锂离子电池的外特性

锂离子电池的外特性是指锂离子电池电压、充放电电流、使用寿命、过充、过放及过温现象,这些外特性是研究和开发动力锂离子电池充电器及其管理系统的基础。

1.锂离子电池电压

锂离子电池的开路电压与电池的正负极材料、电池的充放电状态有关。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关,石墨的阳极材料为4.2V;焦炭的阳极材料为4.1V;锂离子电池的终止放电电压为2.5～2.75V。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。单体锂离子电池与镍镉、镍氢蓄电池电压的对比见表8-3。

表8-3　单体锂离子电池与镍镉、镍氢蓄电池电压的对比

由表8-3可知,单体锂离子电池电压相当于镍镉、镍氢蓄电池电压的3倍。为了得到同样的端电压需要锂离子电池的数目只是镍镉、镍氢蓄电池的1/3。

但是锂离子电池对过充电和过放电十分敏感,所以它要求精密的充放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%,若充电电压过高将会影响电池寿命,甚至造成过充现象,对电池造成永久性的损坏;若充电电压过低,又会使充电不完全,电池容量得不到最大的发挥,使电池的可使用时间变短。

2.锂离子电池的充放电电流

锂离子充放电的最大电流都有一定的限制,所以充电电流应根据电池生产厂家的建议,并要求有限流电路以免发生过电流。一般常用的充电率为0.25C,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产生爆炸。同样,锂离子电池也不适合用做大电流放电,过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量),同时对电池的组成物质造成损坏、减少电池容量和使用寿命。因此,电池生产厂家会给出最大放电电流,一般限制在2C左右,在使用中应小于最大放电电流。

3.锂离子电池的使用寿命

锂离子电池和其他电池一样,也存在着使用寿命的问题。在使用正确的前提下,其容量也会随着循环次数慢慢减少,这是因为:①负极材料(石墨)中的锂逐渐被电解质氧化,造成可使用的锂离子少数量减少;②在循环中,正极材料的老化,使晶状结构慢慢遭到破坏,可容纳的锂离子数目减少。

4.锂离子电池的过充、过放及过温现象

(1)过充现象:当加载锂离子电池两端的电压超过4.5V时,就会发生过充现象。过充时,负极的石墨嵌入的锂离子完全饱和,锂将在负极沉积下来,形成锂枝晶,使电池的容量减少;同时电池继续从正极抽取过量的锂离子,造成正极材料的活性降低,也会使电池的容量减小。

(2)过放现象:是电池电压低于放电终止电压后,仍继续放电使电池电压继续降低。过放时,电极产生枝晶,电路迅速短路。虽然此时由于电池完全放电,不会造成安全方面的问题,但是电解液已经遭到了不可恢复的破坏,不能再继续使用了。

(3)过温现象:锂离子电池对温度有一定要求,电池生产厂家会给出充电温度范围、放电温度范围及保护温度范围。若超过给定的温度则发生过温,过温时,锂离子电池中的活性物质与电解液可能会发生化学反应,产生过多的热量,而电解液中存在着可燃的有机溶剂成分,此时,电池温度将失去控制,越来越高,最终导致电池燃烧,甚至爆炸。

根据以上分析的锂离子电池的外特性,可将锂离子电池的充电过程分两个阶段进行:先用恒流充电到(4.2±0.05)V,再转入(4.2±0.05)V恒压的第二阶段充电,恒压充电电流会随着时间的推移而逐渐降低,待充电电流降到恒流充电电流的1/10时,表明电池已充到额定容量的93%或94%,此时可认为基本充满,如果继续充下去,充电电流会慢慢降低到零,电池基本充满。为防止对过放的电池进行大电流的恒流充电,要先检测各单体锂离子电池的端电压,若发生过放现象,则要以恒流充电电流的1/10对电池进行预充电,直到其端电压上升到终止放电电压以上再进行大电流的恒流充电。