鋰離子電知識

采用含有鋰元素的材料作為電極的電池。它是現代高性能電池的代表。

名詞簡(jiǎn)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極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)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(guò)電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(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，現在又出現了鎳鈷錳酸鋰材料，電動(dòng)自行車(chē)則用磷酸鐵鋰，導電集流體使用厚度10--20微米的電解鋁箔。

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

（3）負極——活性物質(zhì)為石墨，或近似石墨結構的碳，導電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。

（4）有機電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類(lèi)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，也是電池的正負極引出端。

作用機理

鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒(méi)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(chēng)。鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著(zhù)與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱(chēng)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）。沒(méi)有記憶效應。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100%，而且輸出功率大。使用壽命長(cháng)。不含有毒有害物質(zhì)，被稱(chēng)為綠色電池。

充電

充電是電池重復使用的重要步驟，鋰離子電池的充電過(guò)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準電壓，隨后在控制芯片下轉入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會(huì )過(guò)充，電流則隨著(zhù)電池電量的上升逐步減弱到設定的值，而最終完成充電。電量統計芯片通過(guò)記錄放電曲線(xiàn)可以抽樣計算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后，放電曲線(xiàn)會(huì )發(fā)生改變，鋰離子電池雖然不存在記憶效應，但是充、放電不當會(huì )嚴重影響電池性能。

充電注意事項

鋰離子電池過(guò)度充放電會(huì )對正負極造成永久性損壞。過(guò)度放電導致負極碳片層結構出現塌陷，而塌陷會(huì )造成充電過(guò)程中鋰離子無(wú)法插入；過(guò)度充電使過(guò)多的鋰離子嵌入負極碳結構，而造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。

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(guò)快和終止電壓控制點(diǎn)不當，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(méi)有得到充分反應就停止充電，這種充電不足的現象隨著(zhù)循環(huán)次數的增加而加劇。

放電

第一次充放電，如果時(shí)間能較長(cháng)(一般3至4小時(shí)足夠)，那么可以使電極盡可能多的達到最高氧化態(tài)（充足電），放電（或使用）時(shí)則強制放到規定的電壓、或直至自動(dòng)關(guān)機，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)根據需要充電，充電時(shí)既不必要一定充滿(mǎn)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。不同的正極材料對照：

正極反應：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

負極：負極材料，多采用石墨。新的研究發(fā)現鈦酸鹽可能是更好的材料。

負極反應：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高于水的分解電壓，因此鋰離子電池常采用有機溶劑，如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機溶劑常常在充電時(shí)破壞石墨的結構，導致其剝脫，并在其表面形成固體電解質(zhì)膜(solidelectrolyteinterphase，SEI)導致電極鈍化。有機溶劑還帶來(lái)易燃、易爆等安全性問(wèn)題。

主要優(yōu)點(diǎn)

（1）電壓高：?jiǎn)误w電池的工作電壓高達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：目前能達到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達到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(cháng)：一般均可達到500次以上,甚至1000次以上，磷酸鐵鋰的可以達到2000次以上。對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(wú)公害,無(wú)記憶效應。作為L(cháng)i-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問(wèn)題。

（5）自放電?。菏覝叵鲁錆M(mǎn)電的Li-ion儲存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分鐘容量可以達到標稱(chēng)容量的80%以上，現在磷鐵電池可以達到10分鐘充電到標稱(chēng)容量的90%。

（7）工作溫度范圍高，工作溫度為-25~45°C，隨著(zhù)電解液和正極的改進(jìn)，期望能擴寬到-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(guò)３—５次正常的充放電循環(huán)就可激活電池，恢復正常容量。由于鋰電池本身的特性，決定了它幾乎沒(méi)有記憶效應。因此用戶(hù)手機中的新鋰電池在激活過(guò)程中，是不需要特別的方法和設備的。

對于鋰電池的“激活”問(wèn)題，眾多的說(shuō)法是：充電時(shí)間一定要超過(guò)12小時(shí)，反復做三次，以便激活電池。這種“前三次充電要充12小時(shí)以上”的說(shuō)法，明顯是從鎳電池（如鎳鎘和鎳氫）延續下來(lái)的說(shuō)法。所以這種說(shuō)法，可以說(shuō)一開(kāi)始就是誤傳。鋰電池和鎳電池的充放電特性有非常大的區別，而且可以非常明確的告訴大家，我所查閱過(guò)的所有嚴肅的正式技術(shù)資料都強調過(guò)充和過(guò)放電會(huì )對鋰電池、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準時(shí)間和標準方法充電，特別是不要進(jìn)行超過(guò)12個(gè)小時(shí)的超長(cháng)充電（充電器顯示充滿(mǎn)即可）。

此外，鋰電池或充電器在電池充滿(mǎn)后都會(huì )自動(dòng)停充，并不存在鎳電充電器所謂的持續10幾小時(shí)的“涓流”充電。也就是說(shuō)，如果你的鋰電池在充滿(mǎn)后，放在充電器上也是白充。而我們誰(shuí)都無(wú)法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質(zhì)量的萬(wàn)無(wú)一失，所以你的電池將長(cháng)期處在危險的邊緣徘徊。這也是我們反對長(cháng)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(guò)放電，過(guò)放電對鋰電池同樣也很不利。

（2）正常使用中應該何時(shí)開(kāi)始充電

經(jīng)?？梢砸?jiàn)到這種說(shuō)法，因為充放電的次數是有限的，所以應該將手機電池的電盡可能用光再充電，其實(shí)鋰電池的壽命與這無(wú)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)驗表，關(guān)于循環(huán)壽命的數據列出如下：

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(xiě)。從表中可見(jiàn)，可充電次數和放電深度有關(guān)，10%DOD時(shí)的循環(huán)壽命要比100%DOD的要長(cháng)很多。當然如果折合到實(shí)際充電的相對總容量：10%*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(shuō)法要做一些修正：在正常情況下，你應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計第2天不可能堅持整個(gè)白天的時(shí)候，就應該及時(shí)開(kāi)始充電，當然你如果愿意背著(zhù)充電器到辦公室又當別論。

電池剩余電量用完再充的原則并不是要你走向極端。和長(cháng)充電一樣流傳甚廣的一個(gè)說(shuō)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發(fā)生，不幸的是它也在鋰電池上流傳之今。曾經(jīng)有人因為手機電池電量過(guò)低的警告出現后，仍然不充電繼續使用一直用到自動(dòng)關(guān)機的例子。結果這個(gè)例子中的手機在后來(lái)的充電及開(kāi)機中均無(wú)反應，不得不送客服檢修。這其實(shí)就是由于電池因過(guò)度放電而導致電壓過(guò)低，以至于不具備正常的充電和開(kāi)機條件造成的。

個(gè)人建議手機鋰離子電池不要充得太滿(mǎn)也不要用到?jīng)]電，電池沒(méi)用完電就充電，不會(huì )對電池造成傷害，充電以2-3小時(shí)以?xún)葹橐?，不一定非要充滿(mǎn)。但應該每隔3至4個(gè)月左右，對鋰電池進(jìn)行1--2次完全的充滿(mǎn)電（正常充電時(shí)間）和放完電。

長(cháng)期不用的鋰電池，應該存放在陰涼偏干燥的地方，以半電狀態(tài)（滿(mǎn)電電量的70--80%，假如你的手機滿(mǎn)電時(shí)顯示4格，那么3格即可）最好，滿(mǎn)電存放有危險且電池會(huì )有損害，無(wú)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(wèn)題，更加安全。

保養須知

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(wú)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(guò)放或自放電反應會(huì )導致鋰離子活性物質(zhì)分解破壞，并不一定可以還原。

鋰離子電池任何形式的過(guò)充都會(huì )導致電池性能受到嚴重破壞，甚至爆炸。鋰離子電池在充電過(guò)程必需避免對電池產(chǎn)生過(guò)充。

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

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

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

如果長(cháng)期不用，請以40％～60％的充電量?jì)Υ?。電量過(guò)低時(shí)，可能因自放電導致過(guò)放。

由于鋰離子電池不使用時(shí)也會(huì )自然衰老，因此，購買(mǎi)時(shí)應根據實(shí)際需要量選購，不宜過(guò)多購入