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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: 

正極材料

平均輸出電壓

能量密度

LiCoO?

3.7 V

140 mAh/g

LiMn?O?

3.7 V

100 mAh/g

LiFePO?

3.2 V

130 mAh/g

Li2FePO?F

3.6 V

115 mAh/g


3、負極
       負極材料:多采用石墨。新的研究發現鈦酸鹽可能是更好的材料。 負極反應:放電時鋰離子脫插,充電時鋰離子插入。 
4、電解質溶液
       溶質:常采用鋰鹽,如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF?)。溶劑:由于電池的工作電壓遠高于水的分解電壓,因此鋰離子電池常采用有機溶劑,如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。有機溶劑常常在充電時破壞石墨的結構,導致其剝脫,并在其表面形成固體電解質膜(solid electrolyte interphase,SEI)導致電極鈍化。有機溶劑還帶來易燃、易爆等安全性問題。 
六、主要種類
1.鋰-二氧化錳電池


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。

充電電量

儲存溫度0

儲存溫度25

儲存溫度40

儲存溫度60

40%60%

2%/

4%/

15%/

25%/

100%

6%/

20%/

35%/

80%/6

 2、回收率
       大約有1%的出廠新品因種種原因需要回收。 
3、不耐受過充
       過充電時,過量嵌入的鋰離子會永久固定于晶格中,無法再釋放,可導致電池壽命短。 
4、不耐受過放
       過放電時,電極脫嵌過多鋰離子,可導致晶格坍塌,從而縮短壽命。 
5、需要多重保護機制
       由于錯誤使用會減少壽命,甚至可能導致爆炸,所以,鋰離子電池設計時增加了多種保護機制。 
6、保護電路
       防止過充、過放、過載、過熱。 
7、排氣孔
       因其具有防爆炸功能,電池界業內人士也稱為防爆孔或防爆線。原理十分簡單,在殼體表面劃出一條比殼體表面厚度稍微薄一點的線或孔,當電芯短路時,電池內部短時間內將產生大量氣體并迅速增大壓強,當壓力過載時,因防爆孔薄于殼體其余地方,氣體便防爆孔處泄氣,達到避免電芯整體爆炸的危險。 
8、隔膜
       隔離電芯正、負極片,以防止卷芯內部正、負極片直接接觸造成短路;從微觀角度看,隔膜表面為網狀結構,通常有PP、PE之分,也有PE、PP復合在一起的。 
       區分隔膜通常按厚度、寬度進行劃分,鋁殼鋰離子電池使用的隔膜厚度通常為16um、18um、20um等,動力電池使用的隔膜厚度以30um以上為主流。 
       若按形狀區分則有卷狀、條狀之分。卷狀隔膜就是將裁剪好寬度的隔膜卷在一個紙筒上,供客戶自行裁剪隔膜單條長度(形狀與透明膠相似)。條狀隔膜則由供應商按客戶提供的長、寬、厚等參數,直接裁剪好成條狀的隔膜。卷狀隔膜的優點在于通用性強,但需增加人力進行裁剪,條狀隔膜優點在于無需人力裁剪即可使用,但是通用性不強。 
       隔膜在電池內部溫度過高時還能融化,以防止電池爆炸。當電池內部溫度達到130℃(鋰離子電池國家標準gb18287-2000)以上時,隔膜的網狀孔將閉合,阻止鋰離子通過升高內阻(至2kΩ),以達到阻止電芯內部溫度繼續升高的作用,從而保護電芯產生爆炸的危險。 
       排氣孔、隔膜一旦激活,電池將永久失效。 
九、如何正確使用鋰離子電池
1、注意事項
       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 。
拆電池時,應確保用電器具處電源關閉狀態;使用溫度應保持在-20~50℃之間 避免將電池長時間“存放”在停止使用的用電器具中 。
2、鋰離子電池的使用
如何為新電池充電 
       在使用鋰電池中應注意的是,電池放置一段時間后則進入休眠狀態,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,只要經過3—5次正常的充放電循環就可激活電池,恢復正常容量。由于鋰電池本身的特性,決定了它幾乎沒有記憶效應。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備的。 
        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別,而且可以非常明確的告訴大家,我所查閱過的所有嚴肅的正式技術資料都強調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的特性永不變化和質量的萬無一失,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。 
正常使用中應該何時開始充電 
       經常可以見到這種說法,因為充放電的次數是有限的,所以應該將手機電池的電盡可能用光再充電,其實鋰電池的壽命與這無關。下面可以舉例一個關于鋰離子電池充放電循環的實驗表,關于循環壽命的數據列出如下: 
       循環壽命(10%DOD):>1000次 
        循環壽命 (100%DOD):>200次 
       其中DOD是放電深度的英文縮寫。從表中可見,可充電次數和放電深度有關,10%DOD時的循環壽命要比100%DOD的要長很多。當然如果折合到實際充電的相對總容量:10%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充放電還是要比較好一些,但前面網友的那個說法要做一些修正:在正常情況下,你應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計第2天不可能堅持整個白天的時候,就應該及時開始充電,當然你如果愿意背著充電器到辦公室又當別論。 
       同時,長期不用的鋰電池,應該存放在陰涼偏干燥的地方,以半電狀態(滿電電量的70--80%,假如你的手機滿電時顯示4格,那么3格即可)最好,滿電存放有危險且電池會有損害,無電存放電池會被破壞。每隔3--6個月,檢查一次是否要補充電。 
        鋰離子電池按電解液分可以分成液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池,聚合物鋰離子電池的電解液是膠體,不會流動,所以不存在泄漏問題,更加安全。




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