锂离子电池特性及充、放电管理

锂离子电池基本工作原理和结构

        电池的基本原理：正极发生还原反应，得电子；负极发生氧化反应，失电子。电子经过负载，由负极流向正极，形成方向从正极到负极的电流。

        介绍锂离子电池的工作原理时，以应用较为广泛的 18650 锂离子电芯为例，下面是发生的化学反应示意图和公式：

        化学老师死的早啊，尼玛这是什么！就算是学霸，也没在高中学化学时见过这样的化学反应式吧。先看放电过程中正极的反应（钴酸根先拿掉）。

1. 1个 (+1)价锂离子<------ (1-x) 个 (+1/(1-x)) 价锂离子 + x个 (+1) 价锂离子 + x个电子

   令 x=0.5，得：

1. 1个 (+1) 价锂离子<------0.5个 (+2) 价锂离子 + 0.5个 (+1) 价锂离子 + 0.5个电子

   两边乘以2，得：

1. 2个 (+1) 价锂离子<------1个(+2)价锂离子 + 1个 (+1) 价锂离子 + 1个电子

   再简化：

1个 (+1) 价锂离子<------1个(+2)价锂离子 + 1个电子

 

        这个公式其实是描述整体反应，而不是描述单个个体反应的。用 简单的话来说就是：

1. 正极的(+1/(1-x))价（其中，0<x<1）锂离子通过电池负载回路得到负极的电子，被还原成(+1价)锂离子；
2. 负极的锂原子失去电子，被氧化为(+1)价锂离子，电子从负极流入负载回路，锂离子通过电解质流向正极；

        又回到电池基本原理了吧。正极的核心是 (+1/(1-x)) 价锂离子，负极核心是锂原子，两者反应生成 (+1)价锂原子，氧化还原反应中的电子流动形成电流。

        在现实中制作电池时，总需要物质来承载正极的锂离子和负极的锂原子，就好像货物总是需要货架的。那么锂离子的货架就是 钴酸根 离子，与锂离子共同构成正极；负极的锂原子则由带孔石墨等材料构成，不至于反应后，把负极反应没了。正极和负极之间是电解质和隔膜，既用于锂离子流动，也用于隔离正负极，防止内部短路。

        为什么要讲锂离子电池的基本工作原理和结构？后面谈锂电池充电、放电截至电压和过充、过放的危害时会用到。

锂离子电池特性

        用户最关心的锂离子电池的特性是电容量，比如常说的 2000mAh，指的是在锂电池在正常工作情况下所能放出的电荷数。我们看一份锂离子电池的规格说明书：

        这块电池比较重要的几个参数：

• 容量            ：2500 mAh
• 充电截止电压：4.2 V
• 放电截止电压：2.5 V
• 最大充电电流：4000 mA
• 最大放电电流：20000 mA

        总之都是围绕电池容量和充放电来考虑的。 电池容量取决于负极能放出多少电子以及正极能吸收多少电子。

        为什么会有充电截止电压呢，换句话来说，过压充电后会有什么问题？在前面描述锂离子电池结构时提到，负极是由石墨和锂原子组成的，其实锂并不是以原子形态存在的，而是以锂离子形态和石墨共存的。过压充电后，锂离子会析出为晶体状锂，无法参与充放电，导致电池容量减少。就好像 xxoo 时，插的太深，拔不出来了。

        为什么会有放电截至电压呢，换句话说，放电过度后会有什么问题？过度放电后，负极中的锂离子大量流向正极，导致石墨空虚，部分区域发生坍塌，无法再存放锂离子，也会导致电池容量减少。这句话你总该懂吧：小撸怡情，大撸伤身，强撸灰飞烟灭。没错，过度放电后就“灰飞烟灭”了。当你的锂离子电池过度放电时，它就会对你无声地控诉：少年，身体要紧啊！

        具体到一个锂电池，它的容量在不同放电电流和温度下也是不同的，且随充放电周期数增多而减少。

        下面是某型号锂离子电池温度和电池容量的关系：

下面是某型号锂离子电池放电电流和电池容量的关系：

锂离子电池充电

锂离子电池的充电管理，主要是保证充电电流不能过大，不能过充，温度合适，还要尽可能地提高充电速度。

下面是一份锂离子电池充电过程中电压、电流和容量的变化关系图：

1. 以 0.7C 电流恒流充电，至电压升至充电截止电压 4.2V
2. 以充电截止电压 4.2V 恒压充电，至电流降低到 55mA

这里有几个重要参数：

• 恒流充电电流
• 恒压充电电压
• 充电截止电流（充电完成的标志）

        恒流充电电压是固定的，绝对不可以随便修改。恒流充电电流只要不超过最大充电电流即可，其大小会影响充电速度。充电截止电流可以自由调节，其大小会影响电池充入的电量和充电时间。

 

锂离子电池放电

        锂离子电池放电时，主要是注意放电电流不要过大和不过度放电就行了。

锂离子电池电量检测

        锂离子电池电量检测的核心问题是获取剩余电量和总容量，以提示用户剩余充电时间和剩余放电时间，为用户合理安排时间提供依据。

        现在大多数设备为了简化设计，用电池电压来判断剩余电量，在要求不严格的场合可以接受，但是是一种不严谨的行为。电池在同一剩余电量状态下，当处于不同温度、不同放电电流时，电压时不同的。较为严谨的做法是统计电量。

        一块新电池安装在设备上后，必须经历一次完整的放电或完整的充电。这样做是考虑到了两点：获取电池总容量和获取当前剩余电量。

1. 从无电到充满电，检测充入电荷数，得到总容量
2. 放电一段时间，当前电量 = 前电量- 放电量
3. 充电一段时间，当前电量 = 前电量 + 充电量

        有了当前电量，再加上当前充电或放电电流，就可以预算剩余充电时间和放电时间；还可以结合总容量，提供电量百分比信息。

        

        

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