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鋰電池充放電特性分析和測試

上傳時間:2017-04-18閱讀次數:編輯:admin

鋰離子電池技術與測試方法
目錄
第一部分
1.1鋰離子電池簡介----------------------------2
1.2.鋰離子電池組成-------------------------3
1.3.鋰離子電池原理-------------------------4
1.4.鋰離子電池的種類------------------------5
1.5.鋰離子電池優缺點------------------------7
1.6.如何正確使用鋰離子電池------------------8
第二部分
ST-BTJCY3000型智能電池充電放電檢測儀
2.1.性能特點--------------------------------10
2.2.技術指標--------------------------------11
2.3技術支持與網站信息-----------------------12
第三部分
聚合物鋰離子電池規格、測試方法和標準
3.1.聚合物鋰離子充電電池規格--------------15
3.2.測試標準------------------------------------------16
3.3.文檔參考的國標依據--------------------------------18


第一部分
1.1鋰離子電池簡介
1.1.1鋰離子電池(Li-ionBatteries)是鋰電池發展而來。在介紹 Li-ion之前,應先介紹鋰電池。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.這種電池也可能充電,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。
1.1.2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,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?;卣娘胱釉蕉?,放電容量越高。
1.1.3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-ionBatteries又叫搖椅式電池。


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——活性物質一般為氧化鋰鈷
(3)隔膜——一種特殊的復合膜
(4)負極——活性物質為碳
(5)有機電解液
(6)電池殼(分為鋼殼和鋁殼兩種)
1.2.2軟包裝系列
(1)正極——活性物質一般為氧化鋰鈷
(2)隔膜——PP或者PE復合膜
(3)負極——活性物質為碳
(4)有機電解液
(5)電池殼——鋁塑復合膜


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。手機等PDA產品使用的是 鋰離子電池,而真正的鋰電池由于危險性大,沒有應用于日常電子產品。 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”。
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。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。沒有 環境污染,被稱為綠色電池。
1.3.3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(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0,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,但是充電不當會嚴重影響電池性 能。 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。
1.3.4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。

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極、以二氧化錳為陰極,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(見上面舉的例子);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≤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?;?元器件或?;さ緶芬苑樂拱汗蟮牡緋廝鴰?。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。
1.4.2根據鋰離子電池所用電解質材料不同,鋰離子電池可以分為液 態鋰離子電池(lithiumionbattery,簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(p olymerlithiumionbattery,簡稱為LIP)兩大類。聚合物鋰離子電池所 用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的,電池的工作原理也基本一致。 它們的主要區別在于電解質的不同,液態鋰離子電池使用的是液體電解質, 而聚合物鋰離子電池則以固體聚合物電解質來代替,這種聚合物可以是 “干態”的,也可以是“膠態”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質。聚 合物鋰離子電池可分為三類:
(1)固體聚合物電解質鋰離子電池。電解質為聚合物與鹽的混合物, 這種電池在常溫下的離子電導率低,適于高溫使用。
(2)凝膠聚合物電解質鋰離子電池。即在固體聚合物電解質中加入增 塑劑等添加劑,從而提高離子電導率,使電池可在常溫下使用。
(3)聚合物正極材料的鋰離子電池。采用導電聚合物作為正極材料, 其比能量是現有鋰離子電池的3倍,是最新一代的鋰離子電池。由于用固 體電解質代替了液體電解質,與液態鋰離子電池相比,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點,也不會產生漏液與燃燒爆 炸等安全上的問題,因此可以用鋁塑復合薄膜制造電池外殼,從而可以提 高整個電池的比容量;聚合物鋰離子電池還可以采用高分子作正極材料, 其質量比能量將會比目前的液態鋰離子電池提高50%以上。

此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電循環壽命等方面都比鋰離 子電池有所提高。 基于以上優點,聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。聚合物鋰離子(Lithiumionpolymer)電池,具有更高能量密度、小型化、薄型化、 輕量化、高安全性、長循環壽命與低成本的新型電池。因此,在未來2~3 年內,聚合物鋰電池取代鋰離子電池市場的份額將達50%。
1.4.3當前手機已被廣泛使用,早期的手機中多使用鎳氫電池,但靈 巧型的手機則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分 重要的。鋰離子電池是目前應用最為廣泛的鋰電池,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(有的產品為3.7 V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關:陽極材料為石墨的4.2 V;陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內阻也不同,焦炭陽極的內阻 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。現在使用的大部分是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,各參數略有不同)。低 于終止放電電壓繼續放電稱為過放,過放對電池是有損害的。
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)。因此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。鋰離子電池對 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 電池生產廠家的建議,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)。在大電流充電時往往要檢測電池溫度,以防止過熱損壞電池或 產生爆炸。
1.4.5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。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 1/10C(約80mA)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,會造成電池的損壞或降低使用壽命。


1.5.鋰離子電池優缺點
1.5.1鋰離子電池具有以下優點:
1)電壓高,單體電池的工作電壓高達3.6-3.9V,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100-125Wh/kg和240-300Wh/L(2倍于Ni-Cd,1.5倍于Ni-MH),未來隨著技術發展,比能量可高達150Wh/kg和400Wh/L
3)循環壽命長,一般均可達到500次以上,甚至1000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 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充電是容量可以達到標稱容量的80%以上。
7)工作溫度范圍高,工作溫度為-25~45°C,隨著電解質和正極的 改進,期望能擴寬到-40~70°C。
1.5.2.鋰離子電池也存在著一定的缺點
1)電池成本較高。主要表現在正極材料LiCoO2的價格高(Co的資源較少),電解質體系提純困難。
2)不能大電流放電。由于有機電解質體系等原因,電池內阻相對 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?;は唄房刂?。
A、過充?;ぃ旱緋毓浣蘋嫡峁茍跋煨閱芎褪倜?;同時過充 電使電解液分解,內部壓力過高而導致漏液等問題;故必須在4.1V-4.2V的 恒壓下充電;
B、過放?;ぃ汗嘔岬賈祿钚暈鎦實幕指蠢?,故也需要有?;は唄?控制。

4)充電電池定義
充電電池又稱:蓄電池、二次電池,是可以反復充電使用的電池。常見 的有:鉛酸電池(用于汽車時,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放出的電 量。IEC標準規定鎳鎘和鎳氫電池在20±5℃環境下,以0.1C充電16小時 后以0.2C放電至1.0V時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注意以下幾點:
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; 裝、拆電池時,應確保用電器具處于電源關閉狀態;使用溫度應保持在 -20~55℃之間; 避免將電池長時間“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。不僅理論上是如此,從我自己的實踐 來看,從一開始就采用標準方法充電這種“自然激活”方式是最好的。
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,在所查閱過的嚴肅的且正式的技術資料中都強 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?;さ緶?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。
1.6.2、正常使用中應該何時開始充電
經??梢約秸庵炙搗?,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。但是我找到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。
電池剩余電量用完再充的原則并不是要你走向極端。和長充電一樣流傳 甚廣的一個說法,就是“盡量把電池的電量用完”。這種做法其實只是鎳電 池上的做法,目的是避免記憶效應發生,不幸的是它也在鋰電池上流傳之今。
曾經有人因為手機電池電量過低的警告出現后,仍然不充電繼續使用一直用 到自動關機的例子。結果這個例子中的手機在后來的充電及開機中均無反 應,不得不送客服檢修。這其實就是由于電池因過度放電而導致電壓過低, 以至于不具備正常的充電和開機條件造成的。 建議手機電池的電量保持在滿格的狀態,當電量不滿的時候就開始充 電,2-3小時以內為宜。

第二部分
ST-BTJCY3000型智能電池充電放電檢測儀
2.1.性能特點
ST-BTJCY3000型智能電池充放電檢測儀由杭州思博泰克電子技術有限公司 制造,是采用現代最新電力電子技術和智能微處理技術,專業為二次充電電池充 放電過程實現智能控制、管理,達到性能監測,實際參數檢測,供對電池性能比 較、篩選目的而設計的高新技術產品。它通過USB端口與計算機相連接,實現 智能控制,使用前先在計算機安裝《電池測試儀軟件》后運行。
ST-BTJCY3000適合鎳隔電池、鎳氫電池、鋰離子、鋰聚合物電池、太陽能 等電池或電池組檢測、篩選、性能評估、鋰電池?;ぐ宀饈?、手機電池?;すδ?測試或超級電容充放電容量測試等,本產品相對同類產品特點是產品精度高,測 試結果直觀明了,操作方便,便攜式。


2.2.技術指標(ST-BTJCY3000)
AC輸入電壓:220V±10%
具有電池充電、放電、內阻測試功能
提供電腦配套軟件,可以供鎳隔/鎳氫/
鋰電池等二次電池測試
充放電電壓:1.0000---5.0000V
充放電電流:0.010---3.000A
電壓顯示最小分辨率:0.3mV
電流顯示最小分辨率:1mA
電壓設置最小分辨率:10mV
電流設置最小分辨率:1mA
電池內阻最小分辨率:0.1mΩ
電壓顯示精度:<
電流顯示精度:<
鍵盤設置、液晶顯示
RS232接口上位機軟件通信控制
恒流、恒壓自動充電、放電
充電、放電模式參數任意設置、程
控、保存功能
電池充放電實時電壓、電流曲線顯示
電池充放電過程中X、Y坐標任意點時
間、容量、電壓、電流參數顯示
電池充放電電壓、電流截止條件設置
過壓、過流、反極性、過溫?;?br /> 工作溫度:

2.3技術支持與網站信息
在使用過程中,當軟件曲線畫面出現白屏幕現象,需要從網站下載更新文件去 替代,具體操作如下,下載文件(trend.ocx),然后在windows系統system32文件 夾下替代原有trend.ocx文件即可,如果對系統比較陌生,不熟悉操作,可以先查 找trend.ocx,然后把下載好的trend.ocx全部覆蓋所查找到的trend.ocx文件 ST-TS3001A型電子負載上位機控制軟件主界面 圖(1)ST-TS3001A型直流 電子負載


ST-BTJCY型電池檢測儀上位機控制軟件主界面
圖(2)型智能電池充放電檢測儀


圖(3)ST-BTJCY3000型智能電池充放電檢測儀


第三部分
聚合物鋰離子電池規格、測試方法和標準以下數據均以標稱值為3.7V400mAh的鋰離子電池為例:
3.1.聚合物鋰離子充電電池規格 3.2.測試標準
3.3本文檔編寫所參考的國標依據如下:
3.3.1.中華人民共和國國家標準GB/T18287-2000
《蜂窩電話用鋰離子電池總規范》
3.3.2.中華人民共和國國家標準GB4943-2001
《信息技術設備的安全標準》
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