鋰離子電池充放電測(cè)試及最佳壽命

實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于鋰離子電池，充放電時(shí)間和電池使用壽命兩個(gè)參數(shù)是至關(guān)重要的，這兩個(gè)參數(shù)與用戶(hù)的使用方式有關(guān)，良好的使用方式有利于延緩電池的老化，進(jìn)而延長(zhǎng)電池壽命。本文首先統(tǒng)計(jì)了電池充電的相關(guān)參數(shù)，并從化學(xué)可逆反應(yīng)原理進(jìn)行了分析；再結(jié)合理論設(shè)計(jì)了四種電池放電方案，并將四種方案下的放電電流大小、放電時(shí)間、電池放電容量進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試四種方案下的電池壽命，結(jié)果表明：逐級(jí)階梯式放電方案下的電池壽命最高。

1鋰離子電池工作原理1.1系統(tǒng)模型鋰離子電池結(jié)構(gòu)主要由正負(fù)電極板和隔膜兩部分組成，如圖1所示，其中正電極活性材料一般為錳酸鋰或鈷酸鋰，而負(fù)電極活性材料一般為石墨。經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)，在正負(fù)極上均可以產(chǎn)生鋰離子。正負(fù)電極之間的隔膜是一種經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，具有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子自由通過(guò)，但電子無(wú)法通過(guò)。在充放電過(guò)程中，電子通過(guò)外界電路在正負(fù)極之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)，與鋰離子結(jié)合。因此，在鋰離子電池中不存在金屬鋰存在，只有鋰離子，主要依靠鋰離子在正負(fù)極之間的嵌入和脫出來(lái)工作。1.2工作原理鋰離子電池是二次電池，即可以進(jìn)行循環(huán)充放電。因此，鋰離子電池的工作原理就是電池充放電的化學(xué)反應(yīng)原理，如圖2所示。充電：當(dāng)外接電源對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，外部電路對(duì)其做功，電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，含鋰化合物的正極有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳，呈層狀結(jié)構(gòu)，具有很多微孔，到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。正極化學(xué)反應(yīng)式為：放電：同理，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即使用電池的過(guò)程），石墨上嵌人的鋰離子由負(fù)極脫出進(jìn)人電解液，由電解液插嵌進(jìn)人正極，釋放存儲(chǔ)的化學(xué)能，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎笥诌\(yùn)動(dòng)回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。負(fù)極化學(xué)反應(yīng)式為：從上可以得出，鋰離子電池的工作原理就是鋰離子電池充放電的原理，也就是鋰離子的脫出過(guò)程。通常所說(shuō)的電池容量就是指放電容量。電池的總反應(yīng)式為：從上述反應(yīng)式可以看出，鋰離子電池內(nèi)部化學(xué)反Li應(yīng)只涉及兩種微觀粒子運(yùn)動(dòng)，含鋰化合物化學(xué)反應(yīng)生成的鋰離子(Li+)和自由電子(e-）。

2電池充電測(cè)試系統(tǒng)鋰離子電池充電測(cè)試系統(tǒng)模型如圖3所示，由高低溫可控溫箱、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀和電腦組成。鋰離子電池的正負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線與可控溫箱連接在數(shù)據(jù)采集儀上。測(cè)試過(guò)程中，溫箱設(shè)定到目標(biāo)溫度，保溫30min，確保電池內(nèi)部已經(jīng)達(dá)到設(shè)定溫度后進(jìn)行測(cè)試。3數(shù)據(jù)分析3.1鋰離子電池充電測(cè)試此次充電選用的鋰離子電池相關(guān)參數(shù)如表1所示。測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)探究在高低溫下的電池相關(guān)性能，其中包括電池過(guò)放后激活時(shí)間、電池充滿(mǎn)時(shí)間、充滿(mǎn)電壓、截止充電電流、溫度變化與截止充電電壓的關(guān)系。充電過(guò)程均從3V開(kāi)始測(cè)試，直到電池充滿(mǎn)，充電模式采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電。以20W恒定功率給電池充電，測(cè)試電池在不同溫度下工作的相關(guān)性能，具體參數(shù)如表2所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以得出以下幾個(gè)結(jié)論。（1）當(dāng)電池過(guò)放后，常溫下的激活時(shí)間最短，低溫下的激活時(shí)間最長(zhǎng)。

（2）電池充滿(mǎn)時(shí)間與溫度呈反比，這是因?yàn)殡姵貎?nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。高溫時(shí)，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速率加快，縮短了充電時(shí)間；低溫時(shí)，充電時(shí)間大于常溫和高溫情況下的充電時(shí)間，常溫和高溫下的充電時(shí)間相差不大，這是因?yàn)榈蜏叵?，化學(xué)反應(yīng)速率較低。

（3）高溫下，電池充滿(mǎn)后的電壓僅為4.17V，這是因?yàn)殡姵爻浞烹姷倪^(guò)程實(shí)際是化學(xué)可逆反應(yīng)，溫度較高時(shí)，破壞了化學(xué)反應(yīng)動(dòng)態(tài)平衡。

（4）根據(jù)第3條結(jié)論，高溫下恒壓階段的截止充電電流較大，這均可以由可逆化學(xué)反應(yīng)來(lái)解釋。

（5）化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，溫度的影響較大，因此，低溫下的涓流充電時(shí)間長(zhǎng)于常溫和高溫充電時(shí)間。進(jìn)而以45W恒定功率對(duì)電池進(jìn)行充放電測(cè)試，結(jié)果如表3所示，相比于20W功率，過(guò)放后激活時(shí)間、電池充滿(mǎn)時(shí)間、涓流時(shí)間均有縮短。而截止電流略大,規(guī)律一致。量化溫度對(duì)電池截止充電電壓的影響，記錄-5～50℃內(nèi)的截止充電電壓，結(jié)果如圖4所示。可以看出，當(dāng)溫度在-5～30℃時(shí)，截止電壓值上下浮動(dòng)，常溫25℃時(shí)截止電壓為4.39V，此截止電壓為溫度范圍內(nèi)的最高值；當(dāng)溫度在30～50℃時(shí)，截止電壓值與溫度呈反比，當(dāng)溫度為50℃，截止電壓為4.17V,對(duì)應(yīng)的充電曲線如圖4（b）所示，溫度為50℃時(shí)，充電截止電壓為常溫和低溫時(shí)的95%，下降了5%。圖4（a)不同溫度下充電截止電壓；(b)-5℃、25℃、50℃下電壓曲線3.2鋰離子電池放電測(cè)試實(shí)際生活中，電池的放電場(chǎng)景主要是給負(fù)載供電，負(fù)載的能量需求和用戶(hù)的使用習(xí)慣會(huì)影響電池的使用壽命。放電電流不能過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部出現(xiàn)永久性損害；不能過(guò)度放電，鋰離子電池內(nèi)部存儲(chǔ)電能是靠可逆的化學(xué)變化實(shí)現(xiàn)的，過(guò)度放電會(huì)導(dǎo)致這種化學(xué)變化不可逆。在此次測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)了四種放電曲線模型，放電時(shí)間共計(jì)12h，分別探究了四種模型下的放電容量、電池壽命情況，四組測(cè)試實(shí)驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)。

模型一：50mA放電時(shí)間為10h，500mA和1000mA放電時(shí)間均為1h。模型二：500mA放電時(shí)間為10h，50mA和1000mA放電時(shí)間均為1h。模型三：1000mA放電時(shí)間為10h，50mA和500mA放電時(shí)間均為1h，如圖5(a)(b)(c)所示。圖5(a)放電模型一；(b)放電模型二；(c)放電模型三；(d)放電模型四理論計(jì)算放電容量如表4所示，測(cè)試模型一的理論放電容量為1550mAh，測(cè)試模型二的理論放電容量為6550mAh，測(cè)試模型三的理論放電容量為10550mAh。但是上述放電曲線存在以下不足。(1)放電電流的突變性，從大電流1000mA切換到500mA或者從500mA切換到50mA，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)均為可逆反應(yīng)，其過(guò)程不是瞬態(tài)進(jìn)行，因此理論與實(shí)際測(cè)試存在誤差。（2）對(duì)于未知電池的特性，需要對(duì)放電時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，即現(xiàn)有的放電電流需與時(shí)間相互匹配。

基于以上兩點(diǎn)不足，測(cè)試實(shí)驗(yàn)對(duì)放電電流的切換設(shè)置了1min的緩沖時(shí)間，并且放電電流逐級(jí)降低50mA,為放電模型四,如圖5(d)所示。給予電池內(nèi)部化學(xué)可逆反應(yīng)預(yù)留緩沖時(shí)間，且每個(gè)放電電流保持時(shí)間均為1h。計(jì)算理論放電容量為8700mAh，該放電容量介于模型二和模型三之間，且滿(mǎn)足市面上大多數(shù)電子產(chǎn)品的需求。

3.3鋰離子電池壽命的測(cè)試在此次測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，將電池實(shí)際放電容量下降至標(biāo)稱(chēng)容量的80%時(shí)定義為閾值電量。在25℃下，定義電池實(shí)際放電容量下降到閾值電流時(shí)的充放電次數(shù)為電池壽命,其中充放電為一次循環(huán)。上述的四種模型進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，其放電次數(shù)結(jié)果如圖6所示。四種情況下的電池壽命分別為495次、465次、450次、553次。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出結(jié)論：小電流放電時(shí)間越長(zhǎng)，越有利于延長(zhǎng)電池壽命，但并不是延長(zhǎng)壽命的主要因素。模型四的階梯式逐級(jí)遞減放電模式,其電池壽命均大于其他三種模型，分別為三種模型的1.12倍、1.19倍、1.23倍。這說(shuō)明放電電流及其放電時(shí)間對(duì)電池壽命的影響最大，是主要因素。

4結(jié)論在此次工作中，分別對(duì)電池的充放電做了理論設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試。充電部分：從溫度的角度對(duì)鋰離子電池充電過(guò)程中的性能參數(shù)做了大量系統(tǒng)性的研究，結(jié)果表明，電池過(guò)放后，在常溫下的激活時(shí)間最短，低溫最長(zhǎng)，電池充滿(mǎn)時(shí)間與溫度呈反