锂电池技术与测试方法

1/18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----------------------------21.2.锂离子电池组成-------------------------31.3.锂离子电池原理-------------------------41.4.锂离子电池的种类------------------------51.5.锂离子电池优缺点------------------------71.6.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--------------------------------102.2.技术指标--------------------------------112.3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--------------153.2.测试标准------------------------------------------163.3.文档参考的国标依据--------------------------------182/18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-ionBatteries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。3/181.2.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4/181.3.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。5/181.4.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(polymerlithiumionbattery,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。6/18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3.7V)。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4.2V；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±0.042V)，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。7/181.5.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/L3）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