锂离子电池的基本知识

  便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展,各种电池的用量大增,并且开发出许多新型电池。除大家较熟悉的高性能碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外,还有近年来开发的锂电池。这里主要介绍有关锂电池的基本知识。这包括它的特性、主要参数、型号的意义、应用范围及使用注意事项等。

  锂是一种金属元素,其化学符号为Li(其英文名为lithium),是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属,在金属中是最轻的。它除了应用于原子能工业外,可制造特种合金、特种玻璃(电视机上用的荧光屏玻璃)及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极。

  锂电池也分成两大类:不可充电的及可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池,它只能将化学能一次性地转化为电能,不能将电能还原回化学能(或者还原性能极差)。而可充电的电池称为二次性电池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来,在使用时,再将化学能转换成电能,它是可逆的,如电能化学能锂电池的主要特点。

  锂电池的最大特点是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位,W是瓦、h是小时;kg是千克(重量单位),L是升(体积单位)。这里举一个例来说明:5号镍镉电池的额定电压为1.2V,其容量为800mAh,则其能量为0.96Wh(12V×08Ah)。同样尺寸的5号锂-二氧化锰电池的额定电压为3V,其容量为1200mAh,则其能量为3.6Wh。这两种电池的体积是相同的,则锂-二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍!

  一节5号镍镉电池约重23g,而一节5号锂-二氧化锰电池约重18g。一节锂-二氧化锰电池为3V,而两节镍镉电池才2.4V。所以采用锂电池时电池数量少(使便携式电子产品体积减小、重量减轻),并且电池的工作寿命长。

  另外锂电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。
  锂电池的缺点是价格昂贵,所以目前尚不能普遍应用,主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。随着技术的发展、工艺的改进及生产量的增加,锂电池的价格将会不断地下降,应用上也会更普遍。 不可充电的锂电池

  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。本文仅介绍最常用的。

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)。

CR2032锂锰扣式电池 2元一节 CR2032锂电池专用电池座 1元一个 容量:210MAH 直径:20MM 厚:3.2MM 重量:3克

CR2016锂锰扣式电池 2元一节

BG-23A12V小电池(门磁、遥控器专用)2元一节 容量:50MAH 直径:10MM 高:28.5MM 重量:7.34克

BG-27A 12V小电池(100米遥控器专用)2元一节 容量:18MAH 直径:8MM 高:28.5MM 重量:4.5克

9伏层叠电池(红外、2000米遥控专用)4元一节

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。

  现在手机已十分普遍,手机中一部分是镍氢电池,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3.7V)。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4.2V;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,如图1所示。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,过放对电池会有损害。

  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±0.042V),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。
  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,其充电特性如图2所示。这是一种800mAh容量的电池,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。

锂离子电池应用注意事项除与上述不可充电的锂电池相同外,在充电方面还应注意以下几点:

     1. 锂离子电池有4.1V及4.2V终止充电的不同品种,因此在充电时注意的是4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电,否则会有过充的危险(4.1V与4.2V的充电器用的充电器IC是不同的!)。     
     2. 对电池充电时,其环境温度不能超过产品特性表中所列的温度范围。
     3. 不能反向充电。
     4. 不能用充镍镉电池的充电器(充三节镍镉电池的)来充锂离子电池(虽然额定电压一样,都是3.6V),但充电方式不同,容易造成过充。
   在放电方面应注意以下几点:
     1. 锂离子电池放电电流不能超过产品特性表中给出最大放电电流。放电电流较大时,会产生较高的温度(损耗能量),减少放电时间,若电池中无保护元件会产生过热而损坏电池。
     2. 不同温度下放电曲线是不同的,如图5所示。从图中可以看出,在不同的温度下,其放电电压及放电时间也不同。在-20℃放电时情况最差。
   在贮存方面:
     1. 电池若长期贮存,要保持在50%放电态。
     2. 电池应保存在低温、干燥坏境中。
     3. 要远离热源,也不要置于阳光直射的地方。

形象的工作原理比喻:

    现在将锂离子电池原理和充放电机理,用生活中常见的泡沫现象来比喻。锂离子电池如同 一堆肥皂泡沫,泡内储存的就是电能。当充电时,汽泡会随着充电时间加长而不断增大,当超过其极限值时汽泡就会破裂,此时即损坏了锂电晶型,造成永久性损坏。

  当过度放电则会造成汽泡塌陷、消失,这样下次充电时汽泡也充不起来,而造成锂电失效。 如何控制汽泡不充爆和汽泡不过度塌陷?就必须要用保护电路加以严格控制。 当然,优质的电芯和精确的控制电路可大大地延长电池的使用寿命。   

什么是聚合物锂离子电池

    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(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 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, 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。

聚合物锂离子的发展趋势展望

    聚合物锂离子电池在全球技术成熟并商业化已经3年多时间了,虽然销量在快速增长,但其市场份额尚低于10%,与液态锂电90%的市场份额无法相比,大大低于人们的预期。由于各种原因,目前市场上聚合物的价格普遍要高于液态锂电,但是,由于移动电器的竞争模式正在悄悄地发生变化,特别是聚合物电池给移动电器带来的设计价值创新(如4mm厚度以下的优越性能、大型规格电池),聚合物电池正被越来越多的手机、移动DVD等设计人员所认识,因而聚合物厂商还是信心十足,坚信聚合物的时代一定会到来。可以从手机的发展看聚合物锂离子电池的发展趋势。

目前手机有以下几个发展趋势:

(1) 手机本身向小型化、超薄化方向发展,以方便消费者的携带;
(2) 手机设计的个性化,表现在设计理念已经不再是原来方方正正的形状,不规则形状、曲线、弧面设计造型成为手机设计美学化的主流;
(3) 使用彩屏、手机功能的不断增加。为了使手机小型化,电池减小、减薄是一个最有效的途径。4mm以下厚度电池有成为薄型手机配置的主流趋势,从性价比来讲,这是聚合物的特长。不规则形状、曲线、弧面设计造型的手机给电池留下的有效空间变成了不规则形状。液态的长方型不能有效利用空间,容量较低,而叠片式聚合物可以将这种不规则空间最有效地利用起来,使容量放大。最近TCL金能公司推出的圆弧型电池、梯形电池、背包电池能使手机比使用相应规格的液态电池容量增加50%以上。手机功能越来越多,导致耗电越来越多。要求电池容量相应地增加。在不增加电池厚度的情况下,聚合电池是有明显优势的。与此相似,笔记本电脑、蓝牙耳机、小灵通手机、移动DVD等电器都在向移动、便携化方向发展,都配上了液晶显示,而且功能在不断增多,液晶屏幕在不断增大。这些都给聚合物锂离子电池提供了无限的商机。

3.7V聚合物锂电池带保护板 600mAh 每片10元(采用全新A级电芯)

3.7V聚合物锂电池带保护板 730mAh 每片10元(采用全新A级电芯)

3.7V聚合物锂电池带保护板 1200mAh 每片15元(采用全新A级电芯)

3.7V聚合物锂电池带保护板 3300mAh 每片29元(采用全新A级电芯)

性能参数

标称电压:3.7 V
电池尺寸:730毫安时42*305*6mm、1200毫安时51*34*6mm、3300毫安时80*49*6.5mm
电池重量:730毫安时13克、1200毫安时20克、3300毫安时58克
充电电流:标准充电:0.5C、快速充电:1.0C
放电截止电压:2.75V
放电温度:-20°C~60°C
充电时间:2hrs(标准);1hrs(快速)
内阻:40mΩ(Max)
充放电次数:大于1000次
自放电:小于400uA
内阻:保护板内阻小于40mΩ,电池内阻小于40mΩ
保护功能:具有过充电,过放电,过电流,过电压保护电路,短路保护,过温保护

标准充电方法:0.5C 恒流充电至4.25V,再恒压4.2V充电直至充电电流≤0.05C(可以用单节锂电池的万能充电器充电,外行别盲目实验)

  

航模专用动力锂电池 高倍率聚合物锂电池3.7V 100mAh 6元一片

电芯尺寸:直径7毫米,长35 毫米 重量:3克 允许10C放电 不含保护电路,懂行者选用。充电可以用手机的锂电万能充或者模型上的1S充电器

单节锂电池充电器 JST插头3.7V/650mA 每个10元 选配件:JST高温硅胶接插线 每对1元 选配件:超小的51005接插线 每对1元

单节锂电池4.2V电池电量显示板 11元一个

    这是专门为单节4.2V锂电池设计的大小为:49*12*8毫米,一般出厂默认调整在3V时只有红灯亮,3~3.3V黄灯亮,3.6V以上全亮;

可调型6~18V电池电量显示板 11元一个

   

    这款电量显示板的体积32*22*7毫米,6~18V监视电压可调,适合2串或3串锂电等使用,一般出厂默认调整在9V时只有红灯亮,10V时红黄灯亮,11V时3号绿灯也亮,大于12V时全亮。一般全亮时工作电流约8毫安。

DIY电量调整方法:

    我们以7.2V锂电举例说明一下,充好电的7.2V锂电满电正常为8.4V,电量用光时约6V,在6V时接入电量显示板,然后用小起子轻轻慢慢调地节那个可调电阻,调到只有最后的一个红色LED亮就可以了,这样您看到只有一个红灯亮就说明电池电压低于6V需要充电了。

这是我们制作的用电池供电的小音箱,只要查看电量指示器就能知道还能使用多长时间心中有数啦!

1~8节锂电池电压显示及高响度报警器 每个9元

    这是一款在航模领域非常常用的电压报警器,它可以依次显示1~8节锂电池的电压,并且在其中任意一节电压低于预定值时立即高响度报警,非常实用。

使用方法:

    航模领域的动力电池一般是3节或者更多节锂电池串联,每节电芯的电压都单独引出来,汇集在一起叫平衡头,把报警器俗称电显插入平衡头,插反会没显示但不会烧坏器件,正确插入后电显会发出“嘀嘀嘀-”的鸣叫声,然后显示“3CE”表示是三节锂电池组俗称3S,然后显示ALL 12.4 表示总电压是12.4V 然后依次显示NO.1 4.20--NO.2 4.18-- NO.3 4.19表示三节电芯的电压。显示数值有些误差不影响使用。

    报警器顶部有一个小按钮,按下可改变设置的低电压报警设定值,断电也能自动保存,当任意一节的电压低于设定值时,蜂鸣器会响起,红色LED灯会闪烁;出厂默认设定值为3.3V,如果设置为OFF表示关闭低电压报警功能。使用教程 http://bbs.mx3g.com/thread-317032-1-1.html

性能参数:

1.用于1S-8S锂电池检测
2.电压检测精度:± 0.01V。
3.单组电压显示范围:0.5V~4.5V
4.总电压显示范围:0.5V~36V
5.1S测试模式电压范围:3.7V~30V的
6.低电压蜂鸣器报警模式2S - 8S
7.报警电压设定范围:OFF 2.7~3.8V
8.尺寸:40毫米x 25毫米x 11毫米
9.重量:9g

4~30V 两线制直流数字电压表 19元一个

    这是一款比较小巧的数字电压表,实物大小和图片比例一致,采用最方便的两线制,具有反接保护功能,线接反不会烧。只要把红线接被测量的正极,黑线接地就能实现测量和供电,非常方便,可以广泛用于DC-DC模块的输出电压指示;摩托车、电动车、汽车的蓄电池电压指示等。最高电压超过30V有烧毁的危险。

本电压表基本性能参数如下:

开口尺寸:45.5mm*26.5mm
外形尺寸:48mm*29mm*21mm
量程:DC4~30V
显示:三位0.56 LED数码管
显示颜色:红色
刷新速度:约500ms/次
测量精度:0.1V
供电电压:DC4~30V(与测量共线)
工作温度:-10℃~65℃
工作电流:10毫安

如何组建大容量12V直流UPS系统:

    很多客户的安防系统都要求12V直流不间断供电,如我们的彩信报警系统,如果停电的话所有功能都会失效,而且彩信系统的静态电流较大,所以必须选大容量电池供电,这里我们可以考虑用摩托车上的12V7AH的铅酸蓄电池,采用这种电池有两大优点:第一7AH的蓄电池容量很大至少可以维持系统一个星期正常使用,第二蓄电池适合浮充电工作。

12V蓄电池全自动充电器 每个20元

   这是一款非常实用的蓄电池充电器。外形类似手机充电器,使用高频开关电源,发热少,效率高,带指示灯。充电电流1.2A左右,适合容量为1AH~20AH电瓶使用(摩托车上常用容量就是在这个范围内)。还具有防止蓄电池负载短路和接反的保护功能。

应用领域:

1、蓄电池的均衡充电

    如果长期不用或者缺少电解液的蓄电池,电压会不断降低最终导致无法充电报废。特别是冬天气温降低,蓄电池普遍亏电,经常性地充电可以大大延长蓄电池的寿命。

2、直流不间断电源的浮充电器

   有些报警系统使用直流12V电源,当有市电时充电器负责我们系统的静态耗电和蓄电池的自放电,一旦停电时自动由蓄电池供电,市电恢复后由充电器对蓄电池充电恢复容量。

使用方法:

    将红鳄鱼夹接蓄电池正级,黑鳄鱼夹接蓄电池负极,后接上220V交流电源,红灯点亮表示正在充电,红灯逐渐变成绿灯表示充电即将完成,如果极性接错或者电池已经充满,绿灯亮停止充电。

   过充也不会损坏蓄电池,一般充4~20小时,电瓶容量越大充电时间越长,一切无须调整,可满足高要求的顾客。

技术参数:

规格性能 13.8V1A(12V1250mA)
浮充充电电压 15.2V ±0.5V
恒压输出电压 13.8V ±0.5V
恒流充电电流 0.85-1.25A
转换电流 450-550mA
直流最大输出功率 13W
效率﹥84%(最高输出电压,满载)
输入电压范围 100~240VAC;50~60HZ
输入电流 0.05A/MAX
过载保护 105%~150%类型: 复位:自动恢复
温度系数 ±0.03%℃(0~50℃)OUTPUT
工作温度、湿度 -10℃~+40℃,20%~90%RH
存储温度、湿度 -10℃~+60℃,20%~90%RH
外形尺寸 85*48*30(mm)
接线长 输入:65CM,输出,输出85CM
连接方式 红黑接线夹

注:1、以上参数测试条件为:220VAC输入,额定负载,25℃ 70% RH 湿度。

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