剖析電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機理

2016-11-22  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

一、何為電池

二、電池的工作原理

三、電池的分類

四、電池產(chǎn)品注意事項

一、何為電池

把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。兩個具有電位差的金

屬片在電解質(zhì)溶液中,受電位差的影響,負(fù)離子從低電

位極片(負(fù)極)流向高電位極片(正極),正離子從正

極流向負(fù)極,從而形成持續(xù)的電流。

1.2何為一次電池,二次電池?

一次電池是指:不能充電和重復(fù)使用的電池叫一次電池,如鋅錳干

電池、扭扣電池等用完一次就廢棄的電池

二次電池是指:可以多次充放電使用的電池叫二次電池,如鎳鎘電

池、鋰電池等。手機電池也屬于二次電池。

二、電池的工作原理

1.1 電池基本原理(鋰離子電池為例)

鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰,負(fù)極是碳。
鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當(dāng)對電池進行充電時,
電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極而
作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu),它有很多微孔,到達負(fù)極的鋰離子就嵌入到
碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。

同樣道理,當(dāng)對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運動回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多,放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。不難看出,在鋰離子電池的充放電過程中,鋰離子處于從正極 → 負(fù)極 → 正極的運動狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,而鋰離子就象優(yōu)秀的運動健將,在搖椅的兩端來回奔跑。所以,專家們又給了鋰離子電池一個可愛的名字搖椅式電池。

電池基本性能

電壓:指電池在斷路(即電流沒有通過兩極時)電池兩極的電位之 差稱之為電池的開路電壓 。
內(nèi)阻:指電流通過又叫電池內(nèi)部所受的阻力,全內(nèi)阻。
壽命:電池經(jīng)受一次充電和放電過程叫一個循環(huán)或一個周期。一般國產(chǎn)鋰電芯循環(huán)壽命能做到400次左右,有些優(yōu)質(zhì)電芯能達到500次左右(國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定循環(huán)300次即可)。
容量:指在一定放電制度下(即在一定的放電電流、終止電壓及環(huán)境條件下)電池所釋放的電量。(1400mAH意思就是用1400mA電流放電可放一個小時)
保護功能:有過流保護、過充保護、短路保護、過放保護

電池保護電路(PCM)

鋰電池(可充型)之所以需要保護,是由它本身特性決定的。由于鋰電池本身的材料決定了它不能被過充、過放、過流、短路及超高溫充放電,因此鋰電池鋰電組件總會跟著一塊精致的保護板和一片電流保險器出現(xiàn)。(鎳電一般情況下只需溫度及過流保護,通常情況下無PCM板)

鋰電池的保護功能通常由保護電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成,保護板是由電子電路組成,在-40℃至+85℃的環(huán)境下時刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流,及時控制電流回路的通斷;PTC在高溫環(huán)境下防止電池發(fā)生惡劣的損壞。

過放保護

單節(jié)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(shù)略有不同)。低于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過放,由于電池本身存在自放電的特性,因此即使放置情況下不使用,依然可能因為長期放置而過分被耗電,造成電池性能劣化、壽命縮短甚至漏液。因此鋰二次電池通常設(shè)有過放保護,當(dāng)IC檢測電芯電壓降至臨界點(如2.25V),即啟動過度放電保護,將功率 MOS 由開轉(zhuǎn)為切斷,此電池?zé)o電壓輸出。

過流&短路保護

過流保護:為了防止電池的外部五金被導(dǎo)體連接短接在一起,而直接影響到電池的壽命。

短路保護:為防止電池的外部受到導(dǎo)體把電池的正負(fù)極連接后造成短路,保證安全性能。

工作原理:當(dāng)放電時或正負(fù)極遭金屬物誤觸造成過電流或短路,為確保安全,立即停止放電。

電阻
識別電阻/碼片:由于手機/數(shù)碼相機以及各種設(shè)備在開機時需要得到一個驗證碼值進行識別。

膠殼
電池的外殼是決定電池與設(shè)備適配的一個接觸件。通常外殼是由PC、PS、ABS等塑膠注塑而成。

輔料

輔料一般是指:鎳片、線材、塊巴紙、青稞紙、PTC

PTC作用:PTC是Positive Temperature Coefficient 的縮寫,意思是正的溫度系數(shù),泛指正溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件.通常我們提到的PTC是指正溫度系數(shù)熱敏電阻,簡稱PTC熱敏電阻,是一種典型具有溫度敏感性的半導(dǎo)體電阻,超過一定的溫度(居里溫度)時,它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。

鎳片、線材:在電池中一般起連接導(dǎo)通作用。

塊巴紙、青稞紙、皺紋膠:在電池中一般起絕緣作用。

電池充電階段分為恒流充電和恒壓充電兩個部分
恒流充電階段屬快速充電階段,在此充電條件下電池已恒定的電流快速對電池進行充電,電池的電壓只要達到額定電壓值(以4.2V額定電壓的電池為例)4.2V時就會結(jié)束恒流充電部分。但是,在電壓達到了額定電壓的條件下電池實際上并未充滿電(鋰離子依舊在向負(fù)極移動),電池需要進入恒壓充電階段來徹底激活活性電子li以達到滿充的目的。充電中溫度低于75 ℃。

恒壓充電,顧名思義,是在恒定電壓下對電池進行充電的階段。恒壓充電是以電流的變化來衡量是否充滿電。通常設(shè)置的恒壓滿充截至電流為電池容量的1%-2%(0.01C-0.02C)

電池放電特性和自放電

在電池的正負(fù)極中間加載了任何有阻值的導(dǎo)電體就會形成電池的放電動作。但是因電池的本身特性不一樣我們在對電池進行放電時要按照其本身性質(zhì)進行合理倍率放電(電池本身支持的最大電流值)。下圖所示為電池基礎(chǔ)放電動作和過流保護工作狀態(tài)。其中放電過程溫度低于85 ℃,電池自放電頻率為0.02%C/day。

下圖為模擬的一個電池包放電工作狀態(tài),其中電池的額定電壓為4.2V,標(biāo)稱容量為1800mAh。支持放電倍率為2C(3.6A)。那么圖示一即為可正常工作模式。

電芯的分類

電芯分為:鋰離子電芯、鎳鎘、鎳氫。
鋰離子電芯分為:鋼殼電芯、鋁殼電芯、聚合物電芯、圓柱形電芯。

電池產(chǎn)品的組裝工藝
電池產(chǎn)品的基本組成
電池組成由:電芯、連接片、保護板、膠殼、五金、商標(biāo)及相關(guān)絕緣材料。

在幾乎所有使用電池的設(shè)備中,你都不可能一次僅使用一個電池單元。通常

需要將電池單元串聯(lián)在一起形成更高的電壓,或?qū)⑵洳⒙?lián)在一起形成更高的電

流。使用串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以增加電壓,使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以增加電流,下圖顯示了這

兩種結(jié)構(gòu)。電池的電壓單位為伏特(V),容量為毫安時(mAh)。

1A=1000mA 1V=1000mV

歐姆定律:I=U/R

功率:P=IU=I2R=U2/R

1000mAh=1000mA放電電流可持續(xù)一個小時

I:電流 (A) U:電壓(V) P:功率(W)

電芯串=單個電芯容量,電壓為各電芯電壓之和

電芯并=各電芯容量之和,電壓為單個電壓值
W=Pt=1W * 1s=1J ,表示一個一瓦的用電器在一秒內(nèi)消耗能量1焦耳
W=Pt=1kW*1h=1kWh,表示一個一千瓦的用電器在一小時內(nèi)消耗能量一度電
例如:
P=UI=220V*0.18A=40W,表示一個燈泡接在220V交流電上的功耗是40W
W=Pt=40W*1h=0.04kWh,表示這個燈泡在一小時內(nèi)耗電0.04度
電池產(chǎn)品組裝流程示例:

主要測試項目:

1.內(nèi)阻;

2.電壓范圍;

3.過流保護值;

4.電阻;

5.短路保護

一般的鋰離子二次電池,從安全性的觀點出發(fā),都會使用組裝電池盒。

組裝電池盒(以下簡稱電池),是與鋰離子二次電池的保護回路、不容易分解的樹脂

外殼進行組合的。鋰離子二次電池在使用時,要請注意以下的使用條件。

1、對于充電:請用額定電壓額定電流的方式對鋰離子二次電池進行充電。
(1) 充電電壓: 4.2V±0.05V/cell為充電最大電壓。多個電芯串聯(lián)為組的情況下, 4.2V±0.05V×串聯(lián)電芯數(shù)為充電最大電壓。

(2) 充電電流:請設(shè)計在0.2~1CmA的范圍內(nèi)。考慮到充電時間和電池的劣化現(xiàn)象,推薦使用0.7CmA。請不要使用最大充電電流以上的電流進行充電。

(3)充電溫度:請在0℃~45℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)進行充電。45℃以上的溫度,是導(dǎo)致壽命性能低下的原因。另外,請安置在不容易使充電器受到發(fā)熱影響的地方。

(4)逆充電:因為和安全性息息相關(guān),所以一定要注意電池的+-極,絕對不要進行逆充電。

(5)續(xù)足充電:根據(jù)充電電壓和溫度環(huán)境,有可能會對電池性能帶來顯著的影響。

2、關(guān)于放電
(1)放電電流:根據(jù)電池的類型,請使用與之相對應(yīng)的最大放電電流以下的電流。

(2)放電溫度:請在-20℃~+60℃的環(huán)境溫度下進行放電。
(3)放電終止電壓:基本來講,請將放電終止電壓設(shè)置在3.0V/cell以上。過放電(2.0V/cell以下)會成為使電池性能劣化的原因,所以,請不要進行過放電。

3、關(guān)于電池的保存

長期保存的情況下,由于會導(dǎo)致電池的性能低下,所以,請在放電狀態(tài)(30%~50%左右的電池容量)下,避開高溫場所進行保存。要經(jīng)過一年以上長期保存的情況,為了防止過放電,請進行一年一次的充電。

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