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锂电池充放电特性分析和测试

上传时间:2017-04-18阅读次数:编辑:admin

锂离子电池技术与测试方法
目录
第一部分
1.1锂离子电池简介----------------------------2
1.2.锂离子电池组成-------------------------3
1.3.锂离子电池原理-------------------------4
1.4.锂离子电池的种类------------------------5
1.5.锂离子电池优缺点------------------------7
1.6.如何正确使用锂离子电池------------------8
第二部分
ST-BTJCY3000型智能电池充电放电检测仪
2.1.性能特点--------------------------------10
2.2.技术指标--------------------------------11
2.3技术支持与网站信息-----------------------12
第三部分
聚合物锂离子电池规格、测试方法和标准
3.1.聚合物锂离子充电电池规格--------------15
3.2.测试标准------------------------------------------16
3.3.文档参考的国标依据--------------------------------18


第一部分
1.1锂离子电池简介
1.1.1锂离子电池(Li-ionBatteries)是锂电池发展而来。在介绍 Li-ion之前,应先介绍锂电池。举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属 于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂。电池组装 完成后电池即有电压,不需充电.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在 充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这 种电池是禁止充电的。
1.1.2后来,日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物 作正极,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电 池。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过 电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极 的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样, 当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子 脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。
1.1.3我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充 放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ion Batteries就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象运动员 一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫摇椅式电池。


1.2.锂离子电池的组成
1.2.1钢壳/铝壳系列:
(1)电池上下盖
(2)正极——活性物质一般为氧化锂钴
(3)隔膜——一种特殊的复合膜
(4)负极——活性物质为碳
(5)有机电解液
(6)电池壳(分为钢壳和铝壳两种)
1.2.2软包装系列
(1)正极——活性物质一般为氧化锂钴
(2)隔膜——PP或者PE复合膜
(3)负极——活性物质为碳
(4)有机电解液
(5)电池壳——铝塑复合膜


1.3.锂离子电池原理
1.3.1锂系电池分为锂电池和锂离子电池。目前手机和笔记本电脑使用 的都是锂离子电池,通常人们俗称其为锂电池。手机等PDA产品使用的是 锂离子电池,而真正的锂电池由于危险性大,没有应用于日常电子产品。 锂离子电池以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存 在,只有锂离子,这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物 为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱 嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的 嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。 在充放电过程中,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插,被形 象地称为“摇椅电池”。
1.3.2锂离子电池能量密度大,平均输出电压高。自放电小,每月在 10%以下。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃~60℃。循环性能优越、 可快速充放电、充电效率高达100%,而且输出功率大。使用寿命长。没有 环境污染,被称为绿色电池。
1.3.3充电是电池重复使用的重要步骤,锂离子电池的充电过程分 为两个阶段:恒流快充阶段(指示灯呈红色或黄色)和恒压电流递减阶段(指 示灯呈绿色)。恒流快充阶段,电池电压逐步升高到电池的标准电压,随后 在控制芯片下转入恒压阶段,电压不再升高以确保不会过充,电流则随着电 池电量的上升逐步减弱到0,而最终完成充电。电量统计芯片通过记录放电 曲线可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池在多次使用后,放电曲线会发 生改变,锂离子电池虽然不存在记忆效应,但是充电不当会严重影响电池性 能。 锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极 碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电 使过多的锂离子嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出 来。
1.3.4充电量等于充电电流乘以充电时间,在充电控制电压一定 的情况下,充电电流越大(充电速度越快),充电电量越小。电池充电速度 过快和终止电压控制点不当,同样会造成电池容量不足,实际是电池的部分 电极活性物质没有得到充分反应就停止充电,这种充电不足的现象随着循环 次数的增加而加剧。

1.4.锂离子电池的种类
1.4.1不可充电的锂电池有多种,目前常用的有锂-二氧化锰电池、锂 —亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。
1) 锂-二氧化锰电池(Li MnO2)
锂-二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极,并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高,额定电压为3V(是一般碱性电池的2倍);终止放电电压为2V;比能量大(见上面举的例子);放电电压稳定可靠;有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年 自放电率≤2%);工作温度范围-20℃~+60℃。 该电池可以做成不同的外形以满足不同要求,它有长方形、圆柱形及纽 扣形(扣式)。
2)可充电锂离子电池
可充电锂离子电池是目前手机中应用最广泛的电池,但它较为“娇气”, 在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此,在电池上有保护 元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。锂离子电池充电要求很高,要 保证终止电压精度在1%之内,目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子 电池充电的IC,以保证安全、可靠、快速地充电。
1.4.2根据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可以分为液 态锂离子电池(lithiumionbattery,简称为LIB)和聚合物锂离子电池(p olymerlithiumionbattery,简称为LIP)两大类。聚合物锂离子电池所 用的正负极材料与液态锂离子都是相同的,电池的工作原理也基本一致。 它们的主要区别在于电解质的不同,液态锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是 “干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚 合物锂离子电池可分为三类:
(1)固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物, 这种电池在常温下的离子电导率低,适于高温使用。
(2)凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增 塑剂等添加剂,从而提高离子电导率,使电池可在常温下使用。
(3)聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料, 其比能量是现有锂离子电池的3倍,是最新一代的锂离子电池。由于用固 体电解质代替了液体电解质,与液态锂离子电池相比,聚合物锂离子电池具 有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点,也不会产生漏液与燃烧爆 炸等安全上的问题,因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳,从而可以提 高整个电池的比容量;聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料, 其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50%以上。

此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离 子电池有所提高。 基于以上优点,聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。聚合物锂离子(Lithiumionpolymer)电池,具有更高能量密度、小型化、薄型化、 轻量化、高安全性、长循环寿命与低成本的新型电池。因此,在未来2~3 年内,聚合物锂电池取代锂离子电池市场的份额将达50%。
1.4.3当前手机已被广泛使用,早期的手机中多使用镍氢电池,但灵 巧型的手机则是锂离子电池。正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分 重要的。锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池,它根据不同的电子产品 的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式,并且有由几个电池串 联在一起组成的电池组。锂离子电池的额定电压为3.6V(有的产品为3.7 V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关:阳极材料为石墨的4.2 V;阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同,焦炭阳极的内阻 略大,其放电曲线也略有差别。一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电 池。现在使用的大部分是4.2V的,锂离子电池的终止放电电压为2.5V~2. 75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同)。低 于终止放电电压继续放电称为过放,过放对电池是有损害的。
1.4.4锂离子电池不适合用作大电流放电,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)。因此电池生产工厂给出最大放 电电流,在使用中应小于最大放电电流。锂离子电池对温度有一定要求, 工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。锂离子电池对 充电的要求是很高的,它要求精密的充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%(例如:充4.2V的锂离子电池,其允差为±0.0 42V),过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据 电池生产厂家的建议,并要求有限流电路以免发生过流(过热)。一般常用的 充电率为0.25C~1C(C是电池的容量,如C=800mAh,1C充电率即充电电流 为800mA)。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。
1.4.5锂离子电池充电分为两个阶段:先恒流充电,到接近终止电压时改 为恒压充电。以800mAh容量的电池为例,其终止充电电压为4.2V。电池以 800mA(充电率为1C)恒流充电,开始时电池电压以较大的斜率升压,当电池电压 接近4.2V时,改成4.2V恒压充电,电流渐降,电压变化不大,到充电电流降为 1/10C(约80mA)时,认为接近充满,可以终止充电(有的充电器到1/10C后启动 定时器,过一定时间后结束充电)。锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、 过放或过流时,会造成电池的损坏或降低使用寿命。


1.5.锂离子电池优缺点
1.5.1锂离子电池具有以下优点:
1)电压高,单体电池的工作电压高达3.6-3.9V,是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍
2)比能量大,目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L(2倍于Ni-Cd,1.5倍于Ni-MH),未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400Wh/L
3)循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上.对于小电 流放电的电器,电池的使用期限将倍增电器的竞争力.
4)安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属 锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域:Li-ion中不含镉、铅、汞等对 环境有污染的元素:部分工艺(如烧结式)的Ni-Cd电池存在的一大弊病为 “记忆效应”,严重束缚电池的使用,但Li-ion根本不存在这方面的问题。
5)自放电小,室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为 10%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。
6)可快速充放电,1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上。
7)工作温度范围高,工作温度为-25~45°C,随着电解质和正极的 改进,期望能扩宽到-40~70°C。
1.5.2.锂离子电池也存在着一定的缺点
1)电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高(Co的资源较少),电解质体系提纯困难。
2)不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因,电池内阻相对 其他类电池大。故要求较小的放电电流密度,一般放电电流在0.5C以下,
只适合于中小电流的电器使用。
3)需要保护线路控制。
A、过充保护:电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命;同时过充 电使电解液分解,内部压力过高而导致漏液等问题;故必须在4.1V-4.2V的 恒压下充电;
B、过放保护:过放会导致活性物质的恢复困难,故也需要有保护线路 控制。

4)充电电池定义
充电电池又称:蓄电池、二次电池,是可以反复充电使用的电池。常见 的有:铅酸电池(用于汽车时,俗称“电瓶”)、镉镍电池、氢镍电池、锂 离子电池。
5)电池的额定容量
电池的额定容量指在一定放电条件下,电池放电至截止电压时放出的电 量。IEC标准规定镍镉和镍氢电池在20±5℃环境下,以0.1C充电16小时 后以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量。单位有Ah,mAh (1Ah=1000mAh)
1.6.如何正确使用锂离子电池.
正确使用锂离子电池应注意以下几点:
避免在严酷条件下使用,如:高温、高湿度、夏日阳光下长时间暴晒等, 避免将电池投入火中; 装、拆电池时,应确保用电器具处于电源关闭状态;使用温度应保持在 -20~55℃之间; 避免将电池长时间“存放”在停止使用的用电器具中;
1.6.1.如何为新电池充电,
在使用锂电池中应注意的是,电池放置一段时间后则进入休眠状态,此 时容量低于正常值,使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活,只要经过 3—5次正常的充放电循环就可激活电池,恢复正常容量。由于锂电池本身 的特性,决定了它几乎没有记忆效应。因此用户手机中的新锂电池在激活过 程中,是不需要特别的方法和设备的。不仅理论上是如此,从我自己的实践 来看,从一开始就采用标准方法充电这种“自然激活”方式是最好的。
对于锂电池的“激活”问题,众多的说法是:充电时间一定要超过12 小时,反复做三次,以便激活电池。这种“前三次充电要充12小时以上”的说法,明显是从镍电池(如镍镉和镍氢)延续下来的说法。所以这种说法, 可以说一开始就是误传。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别,而 且可以非常明确的告诉大家,在所查阅过的严肃的且正式的技术资料中都强 调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而 充电最好按照标准时间和标准方法充电,特别是不要进行超过12个小时的 超长充电。
此外,锂电池或充电器在电池充满后都会自动停充,并不存在镍电充电 器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说,如果你的锂电池在充 满后,放在充电器上也是白充。而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路 的特性永不变化和质量的万无一失,所以你的电池将长期处在危险的边缘徘 徊。这也是我们反对长充电的另一个理由。 此外,不可忽视的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电,过放 电对锂电池同样也很不利。
1.6.2、正常使用中应该何时开始充电
经常可以见到这种说法,因为充放电的次数是有限的,所以应该将手机 电池的电尽可能用光再充电。但是我找到一个关于锂离子电池充放电循环的 实验表,关于循环寿命的数据列出如下:
循环寿命(10%DOD):>1000次
循环寿命(100%DOD):>200次
其中DOD是放电深度的英文缩写。从表中可见,可充电次数和放电深度 有关,10%DOD时的循环寿命要比100%DOD的要长很多。当然如果折合到实 际充电的相对总容量:10%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充放电还 是要比较好一些,但前面网友的那个说法要做一些修正:在正常情况下,你应该有保留地按照电池剩余电量用完再充的原则充电,但假如你的电池在你 预计第2天不可能坚持整个白天的时候,就应该及时开始充电,当然你如果 愿意背着充电器到办公室又当别论。
电池剩余电量用完再充的原则并不是要你走向极端。和长充电一样流传 甚广的一个说法,就是“尽量把电池的电量用完”。这种做法其实只是镍电 池上的做法,目的是避免记忆效应发生,不幸的是它也在锂电池上流传之今。
曾经有人因为手机电池电量过低的警告出现后,仍然不充电继续使用一直用 到自动关机的例子。结果这个例子中的手机在后来的充电及开机中均无反 应,不得不送客服检修。这其实就是由于电池因过度放电而导致电压过低, 以至于不具备正常的充电和开机条件造成的。 建议手机电池的电量保持在满格的状态,当电量不满的时候就开始充 电,2-3小时以内为宜。

第二部分
ST-BTJCY3000型智能电池充电放电检测仪
2.1.性能特点
ST-BTJCY3000型智能电池充放电检测仪由杭州思博泰克电子技术有限公司 制造,是采用现代最新电力电子技术和智能微处理技术,专业为二次充电电池充 放电过程实现智能控制、管理,达到性能监测,实际参数检测,供对电池性能比 较、筛选目的而设计的高新技术产品。它通过USB端口与计算机相连接,实现 智能控制,使用前先在计算机安装《电池测试仪软件》后运行。
ST-BTJCY3000适合镍隔电池、镍氢电池、锂离子、锂聚合物电池、太阳能 等电池或电池组检测、筛选、性能评估、锂电池保护板测试、手机电池保护功能 测试或超级电容充放电容量测试等,本产品相对同类产品特点是产品精度高,测 试结果直观明了,操作方便,便携式。


2.2.技术指标(ST-BTJCY3000)
AC输入电压:220V±10%
具有电池充电、放电、内阻测试功能
提供电脑配套软件,可以供镍隔/镍氢/
锂电池等二次电池测试
充放电电压:1.0000---5.0000V
充放电电流:0.010---3.000A
电压显示最小分辨率:0.3mV
电流显示最小分辨率:1mA
电压设置最小分辨率:10mV
电流设置最小分辨率:1mA
电池内阻最小分辨率:0.1mΩ
电压显示精度:<
电流显示精度:<
键盘设置、液晶显示
RS232接口上位机软件通信控制
恒流、恒压自动充电、放电
充电、放电模式参数任意设置、程
控、保存功能
电池充放电实时电压、电流曲线显示
电池充放电过程中X、Y坐标任意点时
间、容量、电压、电流参数显示
电池充放电电压、电流截止条件设置
过压、过流、反极性、过温保护
工作温度:

2.3技术支持与网站信息
在使用过程中,当软件曲线画面出现白屏幕现象,需要从网站下载更新文件去 替代,具体操作如下,下载文件(trend.ocx),然后在windows系统system32文件 夹下替代原有trend.ocx文件即可,如果对系统比较陌生,不熟悉操作,可以先查 找trend.ocx,然后把下载好的trend.ocx全部覆盖所查找到的trend.ocx文件 ST-TS3001A型电子负载上位机控制软件主界面 图(1)ST-TS3001A型直流 电子负载


ST-BTJCY型电池检测仪上位机控制软件主界面
图(2)型智能电池充放电检测仪


图(3)ST-BTJCY3000型智能电池充放电检测仪


第三部分
聚合物锂离子电池规格、测试方法和标准以下数据均以标称值为3.7V400mAh的锂离子电池为例:
3.1.聚合物锂离子充电电池规格 3.2.测试标准
3.3本文档编写所参考的国标依据如下:
3.3.1.中华人民共和国国家标准GB/T18287-2000
《蜂窝电话用锂离子电池总规范》
3.3.2.中华人民共和国国家标准GB4943-2001
《信息技术设备的安全标准》
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