鋰離子電池安全使用規則

什么是鋰離子電池?

        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來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池。是現代高性能電池的代表。

目錄

 鋰電池 

 1.發展歷史

 組成部分 

原理解構 

1.化學解析 

2.主要種類 

3.主要優點 

4.簡介

鋰電池 

 1.發展歷史 

組成部分 

原理解構 

 1.化學解析 

2.主要種類 

3.主要優點 

4.主要缺點 

如何正確使用鋰離子電池

保養須知

一、簡介
1、早期的鋰電池
       鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發展而來。所以在介紹Li-ion之前，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。這種電池也可以充電,但循環性能不好，在充放電循環過程中,容易形成鋰枝晶，造成電池內部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。 
2、鋰離子電池：炭材料鋰電池
       后來，日本索尼公司發明了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，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，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，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。 
3、Li-ion Batteries：搖椅式電池
       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。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。 
二、發展歷史
       1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個鋰電池。 
       1982年伊利諾伊理工大學(the Illinois Institute of Technology)R.R.Agarwal和J.R.Selman發現鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。與此同時，采用金屬鋰制成的鋰電池，其安全隱患備受關注，因此人們嘗試利用鋰離子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個可用的鋰離子石墨電極由貝爾實驗室試制成功。 
       1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發現錳尖晶石是優良的正極材料，具有低價、穩定和優良的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低于鈷酸鋰，即使出現短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。 
       1989年，A.Manthiram和J.Goodenough發現采用聚合陰離子的正極將產生更高的電壓。 
       1991年索尼公司發布首個商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池，至今仍是便攜電子器件的主要電源。 
       1996年Padhi和Goodenough發現具有橄欖石結構的磷酸鹽，如磷酸鋰鐵，比傳統的正極材料更具安全性，尤其耐高溫，耐過充電性能遠超過傳統鋰離子電池材料。因此已成為當前主流的大電流放電的動力鋰電池的正極材料。 
三、組成部分
       鋼殼/鋁殼/圓柱/軟包裝系列： 
       （1）正極——活性物質一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，現在又出現了鎳鈷錳酸鋰材料，電動自行車則用磷酸鐵鋰，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，但卻是電子的絕緣體 
       （3）負極——活性物質為石墨，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，也是電池正負極引出端 
四、原理解構
1、鋰系電池概述

筆記本電腦鋰離子電池

       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。鋰電池由于危險性大，很少應用于日常電子產品。 
2、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”。 
3、工作狀態和效率
       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）。沒有記憶效應。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環性能優越、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。不含有毒有害物質，被稱為綠色電池。 
4、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程分為兩個階段：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過充，電流則隨著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、放電不當會嚴重影響電池性能。 
5、充電注意事項
       鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結構出現塌陷，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構，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。 
       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沒有得到充分反應就停止充電，這種充電不足的現象隨著循環次數的增加而加劇。 
6、放電
       第一次充放電，如果時間能較長(一般3--4小時足夠)，那么可以使電極盡可能多的達到最高氧化態（充足電），放電（或使用）時則強制放到規定的電壓、或直至自動關機，如此能激活電池使用容量。 
五、化學解析
1、概述
       和所有化學電池一樣，鋰離子電池也由三個部分組成：正極、負極和電解質。電極材料都是鋰離子可以嵌入(插入)/脫嵌(脫插)的。 
2、正極
       正極材料：如上文所述，可選的正極材料很多，目前主流產品多采用鋰鐵磷酸鹽。不同的正極材料對照： 

鋰—二氧化錳電池

       鋰－二氧化錳電池是一種以鋰為陽極（負極）、以二氧化錳為陰極（正極），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(金屬鋰的理論克容量為3074mAh)；放電電壓穩定可靠；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≤10%)；工作溫度范圍－20℃～+60℃。 

2.鋰—亞硫酰氯電池

鋰—亞硫酰氯電池

       該類電池的比能量是所有商業化電池中最高的，放電電壓特別平穩，一般用于不能經常維護的電子設備、儀器上，應用領域很窄。 
3.鋰離子電池
       可充電鋰離子電池是目前手機、筆記本電腦等現代數碼產品中應用最廣泛的電池，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，目前各大半導體器件廠已開發出多種鋰離子電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。 
       現在手機已十分普遍，基本上都是使用鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分重要的。它根據不同的電子產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并聯在一起組成的電池組。鋰離子電池的額定電壓，因為近年材料的變化，一般為3.7V，磷酸鐵鋰（以下稱磷鐵）正極的則為3.2V。充滿電時的終止充電電壓一般是4.2V，磷鐵3.65V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V～3.0V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數略有不同，一般為3.0V，磷鐵為2.5V)。低于2.5V（磷鐵2.0V）繼續放電稱為過放，過放對電池會有損害。 

圓柱型鋰離子電池

       鈷酸鋰類型材料為正極的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(內部會產生較高的溫度而損耗能量)，并可能發生危險；但現在研發的磷酸鐵鋰正極材料鋰電池，可以以20C甚至更大（C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）的大電流進行充放電，特別適合電動車使用。
       電池生產工廠給出最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流。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，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根據電池生產廠的建議，并要求有限流電路以免發生過流(過熱)。一般常用的充電倍率為0.25C～1C。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生爆炸。 
       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。例一種800mAh容量的電池，其終止充電電壓為4.2V。電池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1/10-50C(各廠設定值不一，不影響使用)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，過一定時間后結束充電)。鋰離子電池在充電或放電過程中若發生過充、過放或過流時，會造成電池損壞或降低壽命。

七、主要優點

新型鋰離子電池

1、電壓高
       單體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
       目前能達到的實際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理論值的約88%。 
3、循環壽命長
       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
       無公害，無記憶效應.作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發生短路，縮減了其應用領域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環境有污染的元素：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容量的80%以上，現在磷鐵電池可以達到10分鐘充電到標稱容量的90%。 
7、工作溫度范圍高
       工作溫度為-25~45°C，隨著電解液和正極的改進，期望能擴寬到-40~70°C。
八、主要缺點
1、衰老
       與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會緩慢衰退，與使用次數無關，而與溫度有關。可能的機制是內阻逐漸升高，所以，在工作電流高的電子產品更容易體現。用鈦酸鋰取代石墨似乎可以延長壽命。 儲存溫度與容量永久損失速度的關系。