剖析電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機(jī)理

2016-11-22  by:CAE仿真在線  來(lái)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(xiàng)

一、何為電池

把化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置。兩個(gè)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(jī)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(duì)電池進(jìn)行充電時(shí),
電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)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(dá)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(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電池的過(guò)程),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出,又運(yùn)動(dòng)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(shuō)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(guò)程中,鋰離子處于從正極 → 負(fù)極 → 正極的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)健將,在搖椅的兩端來(lái)回奔跑。所以,專家們又給了鋰離子電池一個(gè)可愛(ài)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(méi)有通過(guò)兩極時(shí))電池兩極的電位之 差稱之為電池的開(kāi)路電壓 。
內(nèi)阻:指電流通過(guò)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(guò)程叫一個(gè)循環(huán)或一個(gè)周期。一般國(guó)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(dá)到500次左右(國(guó)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(gè)小時(shí))
保護(hù)功能:有過(guò)流保護(hù)、過(guò)充保護(hù)、短路保護(hù)、過(guò)放保護(hù)

電池保護(hù)電路(PCM)

鋰電池(可充型)之所以需要保護(hù),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(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、短路及超高溫充放電,因此鋰電池鋰電組件總會(huì)跟著一塊精致的保護(hù)板和一片電流保險(xiǎn)器出現(xiàn)。(鎳電一般情況下只需溫度及過(guò)流保護(hù),通常情況下無(wú)PCM板)

鋰電池的保護(hù)功能通常由保護(hù)電路板和PTC等電流器件協(xié)同完成,保護(hù)板是由電子電路組成,在-40℃至+85℃的環(huán)境下時(shí)刻準(zhǔn)確的監(jiān)視電芯的電壓和充放回路的電流,及時(shí)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(guò)放保護(hù)

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(guò)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?yàn)殚L(zhǎng)期放置而過(guò)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(guò)放保護(hù),當(dāng)IC檢測(cè)電芯電壓降至臨界點(diǎn)(如2.25V),即啟動(dòng)過(guò)度放電保護(hù),將功率 MOS 由開(kāi)轉(zhuǎn)為切斷,此電池?zé)o電壓輸出。

過(guò)流&短路保護(hù)

過(guò)流保護(hù):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(hù):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(shí)或正負(fù)極遭金屬物誤觸造成過(guò)電流或短路,為確保安全,立即停止放電。

電阻
識(shí)別電阻/碼片:由于手機(jī)/數(shù)碼相機(jī)以及各種設(shè)備在開(kāi)機(jī)時(shí)需要得到一個(gè)驗(yàn)證碼值進(jìn)行識(shí)別。

膠殼
電池的外殼是決定電池與設(shè)備適配的一個(gè)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(xiě),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(jiǎn)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(guò)一定的溫度(居里溫度)時(shí),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(gè)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(duì)電池進(jìn)行充電,電池的電壓只要達(dá)到額定電壓值(以4.2V額定電壓的電池為例)4.2V時(shí)就會(huì)結(jié)束恒流充電部分。但是,在電壓達(dá)到了額定電壓的條件下電池實(shí)際上并未充滿電(鋰離子依舊在向負(fù)極移動(dòng)),電池需要進(jìn)入恒壓充電階段來(lái)徹底激活活性電子li以達(dá)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(duì)電池進(jìn)行充電的階段。恒壓充電是以電流的變化來(lái)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(huì)形成電池的放電動(dòng)作。但是因電池的本身特性不一樣我們?cè)趯?duì)電池進(jìn)行放電時(shí)要按照其本身性質(zhì)進(jìn)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(dòng)作和過(guò)流保護(hù)工作狀態(tài)。其中放電過(guò)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(gè)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(hù)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(gè)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?jiǎn)挝粸榉?V),容量為毫安時(shí)(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(gè)小時(shí)

I:電流 (A) U:電壓(V) P:功率(W)

電芯串=單個(gè)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(gè)電壓值
W=Pt=1W * 1s=1J ,表示一個(gè)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(gè)一千瓦的用電器在一小時(shí)內(nèi)消耗能量一度電
例如:
P=UI=220V*0.18A=40W,表示一個(gè)燈泡接在220V交流電上的功耗是40W
W=Pt=40W*1h=0.04kWh,表示這個(gè)燈泡在一小時(shí)內(nèi)耗電0.04度
電池產(chǎn)品組裝流程示例:

主要測(cè)試項(xiàng)目:

1.內(nèi)阻;

2.電壓范圍;

3.過(guò)流保護(hù)值;

4.電阻;

5.短路保護(hù)

一般的鋰離子二次電池,從安全性的觀點(diǎn)出發(fā),都會(huì)使用組裝電池盒。

組裝電池盒(以下簡(jiǎn)稱電池),是與鋰離子二次電池的保護(hù)回路、不容易分解的樹(shù)脂

外殼進(jìn)行組合的。鋰離子二次電池在使用時(shí),要請(qǐng)注意以下的使用條件。

1、對(duì)于充電:請(qǐng)用額定電壓額定電流的方式對(duì)鋰離子二次電池進(jìn)行充電。
(1) 充電電壓: 4.2V±0.05V/cell為充電最大電壓。多個(gè)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(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)在0.2~1CmA的范圍內(nèi)。考慮到充電時(shí)間和電池的劣化現(xiàn)象,推薦使用0.7CmA。請(qǐng)不要使用最大充電電流以上的電流進(jìn)行充電。

(3)充電溫度:請(qǐng)?jiān)?℃~45℃的環(huán)境溫度范圍內(nèi)進(jìn)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(qǐng)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?yàn)楹桶踩韵⑾⑾嚓P(guān),所以一定要注意電池的+-極,絕對(duì)不要進(jìn)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(huì)對(duì)電池性能帶來(lái)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(qǐng)使用與之相對(duì)應(yīng)的最大放電電流以下的電流。

(2)放電溫度:請(qǐng)?jiān)?20℃~+60℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行放電。
(3)放電終止電壓:基本來(lái)講,請(qǐng)將放電終止電壓設(shè)置在3.0V/cell以上。過(guò)放電(2.0V/cell以下)會(huì)成為使電池性能劣化的原因,所以,請(qǐng)不要進(jìn)行過(guò)放電。

3、關(guān)于電池的保存

長(zhǎng)期保存的情況下,由于會(huì)導(dǎo)致電池的性能低下,所以,請(qǐng)?jiān)诜烹姞顟B(tài)(30%~50%左右的電池容量)下,避開(kāi)高溫場(chǎng)所進(jìn)行保存。要經(jīng)過(guò)一年以上長(zhǎng)期保存的情況,為了防止過(guò)放電,請(qǐng)進(jìn)行一年一次的充電。

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