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锂离子电池的充放电原理基本有哪些?

2021-03-07   点击量:19

锂电池的充放电不是通过传统的方式实现电子的转移,而是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入,发生能量变化。在正常充放电情况下,锂离子的出入一般只引起层间距的变化,而不会引起晶体结构的破坏,因此从充放电反映来讲,锂离子电池是一种理想的可逆电池。在充放电时锂离子在电池正负极往返出入,正像摇椅一样在正负极间摇来摇去,故有人将锂离子电池形象称为摇椅池。


电池由正极锂化合物、中间的电解质膜及负极碳组成。当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。一般采用嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz等。


电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)丙烯碳酸脂、(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂搭配的高分子材料。隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜。外壳采用钢或铝材料,具有防爆的功能。锂离子电池的额定电压为3.6V。电池充满时的电压(称为终止充电电压)一般为4.2V;锂离子电池终止放电电压为2.5V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.5V后还继续使用,则称为过放电,对电池有损害。


锂离子电池的特性是通过其充放电过程中端电压的变化反映出来的。电池端电压的变化间接体现了电池的充放电容量、内阻、表面升温、充放电平台、电极极化程度、寿命等指标随时间变化的规律。因此,充放电电压特性一致的电池在电化学特性上具有很好的一致性。利用电池的动态特性配组的结果也会相应不同。


锂离子电池的充电过程分三个阶段:预充电阶段;恒流充电阶段;恒压充电阶段。


预充电阶段是在电池电压低于3V时,电池不能承受大电流的充电。这时有必要以小电流对电池进行浮充;当电池电压达到3V时,电池可以承受大电流的充电了。这时应以恒定的大电流充电。以使锂离子快速均匀转移,这个电流值越大,对电池的充满及寿命越有利;当电池电压达到4.2V时,达到了电池承受电压的极限。这时应以4.2V的电压恒压充电。这时充电电流逐渐降低。当充电电流小于30mA时,电池即充满了。


钜大特种电池工程研究院

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