關於鋰電池的使用、維護與保養問題

本貼僅討論在使用 【健康的電池】 和 【健康的充電設備】條件下的使用、維護及保養,劣質電池、充電設備造成的損害不在本帖討論範圍之內。

鋰離子電池是一種二次電池(充電電池),它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處於富鋰狀態;放電時則相反。電池一般採用含有鋰元素的材料作為電極,是現代高性能電池的代表。鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池,通常人們俗稱其為鋰電池,而真正的鋰電池由於危險性大,很少應用於日常電子產品。

鋰離子電池的使用與維護,鋰離子電池的優缺點

鋰離子電池(Li-ion,Lithium Ion Battery):鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點,因而得到了普遍應用——現在的許多數碼設備都採用了鋰離子電池作電源,儘管其價格相對來說比較昂貴。鋰離子電池的能量密度很高,它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍,而且具有很低的自放電率。此外,鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優點也是它廣泛應用的重要原因。

1鋰電池對充電的要求

相對於對放電環境(溫度)的要求,鋰電池對充電(溫度)環境要求更為苛刻。鋰電池的最佳充電環境為 5 到 45 攝氏度。雖然0到5攝氏度依然可以正常充電,但是充電電流需要相對(5 到 45 攝氏度環境)減少,才可以最大限度的維持電池壽命。

關於鋰電池的使用、維護與保養問題

高溫或高於 45攝氏 度充電會降低電池性能,甚至會降解電池內的電解液。低溫或低於0攝氏度 會導致內阻增加,導致充電時間延長。另外在低於0攝氏度的環境下充電時,電池會處於一種亞凍結的狀況,會對電池造成【不可逆轉】的損傷。對手機這種使用鋰電池供電的設備,除非需要撥打緊急電話,否則不建議0攝氏度以下進行充電操作。

2鋰電池對放電環境的要求

對於放電方面,鋰電池對環境並沒有什麼太過明確的要求,主要是不能因為環境溫度 高/低/熱/冷 就不用電池,而且相對來說放電環境並不如充電環境可控(如散熱等)

電池的【最佳工作環境】為 20 攝氏度 左右,在 27攝氏度 時會提供 【100%】 的標稱性能/容量,這也是一般生產商用於測試、衡量電池性能、壽命的實驗環境(溫度)

使用電池的【建議最高溫度】為 50 攝氏度,【最高安全溫度】為 60 攝氏度,大多數的電池在 零下20度 的時候會【停止工作】

溫度高於 25 至 30 攝氏度時,每 10 攝氏度的溫度提升會提高大約 2% 的電池性能(容量釋放),但是會降低電池循環次數/降低壽命。

低於 27 至 20 攝氏度時,電池容量會減少,內阻會增加。根據【使用的電解液不同】,有的電池在 0 攝氏度 的時候只能提供標稱 50% 的容量(參考)溫度越低,電池所能釋放的能量(容量)就會越少。

【總結】電池也就是一種消耗品,我們維護、延長電池的目的是為了儘量在可控的範圍內增加其使用壽命、保障使用安全。如果純粹是為了更長的壽命而影響到我們原本的使用目的,就得不償失了。

3鋰電池循環次數/壽命

一般我們可以看到電池生產商會在包裝上標明電池的使用壽命,比如500次循環(充放電次數),即電池在充放電500個循環之內可以保障電池的正常容量和壽命。然而這個500次循環(充放電次數)是怎麼被定義的呢?電池生產商一般採用用80% DOD標準來定義一支電池的壽命,即把電池容量消耗80%(剩餘20%),然後充滿,為一個循環(以模擬日常使用情況)

實際上,到底一個循環的定義是什麼,到底怎麼計算,目前是沒有一個具體標準的. 但是經過BatteryUniversity測試(以下皆為鋰電池數據)得知:

從 0% 充電至 100%,可在電池容量降至 70% 前,可循環 300 - 500 次;

從 50% 充電至 100%,可在電池容量降至70%前,可循環 1200 - 1500 次;

從 25% 充電至 100%,可在電池容量降至70%前,可循環 2000 - 2500 次;

從 10%充電至 100%,可在電池容量至降70%前,可循環 3750 - 4700 次。

【總結】綜上所述,大家充電的時候不必過多糾結於電池的循環次數、剩餘電量多久充電最合適. 通過BatteryUniversity的實驗數據來看,大家可以放心的隨用隨充了。

4鋰電池長期存放環境

與其它充電電池不同,鋰離子電池的容量會緩慢衰退,與使用次數無關,而與溫度有關。可能的機制是內阻逐漸升高,所以,在工作電流高的電子產品更容易體現。【儲存溫度與容量永久損失速度的關係如圖所示】

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5鋰離子電池放電

放電終止電壓:鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產品為3.7V),終止放電電壓為2.5-2.75V(電池廠給出工作電壓範圍或給出終止放電電壓,各參數略有不同)。電池的放電終止電壓不應小於2.5(n是串聯的電池數),低於終止放電電壓繼續放電稱為過放,過放會使電池壽命縮短,嚴重時會導致電池失效。電池不用時,應將電池充電到保有20%的電容量,再進行防潮包裝保存,3~6個月檢測電壓1次,並進行充電,保證電池電壓在安全電壓值(3V以上)範圍內。

放電電流:鋰離子電池不適合用作大電流放電,過大電流放電時內部會產生較高的溫度而損耗能量,減少放電時間,若電池中無保護元件還會產生過熱而損壞電池。因此電池生產工廠給出最大放電電流,在使用中不能超過產品特性表中給出的最大放電電流。

放電溫度:不同溫度下的放電曲線是不同的。在不同溫度下,鋰離子電池的放電電壓及放電時間也不同,電池應在-20℃到+60℃溫度範圍內進行放電(工作)。

 6貯存和運輸

鋰離子電池可貯存在溫度為-5~35℃,相對溼度不大於75%的清潔、乾燥、通風的環境中,應避免與腐蝕性物質接觸,遠離火源及熱源,不要置於陽光直射的地方,不能隨意拆卸電池。電池若長期貯存,電池電量應保持標稱容量的30%~50%,推薦貯存的電池每6個月充電一次。

電池應包裝成箱進行運輸,在運輸過程中應防止劇烈振動、撞擊或擠壓,防止日曬雨淋,可使用汽車、火車、輪船、飛機等交通工具進行運輸。

  7短路

  8過充

所有的鋰離子電池,包括聚合物鋰離子電池、鋰鐵電池等等,都非常害怕過充。鋰離子電池如果充電時間過長,發生的爆炸的可能性就會加大。鋰的化學性質非常活潑,很容易燃燒,當電池充放電時,電池內部持續升溫,活化過程中所產生的氣體膨脹,使電池內壓加大。壓力達到一定程度,如外殼有傷痕,即會破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸。所以,大家在使用鋰離子電池的時候要非常注意安全。

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  9充電注意事項

鋰離子電池過度充放電會對正負極造成永久性損壞。過度放電導致負極碳片層結構出現塌陷,而塌陷會造成充電過程中鋰離子無法插入;過度充電使過多的鋰離子嵌入負極碳結構,而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。充電量等於充電電流乘以充電時間,在充電控制電壓一定的情況下,充電電流越大(充電速度越快),充電電量越小。電池充電速度過快和終止電壓控制點不當,同樣會造成電池容量不足,實際是電池的部分電極活性物質沒有得到充分反應就停止充電,這種充電不足的現象隨著循環次數的增加而加劇。

  10鋰離子電池的安全特性:

對於鋰離子電池安全性能的考核指標,國際上規定了非常嚴格的標準,一隻合格的鋰離子電池在安全性能上應該滿足以下條件:

(1)短路:不起火,不爆炸

(2)過充電:不起火,不爆炸

(3)熱箱試驗:不起火,不爆炸(150℃恆溫10min)

(4)針剌:不爆炸(用Ф3mm釘穿透電池)

(5)平板衝擊:不起火,不爆炸(10kg重物自1M高處砸向電池)

鋰離子電池的優點:

(1)電壓高單體電池的工作電壓高達3.7-3.8V(磷酸鐵鋰的是3.2V),是Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍。

(2)比能量大能達到的實際比能量為555Wh/kg左右,即材料能達到150mAh/g以上的比容量(3--4倍於Ni-Cd,2--3倍於Ni-MH),已接近於其理論值的約88%。

(3)循環壽命長一般均可達到500次以上,甚至1000次以上,磷酸鐵鋰的可以達到2000次以上。對於小電流放電的電器,電池的使用期限,將倍增電器的競爭力。

(4)安全性能好無公害,無記憶效應。作為Li-ion前身新型鋰離子電池的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發生短路,縮減了其應用領域:Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環境有汙染的元素:部分工藝(如燒結式)的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”,嚴重束縛電池的使用,但Li-ion根本不存在這方面的問題。

(5)自放電小室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月後的自放電率為2%左右,大大低於Ni-Cd的25-30%,Ni-MH的30-35%。

(6)快速充電1C充電30分鐘容量可以達到標稱容量的80%以上,磷鐵電池可以達到10分鐘充電到標稱容量的90%。

(7)工作溫度工作溫度為-25~45°C,隨著電解液和正極的改進,期望能擴寬到-40~70°C。

(6)焚燒:不爆炸(煤氣火焰燒烤電池)

  11鋰離子電池的缺點:

(1)衰老:與其它充電電池不同,鋰離子電池的容量會緩慢衰退,與使用次數有關,也與溫度有關。這種衰退的現象可以用容量減小表示,也可以用內阻升高表示。因為與溫度有關,所以在工作電流高的電子產品更容易體現。用鈦酸鋰取代石墨似乎可以延長壽命。 儲存溫度與容量永久損失速度的關係:    (2)回收率:大約有1%的出廠新品因種種原因需要回收。

(3)不耐受過充:過充電時,過量嵌入的鋰離子會永久固定於晶格中,無法再釋放,可導致電池壽命短。

(4)不耐受過放:過放電時,電極脫嵌過多鋰離子,可導致晶格坍塌,從而縮短壽命。

最後再幫大傢俱體總結一下一些隨手可以做到,延長鋰電池性能的習慣和做法吧!

1、最佳充電溫度為 5 攝氏度 至 45 攝氏度,不要在 0 度以下,45 攝氏度以上時充電。

2、鋰電池放電溫度儘可能的低於 50 攝氏度。

3、不要過放,或者放電至 0% 時充電,可以隨用隨充。

4、長期存放鋰電池時,剩餘電量保持在 40% 至 60% 之間最佳,溫度接近 0 攝氏度 最佳。


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