锂离子电池基本特性

本博客参考立锜技术文件理解整理得来:

1. 概述

锂离子/聚合物电池(以下均简称锂离子电池)是以锂合金的金属氧化物为阳极材料、以石墨为阴极材料、使用非水电解质的可充电电池。与其它类型的二次电池相比,锂离子电池具有以下优点:重量轻,其能量密度是镍-镉电池的两倍;自放电比镍-镉电池少6〜8倍;没有记忆效应;单元电压大约3.7V,属于较高水平,通常能满足大多数应用的需要。这些特点让锂离子电池在便携式电子产品中得到广泛的应用。
下图显示了几种典型的锂离子电池样品,它们被使用在不同的应用中,容量范围从 200mAh 至 2800mAh。标准的锂离子电池通常使用刚性的外壳,锂聚合物电池则通常使用柔性或是袋状的外壳,这可以使它们的外形尺寸更小、重量更轻。在进行锂离子电池的应用设计时,必须了解电池的充放电特性以确保设计出的产品是安全的而且电池的寿命是最优化的。
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2. 锂离子电池基本特性

2.1 放电曲线

放电率愈高,电池容量愈低,温度低时,电池容量也会降低。 不同的放电率表现出不同的电池容量,在较高的放电电流下,电池容量达不到额定值,电池电压因为电池的内阻而出现了较大的跌落(C为电池容量,单位Ah)。
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2.2 充电曲线

锂离子电池进行充电时的三个阶段:预充电、恒流充电和恒压充电。 预充电的意义是要对电池的状态进行调整,使之进入可以进行大电流快速充电的状态;恒流充电的作用是将电能快速地储存到电池中,恒压充电阶段则是最后的调整阶段,它使电池的容量最大化。下图显示了充电的三个阶段:
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预充电(Precharge) 发生在电池电压比较低时,对于大多数锂离子电池来说,这个电压通常定义在3V以下,此阶段的充电电流一般控制在0.1C-0.3C左右。恒流充电(CC) 的电流大多设定在0.5C-1C左右,电池电压被充电到设置的电压(一般为4.2V或4.35V,根据电池种类不同而不同)。恒压充电(CV) 阶段,电流将逐渐下降,下降到一定程度(通常是0.1C)以后,可以认为电池已经充满了,充电过程将截止。


2.3 循环寿命

循环次数是当一个电池所经历完整充放电的次数,是可由实际放电容量与设计容量来估计。每当累积的放电容量等于设计容量时,则循环次数一次。通常在500次充放电循环后,完全充电的电池容量约会下降 10%〜20%。
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2.4 自放电率

所有电池的自放电都会随着温度上升而增加。自放电基本上不是制造上的瑕疵,而是电池本身特性。然而制造过程中不当的处理也会造成自放电的增加。通常电池温度每增加10°C,自放电率即倍增。锂离子电池每个月自放电量约为1〜2%。
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2.5 充电温度控制

锂电池的工作温度范围是-20〜60℃,电池所处的温度对其充电会有重大影响。通常情况下,温度过低或过高时,应当禁止对电池进行充电操作。正常锂电池充电温度控制在10〜45℃。 有的国家和地区还对电池充电制定了不同温度下的不同策略,日本在此方面是一个典型,特别制订的JEITA规范就要求在温度过低和过高时降低恒流充电电流、恒压充电电压,这一规范恰好与电池的容量随着温度的变化而变化的特性紧密对应,下图显示了单节锂电池充电JEITA规范。
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在T2-T3温度范围内,充电电流和充电电压上限都在正常范围。在低温时(T1-T2),锂离子反应缓慢,持续大电流充电时会产生大量热量加快电池老化,规划规定在此范围内充电电流降至0.5C,温度低于T1或高于T5时充电停止。在高温时(T3-T5), 如果充电期间电池表面温度升至 T3 以上,阴极材料开始变得更加活跃,会在电池电压升高时与电解质产生化学反应,温度过高会发生爆炸。因此在高温时需要降低截至电压,T3-T4阶段,最大截至电压为4.15V。T4-T5阶段,最大截至电压为4.1V,使用低充电压确保电池安全性。


2.6 锂离子电池保护

锂离子电池在使用中最重要的是要确保它不会被过度充电和放电,这两种行为对它的伤害都是不可修复的,甚至可能还是危险的,因为它的内部材料结构被破坏了,什么问题都可能表现出来。因此使用中首先要做的就是要给它加上保护电路,确保过度的行为不会发生。目前市面上锂离子电池保护IC很多,其功能都一样就是实现过流、过压保护和过充、过放保护,下图是截取自RT9545规格书的应用电路图:
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在一般应用中,保护IC这部分电路是和电池一起放在电池包里的,用户能够看到的仅仅是+、-两个电极。使用锂电池时需要注意是否内置保护芯片,确保锂电池在使用时不会被过放。 电路中Q1和Q2既是用于实现放电和充电时的保护开关,当IC在开关两端检测到过大的电压压降时,就会强制MOSFET进入截止状态,从而关闭流过电池的电流,达到保护电池的目的。


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