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标题: 迄今为止最全面深入的锂电池资料 [打印本页]
作者: amazontan 时间: 2012-8-9 19:12
标题: 迄今为止最全面深入的锂电池资料
锂电池（Lithiumbattery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池内含有金属态的锂，一般是不可充电的电池。锂离子电池不含有金属态的锂，锂以离子的形态存在，一般是可充电电池。 笔记本电脑、手机等使用的锂电池，主要是锂离子电池Li-ion Battery。锂离子电池可分为两大类：液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)，iPhone使用的是聚合物锂离子电池(PLB)。
一、锂离子电池工作原理
所谓锂离子电池是指分别用两个能嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负电极构成的二次电池。液态锂离子电池和聚合物锂离子电池基本工作原理是相同的。
（一）锂离子电池通常由锂离子电芯、保护电路(PCM)和电池外壳三部分构成。
锂电芯：锂电池拆开后——没有专业设备可别这么干，很危险滴——可以看到锂离子电芯，如下图所示：左侧为锂离子电池的电芯；右侧围锂聚合物电池的电芯。电芯加上保护电路，安装上外壳，就是我们常见的锂离子电池。
★这个就是小四电池拆开的样子——引用自FY“911sniper”的帖子。
★ 下面是锂离子电池电芯的结构示意图： 
锂离子电芯由正极锂化合物、中间的电解质和隔膜、负极碳化合物组成。
（1）正极：
电芯的正极是将钴酸锂（LiCoO2）加上导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板；
（2）负极：
负极是层状石墨加上导电剂和粘合剂涂在铜箔基带上形成负极—目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。
（3）电解质：
液态锂离子电池的电解质是液态的有机溶液（下图左侧）；聚合物锂离子电池的电解质是将液态的有机电解液吸附在一种聚合物基质上，所以被称为凝胶聚合物电解质（下图右侧）。
（4）隔离膜：
隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，采用PP/PE/PP三层隔膜优点是熔点较低，具有较高的抗穿刺强度，起到了过热保险作用。
（5）电芯外壳：
外壳采用钢或铝材料，具有防爆的功能。
（二）锂电池的充放电原理
锂离子电池的正极氧化钴锂和负极石墨和都具有层状结构，在特定电压下锂离子能够嵌入或脱出这种层状结构，而材料结构不会发生不可逆变化。
充电时，正极中的锂原子电离成锂离子和电子。电子经外部电源向负极运动；锂离子在外加电场作用下，在电解液中由正极脱离，穿过隔离膜迁移到负极，与运动到负极的电子结合，还原成锂原子，插入到负极石墨的层状结构中。 放电时，锂原子在负极表面电离成锂离子和电子，分别通过电解液和负载流向正极运动，在正极重新复合成锂原子然后插入到正极的氧化钴锂的层状结构中。
其充放电的电化学反应方程式如下所示：
（三）锂离子电池的充电过程
锂离子电池充电原理曲线图：
标准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：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；
恒流充电：当电池电压达到3V时，电池可以承受大电流的充电时，以恒定的较大电流充电，以使锂离子快速均匀转移，而电池电压随着充电过程逐步升高； 恒压充电：当电池充到4.2V，达到了电池承受电压的极限时，应以4.2V的电压进行恒压充电，电流根据电芯的饱和程度，随着充电过程的逐步减小，当减小到0.01C时，认为充电终止。
充电电流减小到0.01C时，要停止充电。否则，电池因过充而降低寿命。恒压充电阶段要求电压控制精度为1%。依国家标准，锂离子电池要能在1C的充电电流下，可以循环充放电500次以上。
（PS：C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，如电池是1000mAh（毫安小时）的容量，1C就是充电电流1000mA，注意是mA而不是mAh，0.01C就是10mA。）当然，规范的表示方式是0.01C5A，这里简化了。
锂离子电池的充电过程需要进行精确过程控制，通常由充电控制电路完成。对于iPhone而言，这个控制电路内置于手机内部，受IOS的充电进程控制。
PS：由于苹果并未开放充电控制进程的接口函数，所以充电过程的精确控制只能有IOS系统来完成。所谓的电池医生类软件并不能实现对充电过程的控制，但是这类软件通过读取电池的当前电压， 实现对手机使用者进行适时充放电的提醒，这个功能还是很有用的，应该是对IOS系统充电控制功能的一个很好补充；而其所谓的涓流充电——不安装这个软件也会进行，但是这种软件会有个充到时间的提醒——如果经常使用的话，却往往称为电池过充电的罪魁祸首。
这种软件记得用过以后要清理掉它的后台，要不然一直读取你的电池信息——这也会使耗电增加的。
二、过充电与过放电
锂离子电池的额定电压通常为3.6V或3.7V。电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为4.2V。当充电电流小于 时仍然继续充电，将会导致电源继续升高，称为过充电；锂离子电池终止放电电压为2.75V或2.55V。如果锂离子电池在使用过程中电压已降到终止放电电压后还继续使用，则称为过放电。
（一）过充电和过放电的危害
（1）锂电池芯过充到电压高于截止电压（一般设为4.25V）时，会对电芯产生破坏性的损害。锂电芯电压高于4.25V 后，正极材料内剩下的锂原子数量不到原来一半，此时储存锂离子的晶格会因为失去支撑而产生塌陷，失去嵌入锂离子的能力，从而使电池容量产生永久性的下降。
如果继续充电，由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会从负极表面向锂离子来的方向——正极——生长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时甚至在短路发生前电池就会起火燃烧或者爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会同时发生裂解反应产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破 裂，让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。
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（2）放电时，锂离子也不可以完全移向正极，必须保留一部分锂离子在负极，以保证下次充电时的锂离子畅通嵌入通道。如果过度放电，同样会导致负极材料的晶格塌陷或锂离子嵌入通道被氧化物堵塞，失去嵌入锂离子的能力，从而使电池容量产生永久性的下降。
（二）锂离子电池保护电路（PCM）
为了保证碳层中放电后留有部分锂离子，就要严格限制放电终止最低电压，也就是锂离子电池不能过放电。使用钴酸锂（LiCoO2）为正极材料制作的锂离子电池，其放电终止的最低电压通常为2.75V或2.55V。此外，因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路，为确保安全，也必须使其立即停止放电。
因此，锂离子电池至少需要三重保护电路——过充电保护，过放电保护，短路保护。
（1）过充保护电路
保护IC检测电池电压，当电压达到4.25V时（假设电池过充点为 4.25V）即启动过度充电保护，将MOSFET开关管由接通转为切断，进而截止充电。
（2）过放保护电路
保护IC检测电池电压，当电压达到过放电电压检测点（假定为2.75V或2.55V）时将启动过放电保护，将MOSFET开关管由接通转为切断，进而截止放电。
（3）短路保护电路
当放电电流过大或短路情况产生时，保护 IC 将启动过（短路）电流保护，增大电池内阻，停止电池放电。
必须说明的是，保护电路截止充电和放电的控制IC是基于晶体管的，而晶体管的所谓截止只是指通过电流低于设定值即认为开关断开，并不是如同我们平时所见到的闸刀开关一样完全断开。因此如果不及时拔下充电器或者及时充电，过充电和过放电的问题依然会出现。
（4）锂离子电池的保护电路通常和电芯封装在一起，成品电池有些是看不到这些保护电路的。
此外，不适合的温度，将引发锂离子电池内部其他化学反应生成对电池有害的化合物，过高的温度甚至会有起火燃烧和爆炸的危险，所以在不少的锂离子电池内部安装有温敏电阻或者在正负极之间设置保护性的温控隔膜。在电池升温到一定的情况下，复合膜膜孔闭合或电解质变性，电池内阻增大直到断路，电池不再升温，确保电池充电温度正常。
三、关于锂离子电池应该知道的
（1）新手机需要至少三次不少于12小时的充电以激活手机电池？
那么电池需要激活吗？答 案是肯定的，需要激活！但是，这个过程是由生产厂家完成的，与用户无关，用户也没有能力完成。
锂电池真正的激活过程是这样的：锂离子电池壳灌输电解液--封口--化成，就是恒压充电，然后放电，如此进行几个循环，使电极充分浸润电解液充分活化，直至容量达到要求为止，这就是激活电芯最关键的过程——分容。
封装好的锂电芯插入专用的分容柜，进行分容。电芯厂分容柜每个可以放几百只电芯，即几百个检测点。这些柜子就是类似充电器一样的东西，只不过它可以同时为大量的电芯充电，并通过电脑管理得到每一个检测点的数据。锂电芯在这里化成得到容量，并知道容量的大小，这就是分容。通过分容，确定电芯的等级。 比如063048电芯,达到700至750mAh的算A级，而仅达到650至700mAh算B级。A级的价格较高，B级的价格稍低，C级的则廉价出售给加工垃圾电池的“山寨”厂。（当然，确定等级还要看内阻等指标）。 生产出的锂电芯是不能马上销售的，而是入库最少保存15天，在这个期间，对电芯的质量进行再次检测。达到保存期限的电芯，再次检测再次分容，就是说再次充放电，把容量达不到等级，或质量出现问题的淘汰掉，然后以保持50%左右的电量交给销售部门，最后到手机电池组装厂手中。 电池组装厂也拥有分容设备，在收到电芯厂的电芯后，会把用于电池组装的电芯再次分容。
从以上的生产过程可以看出：
★锂电芯生产出后是已经“激活容量”并且“有电”的，并不需要手机的使用者进行所谓的“激活容量”。 ★就是相同等级、同样标称值的锂电池，实际容量也未必完全相同。这也是为什么同样是4S，有的同学待机时间很长，可以到处炫耀；有的则相对较短，弄的郁闷不已。
发帖子的老兄说他的电池逆天了[img]http://bbs.weiphone.com/images/post/smile/default/[s=023].gif[/img] [img]http://bbs.weiphone.com/images/post/smile/default/[s=023].gif[/img]
（2）新买的手机无法开机，可能是电池坏掉了？
原装电池刚买时不能开机，有几个原因：一是保护板死锁，电池没有输出电压，这样的电池在瞬间充电后就恢复电压，马上就“有电”了，这到是激活。再有就是放置时间太长，电芯的电压低到了2.5V以下，而保护板的下限截止电压一般是2.5V,此时电池没有输出，但并不证明电芯没有电，如果电芯在2.2V以上，还能“激活”的，对于这样的电池我们拿来正常充电使用就是了。
（3）锂离子电池没有记忆效应，可以随便充电？
记忆效应的原理是充放电过程中电池材料的结晶化，主要发生在镍镉电池。锂电池中几乎不会产生这种反应，因此没有记忆效应。
但是，锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降，其原因是复杂而多样的。主要是正负极材料本身的变化，从分子层面来看，正负极上容纳锂离子的空腔结构会逐渐塌陷、堵塞；从化学角度来看，是正负极材料活性钝化，生成稳定的其他化合物。物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况，总之最终降低了电池中可以自由在充放电过程中移动的锂离子数目。因此要确保电池没有过度的充电和过度放电。
（4）在合适的温度下充放电。
不适合的温度，将引发锂离子电池内部其他化学反应生成对电池有害的化合物，损害电池的使用寿命。另外，过高的温度甚至会有起火燃烧和爆炸的危险，所以要在合适的温度下手机和充电。0°C 至 35°C 和 -20°C 至45°C 是运行与存放 iPhone 的适宜温度。尽量让你的 iPhone 接近房间的温度 (22°C)，这是最理想的状态。
以下图片引用自苹果的官方网站。
（5）充电周期和充电次数。
锂电寿命和充电周期的完成次数有关，和充电次数没有直接关系。一个充电周期意味着电池的所有电量由满用到空，再由空充到满的过程。这并不等同于充一次电。其意义见下图。
上图表示，先充40％，用了一段时间以后又充了20％，下次用过以后又充了30％，再下次20％;在该20％的中途，即刚补充了10％的电力之时，总共累计完成一个充电周期。之后是下一个周期。
简单的理解，例如，一块锂电在第一天只用了一半的电量，然后又为它充满电。如果第二天还如此，即用一半就充，总共两次充电下来，这只能算作一个充电周期，而不是两个。因此，通常可能要经过好几次充电才完成一个周期，锂电池的标称充电周期一般为300～500个。每完成一个充电周期，电量就会减少一点，但一般减少幅度非常小，高品质的电池充过多次周期后，仍然会保留原始电量的 80%，很多锂电供电产品在经过两三年后仍然照常使用，就是这个原因。
当然锂电寿命到了最终还是需要更换的。
以下图片引用自苹果官方网站
（6）关于充电的建议。
一是不要电量耗尽再充电，也不要每次充电一充就是一夜，正确的做法是随用随充，最多用到20%左右就要开始充电。锂离子电池喜欢浅充浅放，建议80%左右为宜。如果必须要充满，则电量充满后，涓流补充10—20分钟即可，然后拔下充电器。
二是尽量使用原装充电器。原装的苹果充电器设计完善，充电电流纯净、稳定，这对电池的保养非常重要。
三是控制好充电时的温度。过高的温度会使锂电池受到损害，所以尽量要保持在室温下，建议充电时摘掉保护壳。
（7）电池校准。
细心的FY会发现，随着使用时间的增长，iPhone的电池容量会出现不同程度的下降，即使再小心也不能避免。
但是能不能一定程度的进行修复呢？？答 案是肯定的。这也就是苹果官方网站上建议的电池校准。
以下图片来自苹果官方网站
这个建议其实就是电池的校准操作，目的是让IOS的充电控制软件重新确认电池的容量。
下图是苹果官方网站上关于电池校准的标准解释，虽然是针对笔记本电脑的，但是可以提供参考和对比。
只是这个电池校准建议未免太笼统了点。继续翻苹果的网站，找到了关于OS X Lion系统的电池校准建议，参考一下。
在查找相关资料的过程中无意发现了一篇中南大学关于锂离子电池容量修复的硕士论文，其中的一些实验数据也可以为FY们提供参考。
根据实验结果，锂电池每50个1C电流充电循环完成后，进行一次0.1C电流的完全充电，可以在很大程度上让电池的容量下降减少。
对于iPhone4S来说，1C电流是1430mA——但是苹果的充电器设计电流值没这么大，额定为1000mA，充电时实测一般为900mA左右。
这个设计主要是出于对充电速度和对电池寿命影响综合考虑的结果——锂离子电池充电电流一般越小越好，但是往往充电时间长的会让人难以忍受。但在校准电池的时候，却可以考虑用输出电流一些的质量有保证的充电器来完成校准过程。
综合上述资料可以得出结论：iPhone电池进行校准是必须的。在校准充电时建议用0.1C的小电流充电，以其得到最好的修复结果。
要注意的是为了可靠起见，不建议新手用到iPhone自动关机，而是用到出现低电量提醒或10%左右即可。虽然这样有违校准电池容量的初衷，但我们更主要的目的应该是修复受损的容量吧。（毕竟有些FY用到自动关机的时候再次充电时，出现了一些问题）。而所谓的“电池医生”一类的软件这个时候倒是可以发挥下作用，因为要把电池完全充电，需要所谓的涓流充电，这些软件可以在充电完成的时候提醒我们一下子——不过一大堆功能里面，估计也就是这个有点用。
PS：关于电池医生一类软件FY们反映电量统计不准的问题——充电容量大于标称容量等。
这有三个原因：
1.同样标称容量的电芯容量也是有差别的，不可能完全相同 ——这是生产工艺决定的。小四电池的1430mAh只是标称容量，电芯容量会有一定出入，很正常。
2.不同温度下充电，充进的电荷量也不会相同的。
3.电池循环一定次数以后，电池内的的芯片的容量计数会出现偏差，需要重新校准——源自苹果官方，够权威吧。
4.因为计量算法的不同，这类软件可能会出现显示电量不同的现象。
电池医生一类的软件读取的是电池内芯片的数据——这和苹果自己的电量统计进程是一样的——当然会出偏差，没什么奇怪的。苹果自己的电量统计何尝不是如此？？不少FY都有这样的经验，明明显示电量比较小了，重启一下又会上升，就很说明问题了。
（8）适度优化。
使用经验证明，适度的优化手机，减少不必要的服务，可以减小待机放电电流，增加待机时间。这无形中增加了每个充电周期的使用时间。同样500个充电循环周期，电池可以相对使用的久一些。这方面的内容，提供两个帖子作参考，大家可以根据需要选择性的进行优化。
（9）苹果关于iPhone电池使用的建议。
作者: 失落得世界 时间: 2012-8-9 19:34
很好的，学习了
作者: SONGXXSONG 时间: 2012-8-9 20:09
学习了
作者: Sevfen 时间: 2012-8-9 20:15
感谢分享
作者: 没米人 时间: 2012-8-9 20:49
很不错
作者: 乡村人 时间: 2012-8-9 20:59
http://bbs.weiphone.com/read.php?tid=5096246&u=
作者: 佛爷 时间: 2012-8-9 21:36
感谢LZ:em00:
作者: 爱飞老韩 时间: 2012-8-9 23:13
标题: 标题
很好、学习了。
作者: 瞎玩 时间: 2012-8-10 15:56
:em07: 学习
作者: 6689 时间: 2012-8-10 16:48
太多字了看完都不明白..:em22:
作者: cookxk 时间: 2012-8-10 19:01
好文
作者: mozhiqi 时间: 2012-8-17 15:26
长知识了。
作者: 392077929 时间: 2012-8-21 13:14
帮顶
作者: 海陆空总管 时间: 2012-8-21 21:52
从中又学到了新知识，感谢LZ:em26:
作者: yx963987 时间: 2012-8-23 00:12
学习了
作者: knss 时间: 2012-9-21 11:16
主要还是讲的锂离子电池，，当科普了～～谢谢楼主
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