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探究锂离子电池充电方式:正确充电来延长使用寿命

2018/05 百韧锂电池 阅读

电池的充放电是一种化学反应,但锂电池不同于化学电源。科学家认为能量流入和流出电池是由于阳极和阴极之间的离子运动。这种说法有一定的合理性,但并不是绝对正确,因为按此说法,电池可以一直使用。科学家认为容量下降是由于离子的运动受阻,但如同所有的电池系统一样,界面腐蚀也是一个很重要的因素。
锂离子充电器是一个电压限制装置,类似于铅酸系统。不同之处在于电池的电压更高、更耐压、在完全充电时无需涓流充电或浮充。铅酸电池在电压切断方面提供了一些灵活性,而锂离子电池的制造商在设置时却要非常严谨,因为锂离子电池不能过充。那些所谓的有望延长电池寿命并增加额外容量的奇迹充电器是不存在的。锂离子电池是一个“纯净”的系统,只需要它能够吸收。
3.6V的正极平台
正极材料使用传统的钴、镍、锰、铝时,锂电池的电压通常达到4.20 V,公差±50 mV 。一些镍基种类的电池为4.10 V,高容量锂电池可充至4.30 V。一定程度上更高的电压可以增加容量,但当超越规范值时,电池开始退化,并将降低使用寿命,更重要的是超越极限时的安全隐患。图1显示了锂电池在恒流阶段和过充时,电压和电流的对应关系。

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图1 锂电池充电阶段当电流下降到设定的阶段时锂电池充电完全。代替涓流充电,当电压下降时一些充电器开始快充。
电池的充电倍率是在0.5和1C之间,完整充电时间约为2-3小时。电池制造商推荐的充电倍率在0.8C或更低,以延长电池寿命。充电效率约99%,电池充电期间保持环境凉爽,充电完成时,一些锂离子电池组可能会遇到约5℃(9oF)的温度上升。这可能是保护电路起作用或内电阻升高的原因。当电池达到电压阈值或电流减小到3%的额定电流时发生完全充电。如果电压维持水平不变或不能再进一步下降时电池也被认为是完全充电。这种情况的原因可能是自放电升高。
增加充电电流不会加速充电完全状态。尽管电池达到电压峰值更快,但相应的饱和电荷将需要更长的时间。电流对应的电荷数量改变了每个阶段所需的时间,第一阶段将缩短但饱和阶段2将需要更长的时间。然而大电流充电会迅速达到容量的70%.
与铅酸一样,锂电池不需要充电完全,。事实上,最好不要充电完全,因为高电压会给电池带来压力。选择较低的电压阈值,或完全消除饱和电荷可以延长电池寿命,但这减少了运行时长。在满足最大运行时间时,大多数充电器消费品追求最大容量,不怎么看中延长使用寿命。一些成本较低的消费品充电器可以使用简化的“充电和运行”的方法,给锂电池一个小时或更少的充电时间,无需经过第二阶段的饱和电荷。当电池电压在第一阶段达到阈值便可以了。此时充电约为85%,可满足大多数用户的使用水平。
避免充电完全有很多的益处,有的厂家将充电阈值设置较低以延长电池寿命。表2示出不经饱和阶段,充电至不同电压阈值时估计的容量。

充电电压(V)/电池

截止电压处的容量

充电时间

3.80

3.90

4.00

4.10

4.20

60%

70%

75%

80%

85%

120 min

135 min

150 min

165 min

180 min

图2锂电池典型的充电特性。设定电压时使之能经过完全饱和,可以增加10%的容量,但由于高压,也有了一定的压力。
当电池第一次充电时,电压迅速增大,这种行为可以用一个橡皮筋提升一个重物来类比,造成了一定的滞后。当快充电完全时电压跟上了变化,(参见图3)。这是典型的电池充电特性。

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图3锂电池容量与充电电压的关系 容量随充电电压的变化,如同用弹性带起吊一重物。 依靠闭路电压(CCV)读取充电期间的容量是不切实际的,然而,OCT却可以用来预测已经休息了几个小时电池的充电状态,对于所有电池,温度影响OCV,锂离子的活性物质也起到了重要作用。
锂离子不可进行过度充电,当充满电时电流必须切断。连续的涓流充电会导致金属锂的沉积,这可能危及安全,为了减少压力,锂离子电池单元峰值电压保持在4.20 v的时间应尽可能地短。
一旦充电结束,电池电压开始下降,降低了电压压力。随着时间的推移,该开路电压会降到3.70和3.90V之间。请注意,经过完全饱和电荷的锂离子电池保持高压的时间超过一个未经过完全饱和的电池。
如果一个锂离子电池为了工作而处于充电状态,一些充电器使用简单的充电电压上限法以解决补偿小部分的自放电和消耗保护电路的问题。当电池的开路电压降至4.05V时充电器可以进行充电,4.20V时关闭。为电池工作或者待机而设计的充电器,经常让电池电压下降到4.00V时充电,并仅4.05V时再次充电,而不是完整的4.20V。这减少了电压相关的应力和延长电池寿命。
将某些便携式设备放在一个充电插座的开关位置上,通过装置汲取的电流称为寄生负荷,可以扭曲充电周期。电池制造商建议不要寄生负载充电,因为它会诱导产生小循环,但这总是无法避免的,;连接到交流电的一台笔记本电脑就是这样的情况。电池充电到4.20V,然后通过该装置放电。由于该循环发生的阈值在4.20V,而且往往在升高的温度下进行,所以电池的应力值很高。
便携式的设备在充电时应该关闭。这使得电池不受阻碍地达到设定的阈值电压,电流饱和时便终止充电。寄生负载通过降低电池电压和防止电流饱和阶段降低使充电器混乱。电池可以充满电,但之后的状况会提示继续充电,造成内部压力。
锂电池正极活性
传统的锂离子电池使用钴、镍、锰和铝作为正极材料,这些正极材料的标称电压为3.65V。而磷酸铁锂(LiFePO)则是一个例外,充电到3.65V时,它的标称电压为3.20V。相对较新的钛酸锂(LTO),当充电到2.85V时,它的标称电压为2.40V。
现有的充电器相对于标准的3.60V锂离子电池对这些新材料并不兼容。必须要制定新的标准来适应正确的系统和提供正确的电压。然而3.60V锂离子电池不能用来充为磷酸铁锂电池设计的充电器充电,这会导致电池过充。多元系统充电器必须制定一个新的标准来适应不同的电压。
锂电池过充
成金属锂形式,当正极材料变成氧化剂,就会变得不稳定并产生二氧化碳。电池中压力上升,如果继续充电到当前中断设备,就会让电池在1,380kPa时安全断开。
如果压力继续上升,安全隔膜会在3,450kPa (500psi)时打开,电池可能最终燃烧起来。当电池完全充满时,热击穿变得缓慢:锂-钴电池的临界值在130–150CC (266–302F);镍-锰-钴在170–180C (338–356F),而锰是在250C (482F);锂-磷酸与其相似,比锰有更好的温度稳定性。
锂离子在过充的情况下不是唯一的安全隐患。铅和镍基电池在不当操作时会融化并起火。在所有的电池设备中,正确地设计充电设备至关重要。
结论
充电锂离子电池比镍基电池更简单和直接。充电回路相对简单。电压和电流限制比分析复杂的异常情况更容易导致电池寿命的改变。可以间歇充电和充电不需要达到饱和,通常会产生铅酸。这对于可再生能源,如太阳能电池板和风力涡轮发电是一个重要的优势。如果没有涓流充电我们可以使用简化的充电器。而对于铅酸电池平衡充电器,对锂离子并不是必须的。

使用锂电池的实用指南
1.充电时设备应该关闭,这使得电池达到阈值电压时不受阻碍,达到低饱和电流。一种寄生负载混淆充电器。2.充电时温度应适中,不低于0摄氏度(3锂电池不应该充电完全,部分充满为佳。3.因充电器的不同,并不是所有的充电器指示充电完成时达到了全充满,也并不是所有的快充会使得运行时间减小。4.如果电池变得比较热,停止使用充电器或电池。5.长时间不用,存放之前,应给电池充一定的电量(40%是较为理想的)。充电过程简述:
快速充电:(0%-80% )这个阶段中,电池能够快速的充到总电量的80%,但仍需要进行连续式充电才能完成充满。(电流较强,速度较快)。
连续式充电/完成充电:(80% -100%)在电池即将充满的状态下,充电电流会逐渐减小,确保电池完成充满。(电流减弱,放缓慢充)。
涓流充电:(100%-100%)电池充满后进行微小的脉冲电流充电,确保电池真正饱和,延长电池使用时间(活跃电子,寿命更长)。

来源:材料人