锂离子电池相比镍镉电池(Ni/Cd)和镍氢电池(Ni/MH),具有工作电压高、高比能量、高比功率、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点。锂离子电池的充放电不是通过传统的方式实现电子的转移,而是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入,发生能量交换。在正常充放电情况下,锂离子的出入一般只引起层间距的变化,而不会引起晶体结构的破坏,因此从充放电反应来讲,锂离子电池是一种理想的可逆电池。
锂离子电池充放电过程是这样的,当对电池充电时正极上有锂离子生成,生成的锂离子通过电解液迁移到负极并嵌入层状石墨材料晶格中,嵌入的越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(也就是使用过程),嵌在负极碳层晶格中的锂离子脱出,回到正极,回到正极的锂离子越多,放电容量越高,见图一。
锂离子电池的关键参数是容量和充放电次数,容量决定了待机时间,是出厂时固定的,充放电次数决定了使用寿命,是我们后期使用中最容易因人为因素而改变电池能效的指标。
有关锂离子电池充放电程度和循环寿命的实验次数,数据列出如下(DOD是放电深度的英文缩写):
循环寿命(10%DOD):>1000次
循环寿命(100%DOD):>200次
从上面数据可见,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。虽然假如折合到实际充电的相对总容量10%*1000=100,100%*200=200,后者直到报废的总放电容量更多一些,但是锂离子电池的寿命重要体现在充放电周期上,这个周期是一个绝对概念,不是你每次充电的次数,例如上次使用了30%电力,充满电,下次又使用了70%的电力,又充满电,这才刚好是一个充电周期,可以简单的理解为手机电量从100到0,再充满的过程。所以即用即充,即充即用的方法不改变电池的充放电周期。
日常生活中,很多人使用手机的过程中,有一些误区:新电池要激活,前三次充电12小时以上,放光电量,训练电池能力等等。除了这样的误区,我们在使用过程中,总是有下面这样的情况出现:经常把手机使用到低电量提醒的时候,依然爱不释手,尤其是打游戏或者追剧或者各种刷微博,刷抖音这样的APP的时候,直到最后手机自动关机,才依依不舍的把手机放下充电;有时候提示低电量了,为了不耽误玩手机,大家会边充边玩,直到最后眼睛疼了,才不得不放下手机。假如你这么做了,你就会发现,手机待机时间会明显减小,有时候出去逛一下,身上没带钱包,拿手机扫一扫,却没电了,而身上又没带充电宝或者充电器,感觉很不方便。原先可以从早晨用到晚上睡觉前才充电一日一充的手机,怎么突然就不耐用了呢,每次出门都得担心手机没电了,要么得备个充电宝,要么就得拿个充电器,烦不胜烦,直到忍无可忍的时候,再换个新手机,新手机到手,那种电量充沛的感觉就是嘚,可是假如你还是有上面的使用习惯,过不了多长时间,新手机又会出现电池不耐用的问题。为了不让手机变板砖,那么我们该如何科学合理使用手机呢?
基于前面有关锂离子电池原理的介绍,很多人根据以前镍铬或者镍氢电池的相关经验,认为新电池有记忆效应,要过放电,还要进行所谓的持续10几小时的涓流充电,便把这些所谓的常识也用在锂离子电池上面,殊不知锂离子电池和镍电池的充放电特性有非常大的差别,查阅所有技术资料都强调过充和过放电会对锂离子电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。超常时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电,从分子层面看,过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来,从而对锂离子电池负极造成永久性损害,因而充电最好按照标准时间充电,特别是不要进行超过12个小时的超长充电。看到这里,很多人就会有疑问了,我每天睡觉前把手机插到充电器上,第二天早晨才拔掉,这样会不会损坏手机电池呢?其实大家是不必要担心的,我们的智能手机都有电池能源管理系统,充满电后会进行过充保护,所以即使充一夜,也不用担心手机过充的问题。经常看到有电动汽车充电燃烧爆炸的事件,就是没有过充保护,或者本身电池质量有问题造成的。其实充电的过程也是一个非常复杂的过程,我以小字的形式科普一下其中的一种方式,内容比较专业,有想了解的可以看一看。
锂离子电池的充电过程可以分为四个阶段:涓流充电(低压预充)、恒流充电、恒压充电以及充电终止。
锂离子电池的充电方式是限压恒流,都是由IC芯片控制的,典型的充电方式是:先检测待充电电池的电压,假如电压低于3V,要先进行预充电,充电电流为设定电流的1/10,一般为电压升到3V后,进入标准充电过程。标准充电过程为:以设定电流进行恒流充电,电池电压升到4.20V时,改为恒压充电,保持充电电压为4.20V。此时,充电电流逐渐下降,当电流下降至设定充电电流的1/10时,充电结束。
一般锂离子电池充电电流设定在0.2C至1C之间,电流越大,充电越快,同时电池发热也越大。而且,过大的电流充电,容量不够满,因为电池内部的电化学反应要时间,用的时候就有电池充满的电是虚的感觉,电量下降的特别快。就跟倒啤酒相同,倒太快的话会出现泡沫,反而不满。
术语解释:充放电电流一般用C作参照,C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、mAh表示,如电池容量1200mAh,对应的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。
或许有人问了,既然手机电池最怕的是过充电和过放电,那么我在使用过程中,在提示低电量之前,我边玩边充总不会影响手机使用寿命吧。虽然没有科学实验数据证实这样做会损坏电池,但是实际使用感受就是,假如你这么做了,很明显,电池待机时间会急剧下降,这也是我的亲身实践。通过之前的锂离子电池充放电原理我们了解,充放电的过程就是让锂离子在正负极之前来回按一个方向移动,假如边玩边充,既有锂离子从正极奔向负极,又有锂离子从负极奔向正极,两个方向的锂离子就会出现碰撞,就好比一群人本来是沿着一个方向一起走畅通无阻,突然你把人群分成两部分两部分相向而行,难免会发生磕碰和摩擦。这就是为何我们边玩边充的时候,感觉手机会发烫,本身发烫并不会改变电池的寿命,但是在此过程中出现的热量导致的高温状态会影响到锂离子电池寿命,高温可能会改变电池材料的化学性能,假如电池质量不过关,充电时的高温可能会损坏电池隔膜,发生短路爆炸。同样,低温也会降低电池材料的化学性能,之前苹果手机关机事件就是例子。
通过上面的举例和分析,我们就了解,平时即用即充,即充即用,在低电量提醒的时候,赶紧给手机充电,不一定非要充满,手机剩余电量为20%的时候,是充电效率最高的。充一夜也没问题,因为过充电有电源管理系统自动保护,而过放电只能靠自己,切记不要使用到自动关机后再充电,更不要经常性的边充边玩,只有科学合理的使用手机,才能让手机像新买之初相同,电量充沛,出门也不用担心手机会没电变板砖。