详解锂离子电池与普通电池的不同

2020-10-30 14:22:34 深圳市创新易电子科技有限公司

锂离子电池的基本知识便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展,各种电池的用量大增,并且开发出许多新型电池。除大家较熟悉的高性能碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外,还有近年来开发的锂离子电池。这里重要介绍有关锂离子电池的基本知识。这包括它的特性、重要参数、型号的意义、应用范围及使用注意事项等。锂是一种金属元素,其化学符号为Li(其英文名为lithium),是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属,在金属中是最轻的。


它除了应用于原子能工业外,可制造特种合金、特种玻璃(电视机上用的荧光屏玻璃)及锂离子电池。在锂离子电池中它用作电池的阳极。锂离子电池也分成两大类:不可充电的及可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池,它只能将化学能一次性地转化为电能,不能将电能还原回化学能(或者还原性能极差)。而可充电的电池称为二次性电池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来,在使用时,再将化学能转换成电能,它是可逆的,如电能化学能锂离子电池的重要特点。锂离子电池的最大特点是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。


比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位,W是瓦、h是小时;kg是千克(重量单位),L是升(体积单位)。这里举一个例来说明:5号镍镉电池的额定电压为1.2V,其容量为800mAh,则其能量为0.96Wh(12V×08Ah)。同样尺寸的5号锂-二氧化锰电池的额定电压为3V,其容量为1200mAh,则其能量为3.6Wh。这两种电池的体积是相同的,则锂-二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍!一节5号镍镉电池约重23g,而一节5号锂-二氧化锰电池约重18g。一节锂-二氧化锰电池为3V,而两节镍镉电池才2.4V。所以采用锂离子电池时电池数量少(使便携式电子产品体积减小、重量减轻),并且电池的工作寿命长。


另外锂离子电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。锂离子电池的缺点是价格昂贵,所以目前尚不能普遍应用,重要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。随着技术的发展、工艺的改进及生产量的新增,锂离子电池的价格将会不断地下降,应用上也会更普遍。不可充电的锂离子电池不可充电的锂离子电池有多种,目前常用的有锂-二氧化锰电池、锂亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。本文仅介绍最常用的


锂-二氧化锰电池(LiMnO2)锂-二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极,并采用有机电解液的一次性电池。该电池的重要特点是电池电压高,额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍);终止放电电压为2V;比能量大(见上面举的例子);放电电压稳定可靠;有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤2%);工作温度范围-20℃~+60℃。该电池可以做成不同的外形以满足不同要求,它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。圆柱形的也有不同的直径及高度尺寸。上图就是日本产万胜锂-二氧化锰电池,3伏电压,不可充电,单节体积15x40毫米。可充电锂离子电池可充电锂离子电池是目前手机中应用最广泛的电池,但它较为娇气,在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此,在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。锂离子电池充电要求很高,要保证终止电压精度在1%之内,目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的IC,以保证安全、可靠、快速地充电。现在手机已十分普遍,手机中一部分是镍氢电池,但灵巧型的手机则是锂离子电池。正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。锂离子电池是目前应用最为广泛的锂离子电池,它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式,并且有由几个电池串联在一起组成的电池组。锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关:阳极材料为石墨的4.2V;阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同,焦炭阳极的内阻略大,其放电曲线也略有差别,如图1所示。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。现在使用的大部分是4.2V的,锂离子电池的终止放电电压为2.5V~2.75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同)。


低于终止放电电压继续放电称为过放,过放对电池会有损害。锂离子电池不适合用作大电流放电,过大电流放电时会降低放电时间(内部会出现较高的温度而损耗能量)。因此电池生产厂给出最大放电电流,在使用中应小于最大放电电流。锂离子电池对温度有一定要求,厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。锂离子电池对充电的要求是很高的,它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%(例如:充4.2V的锂离子电池,其允差为±0.042V),过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议,并要求有限流电路以免发生过流(过热)。


一般常用的充电率为0.25C~1C(C是电池的容量,如C=800mAh,1C充电率即充电电流为800mA)。在大电流充电时往往要检测电池温度,以防止过热损坏电池或出现爆炸。锂离子电池充电分为两个阶段:先恒流充电,到接近终止电压时改为恒压充电,其充电特性如图2所示。这是一种800mAh容量的电池,其终止充电电压为4.2V。电池以800mA(充电率为1C)恒流充电,开始时电池电压以较大的斜率升压,当电池电压接近4.2V时,改成4.2V恒压充电,电流渐降,电压变化不大,到充电电流降为1/10C(约80mA)时,认为接近充满,可以终止充电(有的充电器到1/10C后启动按时器,过一按时间后结束充电)。锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时,会造成电池的损坏或降低使用寿命。


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