锂离子电池充放电性能实验的分析

陈燕凤+苗鹏+宋振强

【摘 要】在数字电子化时代，各种智能终端设备用到电池越来越多，而锂离子电池是目前一种高性能的化学电池，已得到普及应用，如数码相机，手机，电车等都用到锂离子电池。而影响锂离子电池存储能量的因素很多，如材料，温度、内阻都会影响到锂离子电池的性能，本文主要从锂离子充放电性能实验来分析找出影响锂离子容量的因素，并提出解决的方案。

【关键词】锂离子电池；充电；放电；容量保持率

0 引言

锂离子电池具有高电压、高容量、循环寿命长、安全性能好、便于携带等优点，因而得到了普遍应用。现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比较昂贵，但锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5～2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池没有“记忆效应”以及不含有毒物质，即节能又环保。影响锂离子性能的因素很多，材料、温度、内阻等都会影响锂离子电池的性能，本文主要从锂离子充放电性能实验来分析找出影响锂离子容量的因素，并提出解决的方案。

1 锂离子充电放电原理

当锂离子充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子在电场的作用下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，到达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。锂离子电池在放电时，即在使用电池的过程就是放电的过程，嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极，回到正极的锂离子越多，放电容量越高。而我们常说的电池容量指的就是放电容量，它等于放电电流与放电时间的乘积。在锂离子电池的充、放电过程中，锂离子处于从正极到负极再回到正极的运动状态。

2 锂离子充放电特性

锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式，充电开始为恒流阶段，电池的电压较低，在此过程中，充电电流稳定不变。随着充电的继续进行，电池电压逐渐上升到4.2V，此时充电器应立即转入恒压充电，充电电压波动应控制在1%以内，充电电流逐渐减小。当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段。涓流充电也称维护充电，在维护充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态。

锂离子电池放电时，为了避免过大的电流会导致内部发热，而造成电池永久性的伤害，放电电流不能过大。电池电压也不能低于放电终止电压后，否则将继续放电，将产生过放电现象，这也会造成电池永久性损坏。在不同的放电率下，电池电压的变化有很大的区别。放电率越大，相应剩余容量下的电池电压越低。

下面（图1，图2）对同一个型号的锂离子电池同一个温度下用不同的电流进行充放电的测试。

如图1，图2显示，当充放电电流为0.05C时，充电至3.9V时充入84%的电量，理论上在3.9V时应该有84%的带电量，但放电曲线顯示3.9V时放出容量16%，即带电量为84%，几乎没有偏差；当充放电电流为0.5C时，充电至3.9V时充入71%的电量，理论上在3.9V时应该有71%的带电量，但放电曲线显示3.9V时放出容量12%，即带电量为12%，存在17%左右的偏差。说明在充放电过程中由于极化内阻的存在，充放电截止瞬间电压与实际电压（开路电压）间存在偏差，且充放电电流越大，偏差越大。

基于上面这点，我们知道一般来说电流越大，充电速度越快，但是电池也有内阻，电流过大，根据焦耳定律Q=I2Rt会引起电池发热，容易引起电池爆炸， 电池上一般有保护电流限制限流过大。

3 不同情况下锂离子电池充放电后的影响

锂离子电池在放电的时候，电池电压随电量的流逝会逐渐降低，且有相当大的斜率，我们可近似用电压来估算电池剩余容量，但也有几个不稳定性，如在同一个电池上，放电电流越大，电压就会越低；温度越底，在同等容量的电池的电压也会越低；锂离子电池的材料和放电平台也会影响电压的变化。

3.1 温度对锂离子电池的影响

锂离子电池的温度对锂离子电池的性能影响很大，当温度升高时，锂离子电池的活性就会增加，它可提高充电电压和放电电压，也可提高效率及容量，但如果锂离子电池温度过高，锂离子电池的性能将会降低，甚至发生爆炸，如果锂离子电池长时间工作在高温状态下，锂离子电池的寿命将会缩短。当温度降低时，锂离子电池的活性会明显的降低，锂离子电池的内阻和极化电压将增大，锂离子电池实际可用的容量将减少，锂离子电池能量的利用率下降。以下我们通过实验测试温度对锂离子电池性能的影响。

①不同温度下，0.5C容量的保持率

我们通过保持0.5C的电流对分别对钴酸锂离子电池型号523450-900和三元体系锂离子电池型号803040-900在不同的温度下进行放电，同时记录放电时间，测试它们的容量， 容量的保持率就是通过多次测试的容量除以第一次测试的容量或者标称容量，算出容量保持率。以下是通过测设平台测试出的数据及曲线图：

从图3来看，说明钴酸锂受温度影响较小，15-35℃，电池容量保持率变化不大，但15℃以下，每5℃，容量将以4%的容量衰减；从图4看，说明三元材料体系受温度影响较大，随着温度的降低，容量保持率越差，基本每5℃以4-5%的衰减比率下降；图3和图4对比，钴酸锂在5℃下，容量保持率还在90%以上，而三元体系，容量保持率已经低于85%。

②温度对容量影响的分析

温度对容量是否有影响，我们来以型号357292-2500锂离子电池进行测试，以不同温度进行放电测试，首先以10℃化成中心，观测温度对容量的影响，记录如下表二、表三

从表二中可知，相同温度下充电，不同温度下放电，温度降低，电池可逆容量变小；

从表三中，不同的温度下同时充放电，电池高温下容量较高； 低温下充放电，容量损失更大；

综上说明了电池受温度影响较大，温度越低的情况下给电池充放电，电池损失的容量就越高。

3.2 不同的充放电方法对锂离子电池的影响

①串联充电

锂离子电池组串联充电，结构简单，成本底比较容易实现，但单个锂离子电池存在容量、内阻、衰减特性，放电大小等因素的差异，当对锂离子电池串联充电时就会出现容量小的电池先充满，如果继续充电，小容量的锂离子电池将会过充，而锂离子电池过充会影响锂离子电池的性能，有可能会爆炸，这是非常危险的。这就要求锂离子串联充电时配有电池管理系统，当单个电池充满电时就要对电池过充保护，切断充电电路，停止充电，这保护了这只单体电池被过充，但同时也会造成其它电池没充满。为了不影响串联电池组的容量，这需要电池管理系统和充电设备协调配合进行充电。

②并联充电

对锂离子电池组并联充电，解决了串联充电出现单体电池过充或不满电的问题，但并联充电需要多个低压、大电流的充电电源为每一个单体进行充电，这样的充电电源成本高，可靠性低，充电效率低等缺点。

③串并联充电

使用串联大电流充电加小电流并联充电，先对串联电池组进行大电流充电，当某个单体电池充满电电池管理系统自动切断电源，其它没充满电的单体配小电流的并联充电电源继续充，直到充满为止。这种方法避免的串联充电易出现的过充电、充不满的问题，也避免了并联充电出现的电源成本高、可靠性低、充电效率低等一系列问题。

④快速充电和慢速充电

随着锂离子电池成为大多数便携式电子产品的充电电池的首选，快速充电已成为创新的领域。怎么样才算“快充”和“慢充”？我们对不同的充电速度有不同是术语。我们把一节锂离子电池的电容量为1C，同种型号不同的锂离子电池的容量并不完全相等，1C只是一个逻辑的概念。在充电时，充电电流小于0.1C时，称为涓流充电。涓流充电电流非常的小，它能够把电池充得很足，也不伤害电池的寿命，但花的时间实在太长了。电流在0.1C-0.2C之间为慢速充电，大于0.2C，小于0.8C是快速充电，大于0.8C的为超高速充电。

慢速充电对电池寿命影响很小，但需要的时间很长，特别是容量大的锂离子电池，这就对使用带来不便。快速充电大电流在充电过程中会长生大量的热量，当充电电流越大，就会有更多的电能转换成热能，长时间的充电，温度就很高，对电池危害很大。为了解决这个问题，快速充电采用各种方法来降低充电时的温度，缓解热量的聚集，从而将温度控制在一定范围内。快速充电还会使锂离子电池过充，这样会导致电池性能受到严重破坏甚至爆炸。为了避免过充电，锂离子电池组内部设置有电子电路保护，预防过充。

锂离子电池主要是负荷固定的方式进行放电，放电过程中负荷的电阻不变，但电池的电阻会发生变化。随放电过程的进行，电压下降。当电压降低到一定值时，会发过放，导致集流体的溶解。锂离子过度的放电也会使电池永久性损坏，可能发生内部金属镀敷，引起短路。目前大多锂离子电池都设置有保护电路，当放电电压低于2.5V或高于4.3V时，该电路自动断开电池的连接。

4 总结

本文主要介绍的锂离子的工作原理，对锂离子充放电的过程进行分析，观察实验现象，找到合适的充电方法，延长电池的使用寿命，并为研究锂离子电池充放电特性提供里理论的依据。

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[责任编辑：张涛]