锂电池介绍及应用

锂电池锂电池介绍及应用介绍及应用 锂电池的概述锂电池的概述 锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。 最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生。 由于锂金属的化学特性非常活 泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高。所以，锂电池长期 没有得到应用。 锂电池的特点锂电池的特点 1、具有更高的重量能量比、体积能量比； 2、电压高，单节锂电池电压为 3.6V，等于 3 只镍镉或镍氢充电电池的串联电 压； 3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性； 4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无 需放电； 5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于 500 次； 6、可以快速充电。锂电池通常可以采用 0.51 倍容量的电流充电，使充电时 间缩短至 12 小时； 7、可以随意并联使用； 8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的 绿色电池； 9、成本高。与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。 锂电池的结构锂电池的结构 锂电池通常有两种外型：圆柱型和长方型。 电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄 膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收 集极及由铝薄膜 组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和 铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全 阀和 PTC 元件，以便电 池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。 单节锂电池的电压为 3.6V，容量也不可能无限大，因此，常常将单节 锂电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。 锂电池的应用锂电池的应用 随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很 高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段。 最早得以应用于心脏起搏器中。由于锂电池的自放电率极低，放电电压平缓。 使得起搏器植入人体长期使用成为可能。 锂电池一般有高于 3.0 伏的标称电压，更适合作集成电路电源。二氧化锰电 池，就广泛用于计算机，计算器，照相机、手表中。 锂电池的研究锂电池的研究 为了开发出性能更优异的品种，人们对各种材料进行了研究。从而制造出前 所未有的产品。比如，锂二氧化硫电池和锂亚硫酰氯电池就非常有特点。它们 的正极活性 物质同时也是电解液的溶剂。这种结构只有在非水溶液的电化学体 系才会出现。所以，锂电池的研究，也促进了非水体系电化学理论的发展。除 了使用各种非水溶剂 外，人们还进行了聚合物薄膜电池的研究。 锂离子电池的作用锂离子电池的作用 锂离子电池目前由液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其 中，液态锂离子电池是指 Li +嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂 化合物 LiCoO2 或 LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作 电压高、体积小、质量 轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿 命长，是 21 世纪发展的理想能源。 1992 年 Sony 成功开发锂离子电池。它的实用化，使人们的移动电话、笔记本 电脑等便携式电子设备重量和体积大大减小。使用时间大大延长。由于锂离子 电池中不含有重金属铬，与镍铬电池相比，大大减少了对环境的污染。 锂离子电池锂离子电池发展史发展史 锂电池和锂离子电池是 20 世纪开发成功的新型高能电池。这种电池的负极 是金属锂，正极用 MnO2，SOCL2，(CFx)n 等。70 年代进入实用化。因其 具有 能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军 事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等、部分 代替 了传统电池。 锂离子电池发展前景锂离子电池发展前景 锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动 通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用， 预计将成为 21 世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天 和储能方面得到应用。 电池的基本性能电池的基本性能 (1)电池的开路电压 (2)电池的内阻 (3)电池的工作电压 (4)充电电压 充电电压是指二次电池在充电时，外电源加在电池两端的电压。充电的基 本方法有恒电流充电和恒电压充电。一般采用恒电流充电，其特点时在充电过 程中充电电流恒定不变。随着充电的进行，活性物质被恢复，电极反应面积不 断缩小，电机的极化逐渐增高。 (5)电池容量 电池容量是指从电池获得电量的量，常用 C 表示，单位常用 Ah 或 mAh 表示。 容量是电池电性能的重要指标。电池的容量通常分为理论容量、实际容量和额 定容量。 电池容量由电极的容量决定，若电极的容量不等，电池的容量取决于容量 小的那个电极，但决不是正负极容量之和。 (6)电池的贮存性能和寿命 化学电源的主要特点之一是在使用时能够放出电能，不用时能贮存电能。 所谓贮存性能对于二次电池来说为充电保持能力。 对于二次电池，使用寿命时衡量电池性能好坏的一个重要参数。二次电池 经过一次充电和放电，称为一个周期（或已此循环）。在一定的充放电制度下， 电池容量达到某一规定值之前电池能经受的充放电次数称为二次电池的使用周 期。锂离子电池具有优良的贮存性能和长的循环寿命。 锂离子电池的特征锂离子电池的特征 A. A. 高能量密度高能量密度 锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的 40- 50%，镍氢的 20-30%。 B. B. 高电压高电压 一个锂离子电池单体的工作电压为 3.7V(平均值)，相当于三个串联的镍镉 或镍氢电池。 C. C. 无污染无污染 锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。 D. D. 不含金属锂不含金属锂 锂离子电池不含金属锂，因而不受飞机运输关于禁止在客机携带锂电池等规 定的限制。 E. E. 循环寿命高循环寿命高 在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过 500 次。 F. F. 无记忆效应无记忆效应 记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中，电池的容量减少的现象。锂离 子电池不存在这种效应。 G. G. 快速充电快速充电 使用额定电压为 4.2V 的恒流恒压充电器可以使锂离子电池在一至两个小时 内得到满充。 锂电池的保护电路锂电池的保护电路 由两个场效应管和专用保护集成块 S-8232 组成，过充电控制管 FET2 和过 放电控制管 FET1 串联于电路，由保护 IC 监视电池电压并进行控制，当电池 电 压上升至 4.2V 时，过充电保护管 FET1 截止，停止充电。为防止误动作，一般 在外电路加有延时电容。当电池处于放电状态下，电池电压降至 2.55V 时，过 放电控制管 FET1 截止，停止向负载供电。过电流保护是在当负载上有较大电流 流过时，控制 FET1 使其截止，停止向负载放电，目的是为了保护电池和 场效 应管。过电流检测是利用场效应管的导通电阻作为检测电阻，监视它的电压降， 当电压降超过设定值时就停止放电。在电路中一般还加有延时电路，以区分浪 涌 电流和短路电流。该电路功能完善，性能可靠，但专业性强，且专用集成块 不易购买，业余爱好者不易仿制。 简易充电电路简易充电电路 现在有不少商家出售不带充电板的单节锂电池。其性能优越，价格低廉，可 用于自制产品及锂电池组的维修代换，因而深受广大电子爱好者喜爱。有兴趣 的读者可参 照图二制作一块充电板。其原理是：采用恒定电压给电池充电，确 保不会过充。输入直流电压高于所充电池电压 3 伏即可。R1、Q1、W1、TL431 组成精密 可调稳压电路，Q2、W2、R2 构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、 LED 为充电指示电路。随着被充电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电 池 充满后 R4 上的压降将降低，从而使 Q3 截止， LED 将熄灭，为保证电池能 够充足，请在指示灯熄灭后继续充 12 小时。使用时请给 Q2、Q3 装上合适的 散热器。本电路的优点是：制作简单，元器件易购， 充电安全，显示直观，并 且不会损坏电池通过改变 W1 可以对多节串联锂电池充电，改变 W可以对充 电电流进行大范围调节。缺点是：无过放电控制电路。 单节锂电池的应用举例单节锂电池的应用举例 1、作电池组维修代换品有许多电池组：如笔记本电脑上用的那种，经维修发现， 此电池组损坏时仅是个别电池有问题。可以选用合适的单节锂电池进行更换。 2、制作高亮微型电筒笔者曾用单节 3.6V1.6AH 锂电池配合一个白色超高亮度发 光管做成一只微型电筒，使用方便，小巧美观。而且由于电池容量大，平均每 晚使用半小时，至今已用两个多月仍无需充电。 3、代替 3V 电源 由于单节锂电池电压为 3.6V。因此仅需一节锂电池便可代替两节普通电池，给 收音机、随身听、照相机等小家电产品供电，不仅重量轻，而且连续使用时间 长。 锂电池的保存锂电池的保存 锂电池需充足电后保存。在 20下可储存半年以上，可见锂电池适宜在低温下 保存。曾有人建议将充电电池放入冰箱冷藏室内保存，的确是个好注意。 注意事项注意事项 锂离子电池的使用，注意三点： 1 1、如何为新电池充电、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 激活，只要经过 35 次正常的充放电循环就可 激活 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 。因此用户新锂电池在激活过程中，是不需 要特别的方法和设备的。不仅理论上是如此，从我自己的实践来看，从一开始 就采用标准方法充电这种“自然激活”方式 是最好的。 对于锂电池的“激活”问题，众多的说法是：充电时间一定要超过 12 小时，反复做三次，以便 激活 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 照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过 12 个小时的超长充电。 此外，锂电池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。 此外在对某些机器上，充电超过一定的时间后，如果不去取下充电器， 这时系统不仅不停止充电，还将开始放电-充电循环。也许这种做法的厂商自有 其目的，但显 然对电池的寿命而言是不利的。同时，长充电需要很长的时间， 往往需要在夜间进行，而以我国电网的情况看，许多地方夜间的电压都比较高， 而且波动较大。前面 已经说过，锂电池是很娇贵的，它比镍电在充放电方面耐 波动的能力差得多，于是这又带来附加的危险。 此外，不可忽视的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电，过放 电对锂电池同样也很不利。这就引出下面的问题。 2 2、正常使用中应该何时开始充电、正常使用中应该何时开始充电 因为充放电的次数是有限的，所以应该将锂电池的电尽可能用光再充电。 但是我找到一个关于锂离子电池充放电循环的实验表，关于循环寿命的数据列 出如下： 循环寿命 (10%DOD):1000 次 循环寿命 (100%DOD):200 次 其中 DOD 是放电深度的英文缩写。从表中可见，可充电次数和放电深度 有关，10%DOD 时的循环寿命要比 100%DOD 的要长很多。当然如果折合到实际充 电的相对总容量：10%*1000=100，100%*200=200，后者的完全充放电还是要比 较好