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锂电池充放电特 性分析和测试

上传时间: 2017-04-18阅读次数: 编辑:admin

锂离子电池 技术 与测试方法
目录
第一部分
1.1锂离子电池 简介   ----------------------------2
1.2.锂离子电池 组成  -------------------------3
1.3.锂离子电池 原理  -------------------------4
1.4.锂离子电池 的种 类------------------------5
1.5.锂离子电池 优 缺点------------------------7
1.6.如何正确使用锂 离子电池------------------8
第二部分
ST-BTJCY3000型智能电池充电 放电检测仪
2.1.性能特点--------------------------------10
2.2.技术指标--------------------------------11
2.3技术支持与网站 信息-----------------------12
第三部分
聚合物锂离子电 池规格、测试方法和标准
3.1.聚合物锂离子充 电电池规格--------------15
3.2.测试标准------------------------------------------16
3.3.文档参考的国标 依据--------------------------------18


第一部分
1.1锂离子电池 简介  
1.1.1锂离子电池 (Li-ionBatteries)是锂电池发展而 来。在介绍 Li-ion之前,应先介绍 锂电池。举例来讲,以前照相机里用的扣式电池就属 于锂电池。锂电 池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂。电池组装 完成后电池即有 电压,不需充电.这种电池也可能 充电,但循环性能不好 ,在 充放电循环过程 中,容易形成锂枝晶 ,造成电池内部短 路,所以一般情况下 这 种电池是禁止充 电的。
1.1.2后来,日本索尼 公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物 作正极,在充放 电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电 池。当对电池进 行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过 电解液运动到负 极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极 的锂离子就嵌入 到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样, 当对电池进行放 电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子 脱出,又运动回 正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。
1.1.3我们通常所说的 电池容量指的就是放电容量。在Li-ion的充 放电过程中,锂 离子处于从正极→负极→正极的运动状态 。Li-ion Batteries就像一把摇椅, 摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象运动员 一样在摇椅来回 奔跑。所以Li-ionBatteries又叫摇椅式电池 。


1.2.锂离子电池 的组成
1.2.1钢壳/铝壳系列:
(1)电池上下盖
(2)正极——活性物质一般为 氧化锂钴
(3)隔膜——一种特殊的复合 膜
(4)负极——活性物质为碳 
(5)有机电解液 
(6)电池壳(分为 钢壳和铝壳两种)
1.2.2软包装系列
(1)正极——活性物质一般为 氧化锂钴
(2)隔膜——PP或者PE复合膜
(3)负极——活性物质为碳 
(4)有机电解液 
(5)电池壳——铝塑复合膜


1.3.锂离子电池 原理 
1.3.1锂系电池分为锂电池和锂离子电池 。目前手机和笔记本电脑使用 的都是锂离子电池 ,通常人们俗称其为锂电池。手机等PDA产品使用的是 锂离子电池 ,而真正的锂电池由于危险性大,没有应用于日常电子产品。 锂离子电池 以碳素材料为负极,以含锂的化合物作正极,没有金属锂存 在,只有锂离子,这就是锂离子电池 。锂离子电池 是指以锂离子嵌入化合物 为正极材料电池的总称。锂离子电池 的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱 嵌过程。在锂离 子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的 嵌入和脱嵌(习 惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。 在充放电过程中 ,锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入 /脱插,被形 象地称为“摇椅电池”。
1.3.2锂离子电池 能量密度大,平均输出电压高。自放电小,每月在 10%以下。没有记忆 效应。工作温度范围宽为-20℃~60℃。循环性能优 越、 可快速充放电、 充电效率高达100%,而且输出功率 大。使用寿命长。没有 环境污染,被称 为绿色电池。
1.3.3充电是电池重复使用的重要步骤,锂离子电池 的充电过程分 为两个阶段:恒 流快充阶段(指示灯呈红色或黄色)和恒压电流递减阶段(指 示灯呈绿色)。 恒流快充阶段,电池电压逐步升高到电池的标准电压,随后 在控制芯片下转 入恒压阶段,电压不再升高以确保不会过充,电流则随着电 池电量的上升逐 步减弱到0,而最终完成充 电。电量统计芯片通过记录放电 曲线可以抽样计算出电池的电量。锂离子电池 在多次使用后,放电曲线会发 生改变,锂离子电池 虽然不存在记忆效应,但是充电不当会严重影响电池性 能。 锂离子电池 过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极 碳片层结构出现 塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电 使过多的锂离子 嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出 来。
1.3.4充电量等于充电 电流乘以充电时间,在充电控制电压一定 的情况下,充电 电流越大(充电速度越快),充电电量越小。电池充电速度 过快和终止电压 控制点不当,同样会造成电池容量不足,实际是电池的部分 电极活性物质没 有得到充分反应就停止充电,这种充电不足的现象随着循环 次数的增加而加 剧。

1.4.锂离子电池 的种 类
1.4.1不可充电的锂电 池有多种,目前常用的有锂-二氧化锰电池、锂 —亚硫酰氯电池及 锂和其它化合物电池。
1) 锂-二氧化 锰电池(Li MnO2)
锂-二氧化锰电 池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极,并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高,额定电压为3V(是一般碱性电池 的2倍);终止放电电压 为2V;比能量大 (见上面举的例子 );放电电压稳定 可靠;有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低 (年 自放电率≤2%);工作温度范围 -20℃~+60℃。 该电池可以做成 不同的外形以满足不同要求,它有长方形、圆柱形及纽 扣形(扣式)。
2)可充电锂离子 电池
可充电锂离子电池 是目前手机中应用最广泛的电池,但它较为“娇气”, 在使用中不可过 充、过放(会损坏电池或使 之报废)。因此,在电池 上有保护 元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。锂离子电池 充电要求很高,要 保证终止电压精 度在1%之内,目前各大 半导体器件厂已开发出多种锂离子 电池充电的 IC,以保证安全、 可靠、快速地充电。
1.4.2根据锂离子电池 所用电解质材料不同,锂离子电池 可以分为液 态锂离子电池  (lithiumionbattery,简称为LIB)和聚合物锂离子 电池 (p olymerlithiumionbattery,简称为LIP)两大类。聚合物锂离子电池 所 用的正负极材料 与液态锂离子都是相同的,电池的工作原理也基本一致。 它们的主要区别 在于电解质的不同,液态锂离子电池  使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池 则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以 是 “干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用 聚合物胶体电解质。聚 合物锂离子电池 可分为三类:
(1)固体聚合物电解质锂离子电池 。电解质为聚合物与盐的混合物, 这种电池在常温 下的离子电导率低,适于高温使用。
(2)凝胶聚合物电解质锂离子电池 。即在固体聚合物电解质中加入增 塑剂等添加剂, 从而提高离子电导率,使电池可在常温下使用。
(3)聚合物正极材料的锂离子电池 。采用导电聚合物作为正极材料, 其比能量是现有锂离子电池 的3倍,是最新一代的锂离子电池 。由于用固 体电解质代替了 液体电解质,与液态锂离子电池  相比,聚合物锂离子电池 具 有可薄形化、任 意面积化与任意形状化等优点,也不会产生漏液与燃烧爆 炸等安全上的问 题,因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳,从而可以提 高整个电池的比容量;聚合物锂离子电池 还可以采用高分子作正极材料, 其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池  提高50%以上。

此外,聚合物锂离子电池 在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离 子电池有所提高 。 基于以上优点,聚合物锂离子电池 被誉为下一代锂离子电池 。聚合物锂离子(Lithiumionpolymer)电池,具有更高 能量密度、小型化、薄型化、 轻量化、高安全 性、长循环寿命与低成本的新型电池。因此,在未来2~3 年内,聚合物锂电池取代锂离子电池 市场的份额将达50%。
1.4.3当前手机已被广 泛使用,早期的手机中多使用镍氢电池,但灵 巧型的手机则是锂离子电池 。正确地使用锂离子电池 对延长电池寿命是十分 重要的。锂离子电池 是目前应用最为广泛的锂电池,它根据不同的电子产品 的要求可以做成 扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式,并且有由几个电池串 联在一起组成的电池组。锂离子电池 的额定电压为3.6V(有的产品为 3.7 V)。充满电时的终 止充电电压与电池阳极材料有关:阳极材料为石墨的4.2 V;阳极材料为焦 炭的4.1V。不同阳极材料 的内阻也不同,焦炭阳极的内阻 略大,其放电曲 线也略有差别。一般称为4.1V锂离子电池 及4.2V锂离子电 池。现在使用的 大部分是4.2V的,锂离子电池 的终止放电电压为2.5V~2. 75V(电池厂给出工作 电压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同)。低 于终止放电电压 继续放电称为过放,过放对电池是有损害的。
1.4.4锂离子电池 不适合用作大电流放电,过大电流放电时会降低放 电时间(内部会产生较高 的温度而损耗能量)。因此电池生产 工厂给出最大放 电电流,在使用中应小于最大放电电流。锂离子电池 对温度有一定要求, 工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。锂离子电池 对 充电的要求是很 高的,它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电 电压精度允差为 额定值的±1%(例如:充4.2V的锂离子电池 ,其允差为±0.0 42V),过压充电会造成锂离子电池 永久性损坏。锂离子电池 充电电流应根据 电池生产厂家的 建议,并要求有限流电路以免发生过流(过热)。一般常用的 充电率为0.25C~1C(C是电池的容量, 如C=800mAh,1C充电率即充电电 流 为800mA)。在大电流充 电时往往要检测电池温度,以防止过热损坏电池或 产生爆炸。
1.4.5锂离子电池 充电分为两个阶段:先恒流充电,到接近终止电压时改 为恒压充电。以 800mAh容量的电池为例 ,其终止充电电压为4.2V。电池以 800mA(充电率为1C)恒流充电,开始 时电池电压以较大的斜率升压,当电池电压 接近4.2V时,改成4.2V恒压充电,电流 渐降,电压变化不大,到充电电流降为 1/10C(约80mA)时,认为接近充 满,可以终止充电(有的充电器到 1/10C后启动 定时器,过一定 时间后结束充电)。锂离子电池 在充电或放电过程中若发生过充、 过放或过流时, 会造成电池的损坏或降低使用寿命。


1.5.锂离子电池 优 缺点
1.5.1锂离子电池 具有以下优点:
1)电压高,单体 电池的工作电压高达3.6-3.9V,是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍
2)比能量大,目 前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L(2倍于Ni-Cd,1.5倍于Ni-MH),未来随着技术发 展,比能量可高达 150Wh/kg和400Wh/L
3)循环寿命长 ,一般均可达到 500次以上,甚至1000次以上.对于小电 流放电的电器 ,电池的使用期限 将倍增电器的竞争力.
4)安全性能好 ,无公害,无记忆效应 .作为Li-ion前身的锂电池 ,因金属 锂易形成枝晶发 生短路,缩减了其应用领 域:Li-ion中不含镉、铅、 汞等对 环境有污染的元 素:部分工艺(如烧结式)的Ni-Cd电池存在的一大 弊病为 “记忆效应”,严重束缚电池 的使用,但Li-ion根本不存在这方 面的问题。
5)自放电小,室 温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电 率为 10%左右,大大低于 Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。
6)可快速充放电, 1C充电是容量可以 达到标称容量的80%以上。
7)工作温度范围高 ,工作温度为-25~45°C,随着电解质和 正极的 改进,期望能扩 宽到-40~70°C。
1.5.2.锂离子电池 也存在着一定的缺点
1)电池成本较高 。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高( Co的资源较少), 电解质体系提纯困难。
2)不能大电流放 电。由于有机电解质体系等原因,电池内阻相对 其他类电池大。 故要求较小的放电电流密度,一般放电电流在0.5C以下,
只适合于中小电 流的电器使用。
3)需要保护线路 控制。
A、过充保护:电 池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命;同时过充 电使电解液分解 ,内部压力过高而导致漏液等问题;故必须在4.1V-4.2V的 恒压下充电;
B、过放保护:过 放会导致活性物质的恢复困难,故也需要有保护线路 控制。

4)充电电池定义
充电电池又称: 蓄电池、二次电池,是可以反复充电使用的电池。常见 的有:铅酸电池 (用于汽车时,俗称“电瓶”)、镉镍电池、 氢镍电池、锂 离子电池。
5)电池的额定容 量
电池的额定容量 指在一定放电条件下,电池放电至截止电压时放出的电 量。IEC标准规定镍镉和 镍氢电池在20±5℃环境下,以 0.1C充电16小时 后以0.2C放电至1.0V时所放出的电量 为电池的额定容量。单位有Ah,mAh (1Ah=1000mAh)
1.6.如何正确使用锂 离子电池.
正确使用锂离子电池 应注意以下几点:
避免在严酷条件 下使用,如:高温、高湿度、夏日阳光下长时间暴晒等, 避免将电池投入 火中; 装、拆电池时, 应确保用电器具处于电源关闭状态;使用温度应保持在 -20~55℃之间; 避免将电池长时 间“存放”在停止使用的用 电器具中;
1.6.1.如何为新电池充 电,
在使用锂电池中 应注意的是,电池放置一段时间后则进入休眠状态,此 时容量低于正常 值,使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活,只要经过 3—5次正常的充放 电循环就可激活电池,恢复正常容量。由于锂电池本身 的特性,决定了 它几乎没有记忆效应。因此用户手机中的新锂电池在激活过 程中,是不需要 特别的方法和设备的。不仅理论上是如此,从我自己的实践 来看,从一开始 就采用标准方法充电这种“自然激活”方式是最好的。
对于锂电池的 “激活”问题,众多的说 法是:充电时间一定要超过12 小时,反复做三 次,以便激活电池。这种“前三次充电要充 12小时以上”的说法,明显是 从镍电池(如镍镉和镍氢)延续下来的说法。所以这种说法, 可以说一开始就 是误传。锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别,而 且可以非常明确 的告诉大家,在所查阅过的严肃的且正式的技术资料中都强 调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池 造成巨大的伤害。因而 充电最好按照标 准时间和标准方法充电,特别是不要进行超过12个小时的 超长充电。
此外,锂电池或 充电器在电池充满后都会自动停充,并不存在镍电充电 器所谓的持续 10几小时的“涓流”充电。也就是说 ,如果你的锂电池在充 满后,放在充电 器上也是白充。而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路 的特性永不变化 和质量的万无一失,所以你的电池将长期处在危险的边缘徘 徊。这也是我们 反对长充电的另一个理由。 此外,不可忽视 的另外一个方面就是锂电池同样也不适合过放电,过放 电对锂电池同样 也很不利。
1.6.2、正常使用中应 该何时开始充电
经常可以见到这 种说法,因为充放电的次数是有限的,所以应该将手机 电池的电尽可能用光再充电。但是我找到一个关于锂离子电池 充放电循环的 实验表,关于循 环寿命的数据列出如下:
循环寿命(10%DOD):>1000次
循环寿命(100%DOD):>200次
其中DOD是放电深度的英 文缩写。从表中可见,可充电次数和放电深度 有关,10%DOD时的循环寿命要 比100%DOD的要长很多。当 然如果折合到实 际充电的相对总 容量:10%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充 放电还 是要比较好一些 ,但前面网友的那个说法要做一些修正:在正常情况下,你应该有保留地按照电池剩余电量用完再充的原则充电,但假如你的电池在你 预计第2天不可能坚持整 个白天的时候,就应该及时开始充电,当然你如果 愿意背着充电器 到办公室又当别论。
电池剩余电量用 完再充的原则并不是要你走向极端。和长充电一样流传 甚广的一个说法 ,就是“尽量把电池的电 量用完”。这种做法其实 只是镍电 池上的做法,目 的是避免记忆效应发生,不幸的是它也在锂电池上流传之今。
曾经有人因为手 机电池电量过低的警告出现后,仍然不充电继续使用一直用 到自动关机的例 子。结果这个例子中的手机在后来的充电及开机中均无反 应,不得不送客 服检修。这其实就是由于电池因过度放电而导致电压过低, 以至于不具备正 常的充电和开机条件造成的。 建议手机电池的 电量保持在满格的状态,当电量不满的时候就开始充 电,2-3小时以内为宜。

第二部分
ST-BTJCY3000型智能电池充电 放电检测仪
2.1.性能特点
ST-BTJCY3000型智能电池充放 电检测仪由杭州思博泰克电子技术有限公司 制造,是采用现 代最新电力电子技术和智能微处理技术,专业为二次充电电池充 放电过程实现智 能控制、管理,达到性能监测,实际参数检测,供对电池性能比 较、筛选目的而 设计的高新技术产品。它通过USB端口与计算机相 连接,实现 智能控制,使用 前先在计算机安装《电池测试仪软件》后运行。
ST-BTJCY3000适合镍隔电池、 镍氢电池、锂离子、锂聚合物电池、太阳能 等电池或电池组检测、筛选、性能评估、锂电池保护板测试、手机电池保护功能 测试或超级电容充放电容量测试等,本产品相对同类产品特点是产品精度高,测 试结果直观明了,操作方便,便携式。


2.2.技术指标(ST-BTJCY3000)
AC输入电压:220V±10%
具有电池充电、放电、内阻测试功能
提供电脑配套软件,可以供镍隔/镍氢/
锂电池等二次电池测试
充放电电压:1.0000---5.0000V
充放电电流:0.010---3.000A
电压显示最小分辨率:0.3mV
电流显示最小分辨率:1mA
电压设置最小分辨率:10mV
电流设置最小分辨率:1mA
电池内阻最小分辨率:0.1mΩ
电压显示精度:<
电流显示精度:<
键盘设置、液晶显示
RS232接口上位机软件通信控制
恒流、恒压自动充电、放电
充电、放电模式参数任意设置、程
控、保存功能
电池充放电实时电压、电流曲线显示
电池充放电过程中X、Y坐标任意点时
间、容量、电压、电流参数显示
电池充放电电压、电流截止条件设置
过压、过流、反极性、过温保护
工作温度:

2.3技术支持与网站 信息
在使用过程中,当软件曲线画面出现白屏幕现象,需要从网站下载更新文件去 替代,具体操作如下,下载文件(trend.ocx),然后在windows系统system32文件 夹下替代原有trend.ocx文件即可,如果对系统比较陌生,不熟悉操作,可以先查 找trend.ocx,然后把下载好的trend.ocx全部覆盖所查找到的trend.ocx文件 ST-TS3001A型电子负载上位机控制软件主界面 图(1)ST-TS3001A型直流 电子负载


ST-BTJCY型电池检测仪上位机控制软件主界面
图(2)型智能电池充放电检测仪


图(3)ST-BTJCY3000型智能电池充放电检测仪


第三部分
聚合物锂离子电 池规格、测试方法和标准以下数据均以标称值为3.7V400mAh的锂离子电池 为例:
3.1.聚合物锂离子充 电电池规格 3.2.测试标准
3.3本文档编写所参考的国标依据如下:
3.3.1.中华人民共和国国家标准GB/T18287-2000
《蜂窝电话用锂离子电池 总规范》
3.3.2.中华人民共和国国家标准GB4943-2001
《信息技术设备的安全标准》
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