【摘要】本文淺析了鋰離子電池充放電的原理，及其對電池壽命的影響。

0　引言

鋰離子電池因其端電壓高、比能量大、充放電壽命長、放電性能穩定、自放電率低和無污染等優點，得到了廣泛的應用。在日常生活的使用中，超長時間充電和完全用空電量會造成過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞。從分子層面看，過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結構出現塌陷，而過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結構里去，使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。因此對鋰離子電池充放電過程的研究，有助于對鋰電池進行合理的充電控制、對鋰電池質量檢測及延長鋰電池的使用壽命等。

1　鋰離子電池的充放電原理

目前鋰電池公認的基本原理是所謂的"搖椅理論"。鋰電池的充放電不是通過傳統的方式實現電子的轉移，而是通過鋰離子在層狀物質的晶體中的出入，發生能量變化。在正常充放電情況下，鋰離子的出入一般只引起層間距的變化，而不會引起晶體結構的破壞，因此從充放電反映來講，鋰離子電池是一種理想的可逆電池。在充放電時鋰離子在電池正負極往返出入，正像搖椅一樣在正負極間搖來搖去，故有人將鋰離子電池形象稱為搖椅池。

電池由正極鋰化合物、中間的電解質膜及負極碳組成。當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入，放電時反之。一般采用嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。做為負極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物，包括SnO、SnO2、錫復合氧化物SnBxPyOz等。

電解質采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）丙烯碳酸脂、（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的高分子材料。隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復合膜。外殼采用鋼或鋁材料，具有防爆的功能。鋰離子電池的額定電壓為3.6V。電池充滿時的電壓（稱為終止充電電壓）一般為4.2V；鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。如果鋰離子電池在使用過程中電壓已降到2.5V后還繼續使用，則稱為過放電，對電池有損害。

鋰離子電池的特性是通過其充放電過程中端電壓的變化反映出來的。電池端電壓的變化間接體現了電池的充放電容量、內阻、表面升溫、充放電平臺、電極極化程度、壽命等指標隨時間變化的規律。因此，充放電電壓特性一致的電池在電化學特性上具有很好的一致性。利用電池的動態特性配組的結果也會相應不同。

鋰離子電池的充電過程分三個階段：預充電階段；恒流充電階段；恒壓充電階段。

預充電階段是在電池電壓低于3V時，電池不能承受大電流的充電。這時有必要以小電流對電池進行浮充；當電池電壓達到3V時，電池可以承受大電流的充電了。這時應以恒定的大電流充電。以使鋰離子快速均勻轉移，這個電流值越大，對電池的充滿及壽命越有利；當電池電壓達到4.2V時，達到了電池承受電壓的極限。這時應以4.2V的電壓恒壓充電。這時充電電流逐漸降低。當充電電流小于30mA時，電池即充滿了。這時要停止充電。否則，電池因過充而降低壽命。這種先恒流后恒壓的方法，是目前鋰電池最常用的充電方法。

2　鋰離子電池充放電對壽命的影響

鋰電池每一個充電—放電過程，稱為一個充電循環。鋰電池從工作開始，每個循環后的容量都會出現輕微下降，這是由電池的電極材料的性質決定的。

按照國家標準，當容量下降到額定容量的60%時，即認為電池壽命結束。通常鋰電池壽命不小于500次循環，就是指500次充電循環后，容量不小于額定容量的60%。依一般的電池使用三天一充。這樣電池的壽命應在4年。鋰離子電池的最佳使用環境溫度在10℃—30℃之間，在這個范圍內使用，對手機電池的工作性能和使用壽命都比較好，在過冷或過熱的環境中使用，都不利于手機電池發揮出最大效能，不會達到最長的通話或待機時間。盡量避免手機在0℃以下和40℃以上使用，在這個環境溫度下，你會發現手機待機時間明顯縮短，電池電量下降很快，長期這樣使用，電池的壽命也會大大縮短。同理，在給鋰離子電池充電時，環境溫度也不宜過高或過低。溫度過低會導致充電時間延長；溫度過高影響電池的使用壽命。

超常時間充電和完全用空電量會造成過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，過度放電將導致負極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結構出現塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進負極碳結構里去，而使得其中一些鋰離子再也無法釋放出來。

這也是鋰離子電池為什么通常配有充放電的控制電路的原因。鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、溫度、ID、充電狀態、放電次數等數值。這些數值在使用中會逐漸變化。使用說明中的"使用一個月左右應該全充放一次"的做法主要的作用應該就是修正這些寄存器里不當的值，使得電池的充電控制和標稱容量吻合電池的實際情況。

3　小結

鋰離子電池作為新型化學電源的一種，比傳統電源更多的優點，被廣泛研究用于大型電動設備。決定鋰離子電池的壽命的因素很多，其中最重要的是電池化學材料、充放電深度、電池溫度。通過改善這些條件，可以有效的延長電池壽命，使之有更長的使用期限。（閆秋麗　天津力神電池股份有限公司中國天津300384）