锂电池工作原理

锂电池工作原理我们机的锂电池究竟要如何保养才算正确？这个问题一直困扰着很多手机的忠实使用者，包括我。在查阅了一些资料之后，不久前有机会谘询了一位电化学专业的在读博士和国内某知名电池研究所的副所长。现将最近获得的一些相关知识和心得写出来，以飨诸位读者。锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳。常见的正极材料主要成分为licoo2，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。化学反应原理虽然很简单，然而在实际的工业生产中，需要考虑的实际问题要多得多：正极的材料需要新增剂来保持多次充放的活性，负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子；填充在正负极之间的电解液，除了保持稳定，还需要具有良好导电性，减小电池内阻。虽然锂离子电池很少有镍镉电池的记忆效应，记忆效应的原理是结晶化，在锂电池中几乎不会产生这种反应。但是，锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，其原因是複杂而多样的。主要是正负极材料本身的变化，从分子层面来看，正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，出现副反应生成稳定的其他化合物。物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况，总之最终降低了电池中可以自由在充放电过程中移动的锂离子数目。过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，可以直观的理解，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。这也是锂离子电池为什幺通常配有充放电的控制电路的原因。不适合的温度，将引发锂离子电池内部其他化学反应生成我们不希望看到的化合物，所以在不少的锂离子电池正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质新增剂。在电池升温到一定的情况下，複合膜膜孔闭合或电解质变性，电池内阻增大直到断路，电池不再升温，确保电池充电温度正常。而深充放能提升锂离子电池的实际容量吗？专家明确地告诉我，这是没有意义的。他们甚至说，所谓使用前三次全充放的“启用”，在他们两位博士的知识里，也想不通这有什幺必要。然而为什幺很多人深充放以后batteryinformation里标示容量会发生改变呢?后面将会提到。锂离子电池一般都带有管理晶片和充电控制晶片。其中管理晶片中有一系列的暂存器，存有容量、温度、id、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化。我个人认为，使用说明中的“使用一个月左右应该全充放一次”的做法主要的作用应该就是修正这些暂存器里不当的值，使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况。充电控制晶片主要控制电池的充电过程。锂离子电池的充电过程分为两个阶段，恆流快充阶段（电池指示灯呈黄色时）和恆压电流递减阶段（电池指示灯呈绿色闪烁。恆流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标準电压，随后在控制晶片下转入恆压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到0，而最终完成充电。电量统计晶片通过记录放电曲线（电压，电流，时间）可以抽样计算出电池的电量，这就是我们在batteryinformation里读到的wh.值。而锂离子电池在多次使用后，放电曲线是会改变的，如果晶片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线，其计算出来的电量也就是不準确的。所以我们需要深充放来校準电池的晶片。最后我对电池的保养的看法是：不必刻意保证每一次都放完电了再充；一段时间可做一次保护电路控制下的深充放以修正电池的电量统计，但这不会提高你电池的实际容量。长期不用的电池，应放在阴凉的地方以减弱其内部自身钝化反应的速度。保护电路也无力监控电池的自放电，长期不用的电池，应充入一定的电量以防电池在存贮中自放电过量导致过度放电的损坏。其实电池没有太多要顾及的使用注意，换句话说是顾及也没有太大用。一个电池能使用多少次，也许差别更多的来自电池本身製造中的个体差异，而不是使用方法。选择具有良好口碑的手机品牌，无疑是日后电池使用长寿命的保障之一。由于现在绝大多数电子产品，如数码相机、移动**、手提电脑等都採用的是锂电池，所以笔者作重讲解一下此类电池的原理。目前笔记本的主流电池都是採用的，而最普遍採用的是是锂离子（li-ion）电池。原因是锂电（li）在使用的同时比较危险，我们都知道锂是比较活跃的金属元素，使用时不太安全，经常会有在充电时出现燃烧、爆裂的情况出现。而锂离子电池（li-ion）加入了能抑制锂元素活跃的成份，它是锂电池的替代产品，它的阳极採用能吸藏锂离子的碳极，放电时，锂变成锂离子，脱离电池阳极，到达锂离子电池阴极。充电时，阴极中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向阳极运动与电子合成锂原子。放电时，锂原子从石墨晶体内阳极表面电离成锂离子和电子，并在阴极处合成锂原子。所以，在该电池中锂永远以锂离子的形态出现，不会以金属锂的形态出现，当然也就不会出现燃烧、**等危险。锂离子在阳极和阴极之间移动，电极本身不发生变化。这是锂离子电池与锂电池本质上的差别。从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电也随之淘汰了。区分它们的方法也相当简单：从电池的标识上就能识别，锂电的标识为li,而锂离子电池为li-ion。现在，笔记本和手机使用的所谓锂电，其实就是锂离子电池。锂离子电池有着其他电池所不能比拟的优点：工作电压高；体积小、重量轻、能量高；安全快速充电；允许温度範围宽；放电电流小、无记忆效应、无环境汙染等等，这些决定了它在笔记本电池中的主流地位。当然锂离子电池也有自身的不足，那便是**高、充电次数少也不能快速充电、与乾电池无互换性、工作电压变化大、放电速率大，容量下降快，无法大电流放电。所以对于目前的电池来说，并不能找到一类十全十美的解决方法，就算锂离子电池只能是相对来说它的固有一些优点更有利于移动罢了。关于锂电池的使用，简单的讲三方面：首先，锂电池不需要超常时间充电来启用，你也做不到，充电电路本来就有保护，插上也没用的其次，对锂电池的启用（其实是校正充电曲线）一般出现在首次使用，长时间放置未用，或者频繁即充即用一段时间后，方法就是一次完全的充放电，之后电池就可以即用即充，只有在长时间使用后才需要再次进行再次完全充放电重新校正最后，锂电池的寿命主要体现在充放电週期上，这个週期是一个绝对概念，举例如果你上次使用了30％电力，充满电，下次又使用了70％的电力，又充满电，这个刚好是一个充电週期，而不是两个，所以那些喜欢把电池使用尽再充电的玩家自己合计吧，这样做实际上加速了电池寿命的终结详细介绍和**说明请阅读全文。。。解释充电週期：一些误解的**每次用尽电池再充电这个是从古老的nicd电池而来的，这种镍镉电池有记忆效应，如果不放尽电量，电池会随使用次数的增加而呈现出电量愈来愈少的状态后来的nimh电池，其实已经没有明显的记忆效应，但是仍然需要经常的彻底充放电来保持其正常的电量显示，这就是某些日本镍氢充电器提供refresh功能的原理而锂电池则基本上没有记忆效应,当然长时间使用后充电曲线还是会有略微失準，苹果提供了一个简单的ical提示你定时为电池进行充放电校正，但是频率不需要很高。关于启用，刚出厂的锂电池需要在若干次使用后才能达到最佳状态，这个没错，但是使用10几个小时的启用是绝对没有必要的（也是没有意义的）现在的充电电路都考虑的使用者使用的方便，电池充满后会自动切断充电电路，这样你才能安心睡觉不是，这个时候插不插上电源其实已经没有区别了谈到充电10几个小时的习惯，这个还是要从古老的nicd或者nimh等电池的慢充模式说起，由于原先电池充电电路设计上的落后，一般为了保持电池温度的正常和防止电池受损，都使用的小电流缓慢充电的方式，而且这种电路一般情况下都没有準确的电量判断功能，所以都是建议使用者充电14－16个小时这样，看看，其误差一般都在2，3个小时，如果充电流过大，过充后将对电池造成严重的伤害而后来的针对nimh和现在锂电池的快速充电电路，已经有了很好的电量检测功能，就可以使用脉冲式的大电流快速充电，且还能维持电池在正常的温度範围内，而到接近电量快满的时候，为了防止过充，电路会从高电流脉冲转换为一种逐渐缩小的涓流充电，这样即使满电检测有部分偏差，由于越接近满电电流越小，在最后时刻的充电电流已经接近0，对电池没有什幺损害了，这就是为什幺看到锂电池前80％充电1个小时就可以完成，而充满最后20％的电却要4个小时的原因。1、如何为新电池充电在使用锂电池中应注意的是，电池放置一段时间后则进入休眠状态，此时容量低于正常值，使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易启用，只要经过3—5次正常的充放电迴圈就可启用电池，恢复正常容量。由于锂电池本身的特性，决定了它几乎没有记忆效应。因此使用者手机中的新锂电池在启用过程中，是不需要特别的方法和装置的。不仅理论上是如此，从我自己的实践来看，从一开始就採用标準方法充电这种“自然启用”方式是最好的。对于锂电池的“启用”问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反覆做三次，以便启用电池。这种“前三次充电要充12小时以上”的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别，而且可以非常明确的告诉大家，我所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标準时间和标準方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电。通常，手机说明书上介绍的充电方法，就是适合该手机的标準充电方法。此外，锂电池的手机或充电器在电池充满后都会自动停充，并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说，如果你的锂电池在充满后，放在充电器上也是白充。而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失，所以你的电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是我们反对长充电的另一个理由。此外在对某些手机上，充电超过一定的时间后，如果不去取下充电器