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了解鋰電池的基本知識

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2018年07月21日  

便攜式電子產品以電池作為電源。隨著便攜式產品的迅猛發展,各種電池的用量大增,并且開發出許多新型電池。除大家較熟悉的高性能堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外,還有近年來開發的鋰電池。本文主要介紹有關鋰電池的基本知識。這包括它的特性、主要參數、型號的意義、應用范圍及使用注意事項等。


鋰是一種金屬元素,其化學符號為Li(其英文名為lithium),是一種銀白色、十分柔軟、化學性能活潑的金屬,在金屬中是最輕的。它除了應用于原子能工業外,可制造特種合金、特種玻璃(電視機上用的熒光屏玻璃)及鋰電池。在鋰電池中它用作電池的陽極。


鋰電池也分成兩大類:不可充電的及可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池,它只能將化學能一次性地轉化為電能,不能將電能還原回化學能(或者還原性能極差)。而可充電的電池稱為二次性電池(也稱為蓄電池)。它能將電能轉變成化學能儲存起來,在使用時,再將化學能轉換成電能,它是可逆的,如電能化學能鋰電池的主要特點。


靈巧型便攜式電子產品要求尺寸孝重量輕,但電池的尺寸及重量與其它電子元器件相比往往是最大的及最重的。例如,想當年的“大哥大”是相當“粗大、笨重”,而今天的手機是如此的輕巧。其中電池的改進是起了重要作用的:過去是鎳鎘電池,現在是鋰離子電池


鋰電池的最大特點是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位,W是瓦、h是小時;kg是千克(重量單位),L是升(體積單位)。這里舉一個例來說明:5號鎳鎘電池的額定電壓為12V,其容量為800mAh,則其能量為096Wh(12V×08Ah)。同樣尺寸的5號鋰-二氧化錳電池的額定電壓為3V,其容量為1200mAh,則其能量為36Wh。這兩種電池的體積是相同的,則鋰-二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的375倍!


一節5號鎳鎘電池約重23g,而一節5號鋰-二氧化錳電池約重18g。一節鋰-二氧化錳電池為3V,而兩節鎳鎘電池才24V。所以采用鋰電池時電池數量少(使便攜式電子產品體積減孝重量減輕),并且電池的工作壽命長。


另外,鋰電池具有放電電壓穩定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲存壽命長、無記憶效應及無公害等優點。


鋰電池的缺點是價格昂貴,所以目前尚不能普遍應用,主要應用于掌上計算機、PDA、通信設備、照相機、衛星、特種、特種、儀器等。隨著技術的發展、工藝的改進及生產量的增加,鋰電池的價格將會不斷地下降,應用上也會更普遍。


不可充電的鋰電池


不可充電的鋰電池有多種,目前常用的有鋰-二氧化錳電池、鋰—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。本文僅介紹前兩種最常用的。


1、鋰-二氧化錳電池(LiMnO2)


鋰-二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極,并采用有機電解液的一次性電池。該電池的主要特點是電池電壓高,額定電壓為3V(是一般堿性電池的2倍);終止放電電壓為2V;比能量大(見上面舉的例子);放電電壓穩定可靠;有較好的儲存性能(儲存時間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤2%);工作溫度范圍-20℃~+60℃。


該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求,它有長方形、圓柱形及紐扣形(扣式)。圓柱形的也有不同的直徑及高度尺寸。這里列舉大家較熟悉的1#(尺寸代碼D)、2#(尺寸代碼C)及5#(尺寸代碼AA)電池的主要參數。


CR表示為圓柱形鋰-二氧化錳電池;五位數字中,前兩位表示電池的直徑,后三位表示帶一位小數的高度。例如,CR14505,其直徑為14mm,高度為505mm(這種型號是通用的)。


這里要指出的是不同工廠生產的同型號的電池其參數可能有些差別。另外,標準放電電流值是較小的,實際放電電流可以大于標準放電電流,并且連續放電及脈沖放電的允許放電電流也不同,由電池廠提供有關數據。例如,力興電源公司生產的CR14505給出最大連續放電電流為1000mA,最大脈沖放電電流可達2500mA。


照相機中用的鋰電池多半是鋰-二氧化錳電池。這里將照相機中常用的鋰-二氧化錳電池列入表2,供參考。


紐扣式(扣式)電池尺寸較小,其直徑為125~245mm,高度為16~50mm。幾種較常用的扣式電池如表3所示。


CR為圓柱形鋰-二氧化錳電池,后四位數字中前兩位為電池的直徑尺寸,后兩位為帶小數點的高度尺寸。例如,CR1220的直徑為125mm(不包括小數點后的數),其高度為20mm。這種型號表示方法是國際通用的。


這種扣式電池常用于時鐘、計算器、電子記事本、照相機、助聽器、電子游戲機、IC卡、備用電源等。


2、鋰-亞硫酰氯電池(LiSOCl2)


鋰-亞硫酰氯電池是比能量最高的一種,目前可達到500Wh/kg或1000Wh/L的水平。它的額定電壓是36V,以中等電流放電時具有極其平坦的34V放電特性(可在90%容量范圍內平坦地放電,保持不大的變化)。電池可以在-40℃~+85℃范圍內工作,但在-40℃時的容量約為常溫容量的50%。自放電率低(年自放電率≤1%)、儲存壽命長達10年以上。


以1#(尺寸代碼D)鎳鎘電池與1#鋰-亞硫酰氯電池的比能量作一個比較:1#鎳鎘電池的額定電壓為12V,容量為5000mAh;1#鋰-亞硫酰氯的額定電壓為36V,容量為10000mAh,則后者的比能量比前者大6倍!


應用注意事項


上述兩種鋰電池是一次性電池,不可充電(充電時有危險!);電池正負極之間不可短路;不可以過大電流放電(超過最大放電電流放電);電池使用至終止放電電壓時,應從電子產品中及時取出;用完的電池不可擠壓、焚燒及拆卸;不可超過規定溫度范圍使用。


由于鋰電池的電壓高于普通電池或鎳鎘電池,使用時不要搞錯以免損壞電路。通過熟悉型號中的CR、ER就可以知道它的種類及額定電壓。在購買新電池時,一定要按原來的型號來買,否則會影響電子產品性能。


可充電的鋰電池


可充電的鋰電池有多種,如鋰-釩氧化物電池,鋰離子電池及國外新開發的鋰-聚合物電池等。這里僅介紹前兩種,重點介紹鋰離子電池。


可充電鋰離子電池是目前手機中應用最廣泛的電池,但它較為“嬌氣”,在使用中不可過充、過放(會損壞電池或使之報廢)。因此,在電池上有保護元器件或保護電路以防止昂貴的電池損壞。


鋰離子電池充電要求很高,要保證終止電壓精度在1%之內,目前各大半導體器件廠已開發出多種鋰離子電池充電的IC,以保證安全、可靠、快速地充電。


現在手機已十分普遍,手機中一部分是鎳氫電池,但靈巧型的手機則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長電池壽命是十分重要的。


1.鋰-釩氧化物電池(Li-V6O13)


鋰-釩氧化物電池以鋰為陽極、釩氧化物為陰極、無機鹽的有機溶劑為電解質組成。它的特點是可以充電。以2號電池為例,將鋰-釩氧化物電池與鋰-二氧化錳電池及鋰-亞硫酰氯電池相比較如表5所示。


由表5可知,由于鋰-釩氧化物電池的額定電壓僅為2.8V,而且額定容量也小,故與其它兩種鋰電池相比,其比能量是最小的。該類圓柱形電池的主要參數如表6所示。從表6可看出,其充電次數(循環壽命)也不長,所以這種可充電電池不久就由鋰離子電池替代了。


2.鋰離子電池(Li-Ion)


鋰離子電池是目前應用最為廣泛的鋰電池,它根據不同的電子產品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式,并且有由幾個電池串聯在一起組成的電池組。


鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產品為3.7V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關:陽極材料為石墨的4.2V;陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內阻也不同,焦炭陽極的內阻略大,其放電曲線也略有差別,如圖1所示。一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池。鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V~2.75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓,各參數略有不同)。低于終止放電電壓繼續放電稱為過放,過放對電池會有損害。


鋰離子電池不適合用作大電流放電,過大電流放電時會降低放電時間(內部會產生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產工廠給出最大放電電流,在使用中應小于最大放電電流。


鋰離子電池對溫度有一定要求,工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍。


鋰離子電池對充電的要求是很高的,它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%(例如,充4.2V的鋰離子電池,其允差為±0.042V),過壓充電會造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應根據電池生產廠的建議,并要求有限流電路以免發生過流(過熱)。一般常用的充電率為0.25C~1C(C是電池的容量,如C=800mAh,1C充電率即充電電流為800mA)。在大電流充電時往往要檢測電池溫度,以防止過熱損壞電池或產生爆炸。

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