的時(shí)候，電池電壓隨電量的流逝會(huì)逐漸降低，且有相當(dāng)大的斜率，我們可近似用電壓來估算電池剩余容量，但也有幾個(gè)不穩(wěn)定性，如在同一個(gè)電池上，放電電流越大，電壓就會(huì)越低；溫度越底，在同等容量的電池的電壓也會(huì)越低；鋰離子電池的材料和放電平臺(tái)也會(huì)影響電壓的變化。

3.1 溫度對(duì)鋰離子電池的影響

鋰離子電池的溫度對(duì)鋰離子電池的性能影響很大，當(dāng)溫度升高時(shí)，鋰離子電池的活性就會(huì)增加，它可提高充電電壓和放電電壓，也可提高效率及容量，但如果鋰離子電池溫度過高，鋰離子電池的性能將會(huì)降低，甚至發(fā)生爆炸，如果鋰離子電池長時(shí)間工作在高溫狀態(tài)下，鋰離子電池的壽命將會(huì)縮短。當(dāng)溫度降低時(shí)，鋰離子電池的活性會(huì)明顯的降低，鋰離子電池的內(nèi)阻和極化電壓將增大，鋰離子電池實(shí)際可用的容量將減少，鋰離子電池能量的利用率下降。以下我們通過實(shí)驗(yàn)測試溫度對(duì)鋰離子電池性能的影響。

①不同溫度下，0.5C容量的保持率

我們通過保持0.5C的電流對(duì)分別對(duì)鈷酸鋰離子電池型號(hào)523450-900和三元體系鋰離子電池型號(hào)803040-900在不同的溫度下進(jìn)行放電，同時(shí)記錄放電時(shí)間，測試它們的容量， 容量的保持率就是通過多次測試的容量除以第一次測試的容量或者標(biāo)稱容量，算出容量保持率。以下是通過測設(shè)平臺(tái)測試出的數(shù)據(jù)及曲線圖：

從圖3來看，說明鈷酸鋰受溫度影響較小，15-35℃，電池容量保持率變化不大，但15℃以下，每5℃，容量將以4%的容量衰減；從圖4看，說明三元材料體系受溫度影響較大，隨著溫度的降低，容量保持率越差，基本每5℃以4-5%的衰減比率下降；圖3和圖4對(duì)比，鈷酸鋰在5℃下，容量保持率還在90%以上，而三元體系，容量保持率已經(jīng)低于85%。

②溫度對(duì)容量影響的分析

溫度對(duì)容量是否有影響，我們來以型號(hào)357292-2500鋰離子電池進(jìn)行測試，以不同溫度進(jìn)行放電測試，首先以10℃化成中心，觀測溫度對(duì)容量的影響，記錄如下表二、表三

從表二中可知，相同溫度下充電，不同溫度下放電，溫度降低，電池可逆容量變小；

從表三中，不同的溫度下同時(shí)充放電，電池高溫下容量較高； 低溫下充放電，容量損失更大；

綜上說明了電池受溫度影響較大，溫度越低的情況下給電池充放電，電池?fù)p失的容量就越高。

3.2 不同的充放電方法對(duì)鋰離子電池的影響

①串聯(lián)充電

鋰離子電池組串聯(lián)充電，結(jié)構(gòu)簡單，成本底比較容易實(shí)現(xiàn)，但單個(gè)鋰離子電池存在容量、內(nèi)阻、衰減特性，放電大小等因素的差異，當(dāng)對(duì)鋰離子電池串聯(lián)充電時(shí)就會(huì)出現(xiàn)容量小的電池先充滿，如果繼續(xù)充電，小容量的鋰離子電池將會(huì)過充，而鋰離子電池過充會(huì)影響鋰離子電池的性能，有可能會(huì)爆炸，這是非常危險(xiǎn)的。這就要求鋰離子串聯(lián)充電時(shí)配有電池管理系統(tǒng)，當(dāng)單個(gè)電池充滿電時(shí)就要對(duì)電池過充保護(hù)，切斷充電電路，停止充電，這保護(hù)了這只單體電池被過充，但同時(shí)也會(huì)造成其它電池沒充滿。為了不影響串聯(lián)電池組的容量，這需要電池管理系統(tǒng)和充電設(shè)備協(xié)調(diào)配合進(jìn)行充電。

②并聯(lián)充電

對(duì)鋰離子電池組并聯(lián)充電，解決了串聯(lián)充電出現(xiàn)單體電池過充或不滿電的問題，但并聯(lián)充電需要多個(gè)低壓、大電流的充電電源為每一個(gè)單體進(jìn)行充電，這樣的充電電源成本高，可靠性低，充電效率低等缺點(diǎn)。

③串并聯(lián)充電

使用串聯(lián)大電流充電加小電流并聯(lián)充電，先對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行大電流充電，當(dāng)某個(gè)單體電池充滿電電池管理系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源，其它沒充滿電的單體配小電流的并聯(lián)充電電源繼續(xù)充，直到充滿為止。這種方法避免的串聯(lián)充電易出現(xiàn)的過充電、充不滿的問題，也避免了并聯(lián)充電出現(xiàn)的電源成本高、可靠性低、充電效率低等一系列問題。

④快速充電和慢速充電

隨著鋰離子電池成為大多數(shù)便攜式電子產(chǎn)品的充電電池的首選，快速充電已成為創(chuàng)新的領(lǐng)域。怎么樣才算“快充”和“慢充”？我們對(duì)不同的充電速度有不同是術(shù)語。我們把一節(jié)鋰離子電池的電容量為1C，同種型號(hào)不同的鋰離子電池的容量并不完全相等，1C只是一個(gè)邏輯的概念。在充電時(shí)，充電電流小于0.1C時(shí)，稱為涓流充電。涓流充電電流非常的小，它能夠把電池充得很足，也不傷害電池的壽命，但花的時(shí)間實(shí)在太長了。電流在0.1C-0.2C之間為慢速充電，大于0.2C，小于0.8C是快速充電，大于0.8C的為超高速充電。

慢速充電對(duì)電池壽命影響很小，但需要的時(shí)間很長，特別是容量大的鋰離子電池，這就對(duì)使用帶來不便。快速充電大電流在充電過程中會(huì)長生大量的熱量，當(dāng)充電電流越大，就會(huì)有更多的電能轉(zhuǎn)換成熱能，長時(shí)間的充電，溫度就很高，對(duì)電池危害很大。為了解決這個(gè)問題，快速充電采用各種方法來降低充電時(shí)的溫度，緩解熱量的聚集，從而將溫度控制在一定范圍內(nèi)。快速充電還會(huì)使鋰離子電池過充，這樣會(huì)導(dǎo)致電池性能受到嚴(yán)重破壞甚至爆炸。為了避免過充電，鋰離子電池組內(nèi)部設(shè)置有電子電路保護(hù)，預(yù)防過充。

鋰離子電池主要是負(fù)荷固定的方式進(jìn)行放電，放電過程中負(fù)荷的電阻不變，但電池的電阻會(huì)發(fā)生變化。隨放電過程的進(jìn)行，電壓下降。當(dāng)電壓降低到一定值時(shí)，會(huì)發(fā)過放，導(dǎo)致集流體的溶解。鋰離子過度的放電也會(huì)使電池永久性損壞，可能發(fā)生內(nèi)部金屬鍍敷，引起短路。目前大多鋰離子電池都設(shè)置有保護(hù)電路，當(dāng)放電電壓低于2.5V或高于4.3V時(shí)，該電路自動(dòng)斷開電池的連接。

4 總結(jié)

本文主要介紹的鋰離子的工作原理，對(duì)鋰離子充放電的過程進(jìn)行分析，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，找到合適的充電方法，延長電池的使用壽命，并為研究鋰離子電池充放電特性提供里理論的依據(jù)。

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[責(zé)任編輯：張濤]