锂离子电池介绍

2014年10月14日

锂电池简介

锂电池可以理解为含有锂元素（包括金属锂、锂合金、锂离子、锂聚合物）的电池，可分为锂金属电池（极少的生产和使用）和锂离子电池（现今大量使用）。以充电性可分为一次电池和二次电池，即可充电或不可充电电池。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。单节锂离子电池的电压为3.6V，容量也不可能无限大，因此，常常将单节锂离子电池进行串、并联处理，以满足不同场合的要求。

锂金属电池或锂离子电池的基本原理都是氧化还原反应，电池最核心的三部分是负极、正极、电解质。锂离子电池根据电解质的成分不同分为液态锂离子电池（liquified Lithium-ion Battery，简称LIB）和聚合物锂离子电池（Polymer Lithium-ion Battery，简称PLB）。二者的正负极材料都相同，正极材料钴酸锂、锰酸锂等，负极为石墨。工作原理基本一致，主要区别是电解质，LIB使用液体电解质，PLB使用固体聚合物电解质，这种电解质是“干态”或者“胶态”，目前大部分采用聚合物凝胶电解质。

PLB和LIB原理一样。电池构造主要包括正极、负极和电解质，所谓PLB是指在这三种主要构造中至少有一项使用了高分子材料，目前的聚合物锂离子电池系统中高分子材料主要用于正极和电解质，正极材料包括导电高分子聚合物，电解质采用固态或胶态高分子电解质。新一代聚合物锂离子电池几乎可以设计成任意形状，最薄可达0.5mm，大大提高了电池造型的灵活性。聚合物锂离子电池的单位能量比目前一般锂离子电池提高了20%-50%。电池标注了Li-ion，就是锂离子电池，但不确定具体是哪一种。

锂离子电池基本原理

锂离子电池正负极采用锂+嵌入化合物，正极采用LiCoO₂、LiNiO₂或LiMn₂O₄，负极采用锂-碳层间化合物LixC6，典型的电池体系是（具体电池根据其正负极、电解质不同，化学反应有所不同）：

正极反应（氧化反应）：    （2．1）

负极反应（还原反应）：           （2．2）

电池总反应：           （2．3）

锂金属及其化合物活跃性较高（元素周期表中Li还原性强），锂离子电池不含金属锂。充电时，在电场的驱动下从正极晶格中脱出，经过电解质，嵌入到负极晶格中。放电时，过程相反，返回正极晶格，电子通过负载（用电器），由外电路到达正极与复合。因此，充放电过程就是来回运动的过程。

锂离子电池基本参数

描述锂离子电池的基本参数有电压、容量、内阻、年自放电率、工作温度、充放电次数。大部分参数为：

电压：3.6-3.7V，容量：2200mAh，内阻<50mΩ，年自放电率：<10%，即电池静置一年电量减少小于1%，工作温度-20℃—60℃，充电次数800次。

具体的电池参数根据其电极材料、电解质材料有所不同。锂电池技术先进的品牌有三星、三洋、松下、索尼、LG等。

锂离子电池使用要求

尽管锂离子电池已经普及，但是每年的电池爆炸事件不在少数，因此锂离子电池的使用方法特别重要。聚合物锂离子电池相对液态锂离子电池安全性高出许多。液态锂离子电池在过充时，正极残余继续向负极转移，但是负极无法嵌入更多的，造成负极析出金属Li，损坏隔离膜、电池短路，电池温度升高、电池内部Li金属及其化合物活跃极易产生漏液、爆炸等。电池过放，由于负极中需要保持一定的才能保持稳定的结构，过放使更多的迁出，造成负极不可逆损坏。

锂离子电池记忆效应忽略不计，电池过充过放都会损坏内部化合物晶格，造成容量降低缩短电池寿命。因此必须使用电池保护板，但是保护板不是绝对可以保护电池。实际中配合智能充电器充电，以及严格的使用规范。

聚合物里锂电池相对于液态锂离子电池具有更高的能量密度，容量提高20%以上，更长的使用寿命，同时具有小型化、薄型化、轻量化。聚合物锂离子电池关键结构采用聚合物，包装上采用铝塑软包装，有别于液态电芯的金属外壳，因此安全性大大提高，电芯不起火、不爆炸最多只会出现气鼓。但这并不意味着就是绝对的安全，因此在使用锂离子电池时无论如何都应特别注意其使用规范。

18650锂电池

18650型锂电是电子产品中常见的锂电池，常用于其他锂电池组的电芯。其型号18650指，直径18mm，长度65mm，圆柱体型。常见的18650电池分为锂离子电池、磷酸铁锂电池。电池电压一般标记3.7V或者4.2V，3.7V指电池放电过程中的典型值，4.2V指满充时电压，理论寿命循环充放电1000次。容量多在2200—3600mAh，主流容量标有3500或4000mAh，但是此类国产电芯都为假货。目前量产的最大容量为3600mAh，技术成熟的厂家只有LG。

通常三芯电池指的就是三节18650电池串联成的电池组，一般标示参数为11.1V/2200mAh。四芯电池组，有两种组装方式，即全部串联和两两串联再并联，标示参数为14.8V/2200mAh和7.4V/4400mAh。串联输出时电流不变，电压改变。并联输出电压不变，电流改变。

锂电池标示参数解释

一，单芯锂电电压：3.7V或者4.2V。不同厂家标注不太一样，但实质都一样。3.7V指平稳放电过程中的典型值，4.2V指满充时电压。

二，容量：2200mAh。电池容量指的是电池存储电荷的能力，即mAh是电池容量计量单位，而不是电能量计量单位。电荷移动产生电流并做功，称为电能量，也称    电功。电功的描述单位俗称“度”，即(千瓦时)。1度=1=1000，国际通用单位是“”瓦-小时，即千分之一度。电功率表示电能的消耗速    度，P = U*I，P=1kW的电器一个小时耗电1千瓦时，即一度电。

但是2200mAh和这些有什么关系？2200mAh表示电池以3.7V电压加2200mA电流可以放电一个小时。

mAh是电池容量计量单位，实际就是电池内部存储的可以供外部使用的电子总数，1C（库仑）约相当于6.25×10^18个电子的电量，就是C/库仑，国际单位。

1mAh = 0.001A*3600s = 3.6 = 3.6 C。由此可知2200mAh、3.7V的电池，理论上可以输出的电能量 W = 3.7V * 2.2A * 1h  =  8.14。

这样的单个电芯电容量是2200mAh，电能量是8.14。但是存在一个问题，电池组中不止一个电芯，不论如何接（串联、并联、串并混合），综合内阻肯定    会增大，这就导致标称的综合电压降低，因此电池电容量没有改变，但是电池电能量变了。例如，三芯串联电池组标称10.8V（由于技术限制，各厂商不一样）、    2200mAh，那么该电池组的电容量是2200mAh，电能量是10.8V * 2.2mAh = 23.76。使用中我们要的是电能量，即实际电功，因此“电池组容量”性能参数    应当着重看“电能量”。而有些电池组只标注电容量，此时应当计算出电能量。

三，充放电倍率

这也是锂电池的一个重要参数，多用在航模电池中。充放电倍率用C表示，是一种放电快慢的度量。倍率，是指电池放电电流的数值为额定数值的倍数。

如1200mAh的电池，0.2C表示240mA（1200mAh的0.2倍率），1C表示1200mA（1200mAh的1倍率）。时率，以放电时间表示放电速率。即以某电流放至规    定终止电压所经历的时间，例如某电池额定容量是 20小时率时为12AH，即以=12AH表示，则电池应以12/20=0.6A的电流放电，连续达到20H者即为合格。

关于放电倍率这个性能参数，C值越大电池越贵，性价比越低。放电倍率其实不只是一个数值，确切的说它应该有两个数值，一个是极限放电倍率，一个是持续    放电倍率。极限的放电是指电池在瞬间可以放出的最大电流，电池在短时间内可以达到的最大放电电流与容量的比就是极限放电倍率。持续放电是指电池正常工    作时可以持续的状态放电的最大电流。持续放电倍率就是这个持续放电电流与电池容量的比。极限放大倍率肯定会大于持续放电倍率，但是从放电的持续性上看，    还是要看持续放电倍率。这两个值都是很重要的。电池标注的一半都是极限放电倍率，持续放电倍率约为极限的60%—80%。

对于电池生产技术，容量的提升比放电倍率简单的多，因此在需要大电流的情况下建议选择高容量适当放电倍率的电池。因为，3000mAh/12C的电池极限放电电    流是36A，而2000mAh/15C的电池极限放电电流只有30A，但是价钱却高很多。

锂电池充电曲线

根据锂离子电池的充放电化学反应原理可知，放电过程是化学能转换为电能量，充电过程是电能量转换为化学能。因此充电过程必须加以适当的电流电压，以实现稳定、充分的化学反应。对于一个完全放电的电池，充电一般分为三个阶段：预充、恒流充电、恒压充电。这里说的完全放电的电池指，放电电压低于3.2V（不同厂商在保护电路中的设定值不一样，也有低于3.2V，但不能低于2.5V，否则会损坏电池）。

预充：预充指的是以4.2V充电电压，小电流充电。目的是为了防止大电流对完全放电、久置电池的冲击。冲击的意思是，充电过程中化学反应有个起步阶段，再到稳定阶段，直接进入大电流（通常是1C）会损坏电池。

恒流充电：恒流充电是以4.2V、1C电流充电。目的是为了快速充电。恒流充电在大电流情况很难使全部Li脱嵌，极化也好，反应动力学也好，都有影响。

恒压充电：随着正极脱嵌的Li移动到负极，电池正负极电压逐渐升高至4.2V左右。充电器电压控制在1%精度内，即4.158—4.242V。恒压充电只是使残余锂脱嵌而已，而不需要过多的涓流充电。恒压充电的目的是为了防止过充电，当恒流过程终止时，电池内部的电化学极化仍然保持在整个恒流中相同的水平，恒压过程是在恒定电场作用下，内部Li+的浓差极化在逐渐消除，离子的迁移数和速度表现为电流逐渐减少。

恒压充电过程之电流会减小，电流减小的原因很简单，锂离子电池属于浓差电池，当正负极中锂离子的浓度达到一定程度后（比如说充满电），用恒压的方式来维持电化学反应的持续进行。电化学反应的动力就是正负极的电位差，在恒压状态下，锂离子不断的嵌入负极，负极的锂离子浓度越高，可以嵌入的位置减小，造成电化学反应速度降低，也就是锂嵌入负极减小；电子的转移速度也就降低（锂嵌入速度减小了），反映出的现象就是恒压过程电流减小。达到电化学平衡的时候，锂的嵌入和脱出达到一个平衡（理想状态），也是有电子的转移的，所以恒压充电不会充到电流为0，一般认为恒压充电电流在0.1C时就认为充满。

电池自放电的原因，正极和负极两个电极的氧化还原电位不同。而氧化还原电位指的就是平衡时的电极电位。