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1.1 鋰離子電池簡(jiǎn)介
1.1.1 鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來(lái)。在介紹Li-ion之前，應(yīng)先介紹鋰電池。舉例來(lái)講，以前照相機(jī)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(fù)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(guò)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(lái)，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，在充放電過(guò)程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電 池。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò) 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，達(dá)到負(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。同樣， 當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電池的過(guò)程)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子 脫出， 又運(yùn)動(dòng)回正極�；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。
1.1.3 我們通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。在 Li-ion 的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)員 一樣在搖椅來(lái)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(fù)極——活性物質(zhì)為碳
(5)有機(jī)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(fù)極——活性物質(zhì)為碳
(4)有機(jī)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(jī)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(jī)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(xiǎn)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(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(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(guò)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”。
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(dá) 100%，而且輸出功率大。使用壽命長(zhǎng)。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(guò)程分
為兩個(gè)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(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(guò)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(jì)芯片通過(guò)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)，但是充電不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響電池性 能。
鋰離子電池過(guò)度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過(guò)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(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(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出
iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii.
1.3.4 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(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。
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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(yáng)極、以二氧化錳為陰極，并采用有機(jī) 電解液的一次性電池。該電池的主要特點(diǎn)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(chǔ)存性能(儲(chǔ)存時(shí)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(zhǎng)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(jī)中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”， 在使用中不可過(guò)充、過(guò)放(會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢)。因此，在電池上有保護(hù) 元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p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(jiǎn)稱為 LIB)和聚合物鋰離子電池(p olymer lithium ion battery, 簡(jiǎn)稱為 LIP)兩大類。聚合物鋰離子電池所 用的正負(fù)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(lái)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(diǎn)，也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆 炸等安全上的問(wèn)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(gè)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(huì)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(diǎn)，聚合物鋰離子電池被譽(yù)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(zhǎng)循環(huán)壽命與低成本的新型電池。因此，在未來(lái) 2～3 年內(nèi)，聚合物鋰電池取代鋰離子電池市場(chǎng)的份額將達(dá) 50%。
1.4.3 當(dāng)前手機(jī)已被廣泛使用，早期的手機(jī)中多使用鎳氫電池，但靈
巧型的手機(jī)則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對(duì)延長(zhǎng)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(zhǎng)方形、圓柱形、長(zhǎng)方形及扣式，并且有由幾個(gè)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(shí)的終止充電電壓與電池陽(yáng)極材料有關(guān)：陽(yáng)極材料為石墨的 4.2 V;陽(yáng)極材料為焦炭的 4.1V。不同陽(yáng)極材料的內(nèi)阻也不同，焦炭陽(yáng)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(guò)放，過(guò)放對(duì)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(guò)大電流放電時(shí)會(huì)降低放
電時(shí)間(內(nèi)部會(huì)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(duì)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(duì) 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(guò)壓充電會(huì)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(guò)流(過(guò)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(shí)往往要檢測(cè)電池溫度，以防止過(guò)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(gè)階段：先恒流充電，到接近終止電壓時(shí)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(shí)電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓 接近 4.2V 時(shí)，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(shí)，認(rèn)為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到 1/10C 后啟動(dòng) 定時(shí)器，過(guò)一定時(shí)間后結(jié)束充電)。 鋰離子電池在充電或放電過(guò)程中若發(fā)生過(guò)充、 過(guò)放或過(guò)流時(shí)，會(huì)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(diǎn)
1.5.1 鋰離子電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1. 電壓高，單體電池的工作電壓高達(dá) 3.6-3.9V，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 100-125Wh/kg 和 240-300Wh/L(2 倍于 Ni-Cd，1.5 倍于 Ni-MH),未來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展, 比能量可高達(dá) 150Wh/kg 和 400 Wh/L
3. 循環(huán)壽命長(zhǎng),一般均可達(dá)到 500 次以上,甚至 1000 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(jìng)爭(zhēng)力.
4. 安全性能好,無(wú)公害,無(wú)記憶效應(yīng).作為L(zhǎng)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(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(wèn)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 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(dá)到標(biāo)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(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-40~70_C。
1.5.2.鋰離子電池也存在著一定的缺點(diǎn)
1. 電池成本較高。 主要表現(xiàn)在正極材料 LiCoO2 的價(jià)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(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對(duì)
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(hù)線路控制 。
A. 過(guò)充保護(hù)：電池過(guò)充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命;同時(shí)過(guò)充 電使電解液分解，內(nèi)部壓力過(guò)高而導(dǎo)致漏液等問(wèn)題;故必須在 4.1V-4.2V 的 恒壓下充電;
B. 過(guò)放保護(hù)：過(guò)放會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，故也需要有保護(hù)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(shí)，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(shí)放出的電 量。IEC 標(biāo)準(zhǔn)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(shí) 后以 0.2C 放電至 1.0V 時(shí)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(diǎn)：
避免在嚴(yán)酷條件下使用，如：高溫、高濕度、夏日陽(yáng)光下長(zhǎng)時(shí)間暴曬等， 避免將電池投入火中;
裝、拆電池時(shí)，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(zhǎng)時(shí)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(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(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(guò)
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(shí)踐
來(lái)看，從一開始就采用標(biāo)準(zhǔn)方法充電這種“自然激活”方式是最好的。
對(duì)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(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(shuō)法，明顯是從鎳電池(如鎳鎘和鎳氫)延續(xù)下來(lái)的說(shuō)法。所以這種說(shuō)法， 可以說(shuō)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(guò)的嚴(yán)肅的且正式的技術(shù)資料中都強(qiáng) 調(diào)過(guò)充和過(guò)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(guò) 12 個(gè)小時(shí)的 超長(zhǎng)充電。
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(shuō)，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(shuí)都無(wú)法保證電池的充放電保護(hù)電路
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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(zhǎng)期處在危險(xiǎn)的邊緣徘 徊。這也是我們反對(duì)長(zhǎng)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(duì)鋰電池同樣也很不利。
1.6.2、正常使用中應(yīng)該何時(shí)開始充電
經(jīng)�？梢砸姷竭@種說(shuō)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。但是我找到一個(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
jjjjjjjjjjjjjjjjjjj. 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(zhǎng)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(shuō)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(zhǎng)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(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(guò)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(lái)的充電及開機(jī)中均無(wú)反 應(yīng)，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(dǎo)致電壓過(guò)低， 以至于不具備正常的充電和開機(jī)條件造成的。
建議手機(jī)電池的電量保持在滿格的狀態(tài)，當(dāng)電量不滿的時(shí)候就開始充 電，2-3 小時(shí)以內(nèi)為宜。
