1.1 鋰離子電池簡介

1.1.1 鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來。在介紹Li-ion之前，應(yīng)先介紹鋰電池。舉例來講，以前照相機里用的扣式電池就屬 于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負極是鋰。電池組裝 完成后電池即有電壓,不需充電.這種電池也可能充電,但循環(huán)性能不好,在 充放電循環(huán)過程中,容易形成鋰枝晶,造成電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這 種電池是禁止充電的。

1.1.2 后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電 池。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過 電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極 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。同樣， 當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程)，嵌在負極碳層中的鋰離子 脫出， 又運動回正極。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。

1.1.3 我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在 Li-ion 的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態(tài)。Li-ion Batteries 就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員 一樣在搖椅來回奔跑。所以 Li-ion Batteries 又叫搖椅式電池。

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1.2. 鋰離子電池的組成

1.2.1 鋼殼/鋁殼系列：

(1)電池上下蓋

(2)正極——活性物質(zhì)一般為氧化鋰鈷

(3)隔膜——一種特殊的復(fù)合膜

(4)負極——活性物質(zhì)為碳

(5)有機電解液

(6)電池殼(分為鋼殼和鋁殼兩種)

1.2.2 軟包裝系列

(1)正極——活性物質(zhì)一般為氧化鋰鈷

(2)隔膜——PP 或者 PE 復(fù)合膜

(3)負極——活性物質(zhì)為碳

(4)有機電解液

(5)電池殼——鋁塑復(fù)合膜

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1.3. 鋰離子電池原理

1.3.1 鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前手機和筆記本電腦使用

的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池。 手機等 PDA 產(chǎn)品使用的是 鋰離子電池，而真正的鋰電池由于危險性大，沒有應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。 鋰離子電池以碳素材料為負極，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，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的 嵌入和脫嵌(習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示)。 在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形 象地稱為“搖椅電池”。

1.3.2 鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在

10%以下。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 100%，而且輸出功率大。使用壽命長。沒有 環(huán)境污染，被稱為綠色電池。

1.3.3 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

為兩個階段：恒流快充階段(指示燈呈紅色或黃色)和恒壓電流遞減階段(指 示燈呈綠色)。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(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會過充，電流則隨著電 池電量的上升逐步減弱到 0，而最終完成充電。電量統(tǒng)計芯片通過記錄放電 曲線可以抽樣計算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后，放電曲線會發(fā) 生改變，鋰離子電池雖然不存在記憶效應(yīng)，但是充電不當會嚴重影響電池性 能。

鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負極 碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會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極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出

1.3.4 充電量等于充電電流乘以充電時間，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不當，同樣會造成電池容量不足，實際是電池的部分 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。

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1.4. 鋰離子電池的種類

1.4.1 不可充電的鋰電池有多種，目前常用的有鋰-二氧化錳電池、鋰

—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。

1)　鋰-二氧化錳電池(Li　MnO2)

鋰-二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，并采用有機 電解液的一次性電池。該電池的主要特點是電池電壓高，額定電壓為 3V(是 一般堿性電池的 2 倍);終止放電電壓為 2V;比能量大(見上面舉的例子); 放電電壓穩(wěn)定可靠;有較好的儲存性能(儲存時間 3 年以上)、自放電率低(年 自放電率≤2%);工作溫度范圍-20℃～+60℃。

該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長方形、圓柱形及紐 扣形(扣式)。

2)可充電鋰離子電池

可充電鋰離子電池是目前手機中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”， 在使用中不可過充、過放(會損壞電池或使之報廢)。因此，在電池上有保護 元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。 鋰離子電池充電要求很高，要 保證終止電壓精度在 1%之內(nèi)，目前各大半導(dǎo)體器件廠已開發(fā)出多種鋰離子 電池充電的 IC，以保證安全、可靠、快速地充電。

1.4.2 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液

態(tài)鋰離子電池(lithium ion battery, 簡稱為 LIB)和聚合物鋰離子電池(p olymer lithium ion battery, 簡稱為 LIP)兩大類。聚合物鋰離子電池所 用的正負極材料與液態(tài)鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。 它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同, 液態(tài)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固體聚合物電解質(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)。聚 合物鋰離子電池可分為三類：

(1)固體聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物， 這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低，適于高溫使用。

(2)凝膠聚合物電解質(zhì)鋰離子電池。即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增 塑劑等添加劑，從而提高離子電導(dǎo)率，使電池可在常溫下使用。 (3)聚合物正極材料的鋰離子電池。采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料， 其比能量是現(xiàn)有鋰離子電池的 3 倍，是最新一代的鋰離子電池。由于用固 體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰離子電池相比，聚合物鋰離子電池具 有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點，也不會產(chǎn)生漏液與燃燒爆 炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼，從而可以提 高整個電池的比容量;聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料， 其質(zhì)量比能量將會比目前的液態(tài)鋰離子電池提高 50%以上。

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此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比鋰離子電池有所提高。

基于以上優(yōu)點，聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。 聚合物鋰離子(Lithium ion polymer)電池，具有更高能量密度、小型化、薄型化、 輕量化、高安全性、長循環(huán)壽命與低成本的新型電池。因此，在未來 2～3 年內(nèi)，聚合物鋰電池取代鋰離子電池市場的份額將達 50%。

1.4.3 當前手機已被廣泛使用，早期的手機中多使用鎳氫電池，但靈

巧型的手機則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分 重要的。鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰電池，它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品 的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，并且有由幾個電池串 聯(lián)在一起組成的電池組。 鋰離子電池的額定電壓為 3.6V(有的產(chǎn)品為 3.7 V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)：陽極材料為石墨的 4.2 V;陽極材料為焦炭的 4.1V。不同陽極材料的內(nèi)阻也不同，焦炭陽極的內(nèi)阻 略大，其放電曲線也略有差別。一般稱為 4.1V 鋰離子電池及 4.2V 鋰離子電 池?，F(xiàn)在使用的大部分是 4.2V 的，鋰離子電池的終止放電電壓為 2.5V～2. 75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同)。低 于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過放，過放對電池是有損害的。

1.4.4 鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時會降低放

電時間(內(nèi)部會產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產(chǎn)工廠給出最大放 電電流，在使用中應(yīng)小于最大放電電流。 鋰離子電池對溫度有一定要求， 工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍。 鋰離子電池對 充電的要求是很高的，它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電 電壓精度允差為額定值的_1%(例如:充 4.2V 的鋰離子電池，其允差為_0.0 42V)，過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應(yīng)根據(jù) 電池生產(chǎn)廠家的建議，并要求有限流電路以免發(fā)生過流(過熱)。一般常用的 充電率為 0.25C～1C(C 是電池的容量，如 C=800mAh，1C 充電率即充電電流 為800mA)。在大電流充電時往往要檢測電池溫度，以防止過熱損壞電池或 產(chǎn)生爆炸。

1.4.5 鋰離子電池充電分為兩個階段：先恒流充電，到接近終止電壓時改

為恒壓充電。以 800mAh 容量的電池為例，其終止充電電壓為 4.2V。電池以 800mA(充電率為 1C)恒流充電，開始時電池電壓以較大的斜率升壓，當電池電壓 接近 4.2V 時，改成 4.2V 恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為 1/10C(約 80mA)時，認為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到 1/10C 后啟動 定時器，過一定時間后結(jié)束充電)。 鋰離子電池在充電或放電過程中若發(fā)生過充、 過放或過流時，會造成電池的損壞或降低使用壽命。

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1.5. 鋰離子電池優(yōu)缺點

1.5.1 鋰離子電池具有以下優(yōu)點：

1. 電壓高，單體電池的工作電壓高達 3.6-3.9V，是 Ni-Cd、 Ni-H 電池的 3 倍

2. 比能量大，目前能達到的實際比能量為 100-125Wh/kg 和 240-300Wh/L(2 倍于 Ni-Cd，1.5 倍于 Ni-MH),未來隨著技術(shù)發(fā)展, 比能量可高達 150Wh/kg 和 400 Wh/L

3. 循環(huán)壽命長,一般均可達到 500 次以上,甚至 1000 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 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 儲存 1 個月后的自放電率為 10%左右，大大低于 Ni-Cd 的 25-30%，Ni、MH 的 30-35%。

6. 可快速充放電，1C 充電是容量可以達到標稱容量的 80%以上。

7. 工作溫度范圍高，工作溫度為-25~45_C，隨著電解質(zhì)和正極的 改進，期望能擴寬到-40~70_C。

1.5.2.鋰離子電池也存在著一定的缺點

1. 電池成本較高。 主要表現(xiàn)在正極材料 LiCoO2 的價格高 (Co 的資源較少)，電解質(zhì)體系提純困難。

2. 不能大電流放電。 由于有機電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對

其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在 0.5C 以下， 只適合于中小電流的電器使用。

3. 需要保護線路控制 。

A. 過充保護：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命;同時過充 電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導(dǎo)致漏液等問題;故必須在 4.1V-4.2V 的 恒壓下充電;

B. 過放保護：過放會導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護線路 控制。

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4)充電電池定義

充電電池又稱：蓄電池、二次電池，是可以反復(fù)充電使用的電池。常見 的有：鉛酸電池(用于汽車時，俗稱“電瓶”)、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰 離子電池。

5)電池的額定容量

電池的額定容量指在一定放電條件下，電池放電至截止電壓時放出的電 量。IEC 標準規(guī)定鎳鎘和鎳氫電池在 20_5℃環(huán)境下，以 0.1C 充電 16 小時 后以 0.2C 放電至 1.0V 時所放出的電量為電池的額定容量。單位有 Ah, mAh (1Ah=1000mAh)

1.6. 如何正確使用鋰離子電池.

正確使用鋰離子電池應(yīng)注意以下幾點：

避免在嚴酷條件下使用，如：高溫、高濕度、夏日陽光下長時間暴曬等， 避免將電池投入火中;

裝、拆電池時，應(yīng)確保用電器具處于電源關(guān)閉狀態(tài);使用溫度應(yīng)保持在 -20~55℃之間;

避免將電池長時間“存放”在停止使用的用電器具中;

1.6.1.如何為新電池充電,

在使用鋰電池中應(yīng)注意的是，電池放置一段時間后則進入休眠狀態(tài)，此 時容量低于正常值，使用時間亦隨之縮短。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。不僅理論上是如此，從我自己的實踐

來看，從一開始就采用標準方法充電這種“自然激活”方式是最好的。

對于鋰電池的“激活”問題，眾多的說法是：充電時間一定要超過 12 小時，反復(fù)做三次，以便激活電池。這種“前三次充電要充 12 小時以上” 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，在所查閱過的嚴肅的且正式的技術(shù)資料中都強 調(diào)過充和過放電會對鋰電池、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間和標準方法充電，特別是不要進行超過 12 個小時的 超長充電。

此外，鋰電池或充電器在電池充滿后都會自動停充，并不存在鎳電充電 器所謂的持續(xù) 10 幾小時的“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電路

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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的邊緣徘 徊。這也是我們反對長充電的另一個理由。

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

1.6.2、正常使用中應(yīng)該何時開始充電

經(jīng)?？梢砸姷竭@種說法，因為充放電的次數(shù)是有限的，所以應(yīng)該將手機 電池的電盡可能用光再充電。但是我找到一個關(guān)于鋰離子電池充放電循環(huán)的 實驗表，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

 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 時的循環(huán)壽命要比 100%DOD 的要長很多。當然如果折合到實 際充電的相對總?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)計第 2 天不可能堅持整個白天的時候，就應(yīng)該及時開始充電，當然你如果 愿意背著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。和長充電一樣流傳 甚廣的一個說法，就是“盡量把電池的電量用完”。這種做法其實只是鎳電 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)有人因為手機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 到自動關(guān)機的例子。結(jié)果這個例子中的手機在后來的充電及開機中均無反 應(yīng)，不得不送客服檢修。這其實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條件造成的。

                                                                                                                                        本文摘自于全球電池網(wǎng)