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電池知識(shí)

選購電池時(shí)30C的電池一定比10C或20C的更好么?

來源:寶鄂實(shí)業(yè)    2019-05-05 18:25    點(diǎn)擊量:
鋰電池因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)——充放電速度快、單位重量蘊(yùn)含的能量高被廣大模友所青睞。而對(duì)于使用者來說,鋰電池的正確使用和充電非常重要。

  一、充電安全

  如果您一向粗心大意,或者懶得遵循各種安全使用規(guī)則,那么您還是放棄使用鋰電池吧。這是因?yàn)槭褂娩囯姵刈钗kU(xiǎn)的過程就是充電,不僅要使用專門的充電器(圖1),還要正確地設(shè)置電壓和電池節(jié)數(shù),否則很可能引發(fā)火災(zāi)。
  鋰電池和鎳鎘電池、鎳氫電池的充電方法不同,它需要專用充電器。一般來說,只要設(shè)定好電池節(jié)數(shù),能為鋰離子電池充電的充電器也能為鋰聚合物電池充電。千萬不要用鎳鎘電池或者鎳氫電池的專用充電器為鋰電池充電,后果非常危險(xiǎn)。
 鋰聚合物電池充電準(zhǔn)則:
  1.使用與鋰電池匹配的充電器。這種充電器是專門為鋰電池設(shè)計(jì)的,其售價(jià)并不昂貴。有的模友喜歡用舊的手機(jī)電池充電器改裝成航模鋰電池充電器,這種做法存在安全隱患,不建議采用。
  2.一定要正確地設(shè)定電池節(jié)數(shù)(圖2)。在開始充電的幾分鐘內(nèi),還要時(shí)不時(shí)觀察一下充電器顯示的電池節(jié)數(shù)是否始終正確。
  3.在為新買的鋰電池充電前,須核對(duì)每一節(jié)電池的電壓(圖3)。在每十次充放電之后,也應(yīng)執(zhí)行這一操作。因?yàn)椴黄胶獾匿囯姵爻潆姇r(shí)容易引發(fā)火災(zāi),所以這一步操作非常重要。如果每節(jié)電池間的壓力差值超過0.1V,就應(yīng)該為每節(jié)電池分別充電至4.2V。如果每次充電前都有不平衡的現(xiàn)象,就說明某節(jié)電池出了故障,需要更換。
  4.為鋰電池充電的全程都不能離開人的監(jiān)管。時(shí)常聽聞的各種鋰電池充電導(dǎo)致房子和車發(fā)生火災(zāi)的事故(圖4)都是在無人監(jiān)管的情況下出現(xiàn)的。
  5.最好在沒有易燃物的安全區(qū)域進(jìn)行充電,例如鋪了一層細(xì)沙的陶瓷盤子、花盆等(圖5),萬一鋰電池燃燒也不會(huì)引發(fā)火災(zāi)。
  6.不要以超過1C的速率充電,除非產(chǎn)品說明書中另有注明。雖然理論上現(xiàn)在的電池可以承受更大的充電電流,但仍會(huì)縮短電池的壽命,增大火險(xiǎn)的概率。如果實(shí)在需要,多買幾塊電池輪換著用(圖6),就不用急著充電了。
  7.千萬不要撞擊刺穿鋰電池。如果鋰電池鼓包了,就不要再使用。將其放在一個(gè)隔絕易燃物的地方靜置兩個(gè)小時(shí)以上,如果沒有發(fā)生危險(xiǎn)就用一顆手電筒燈泡(額定電壓高于電池電壓)連接電池正負(fù)極進(jìn)行放電(圖7)。等燈泡的光徹底暗下去以后,就可以把電池取下扔到分類垃圾桶里了。
  8.如果發(fā)生“炸機(jī)”,鋰電池很可能被毀損(圖8),即使外觀看來完好無損,內(nèi)部也可能因撞擊導(dǎo)致了局部短路。這時(shí)應(yīng)該把鋰電池立刻從模型中拆出來,放在一個(gè)隔絕易燃物的地方觀察20分鐘以上,以排除火災(zāi)隱患。曾有模友把毀損的電池直接扔在車?yán)?,?dǎo)致火災(zāi)毀掉了整輛車,追悔莫及。
  9.要在通風(fēng)好的地方充電。因?yàn)槿f一電池爆炸燃燒,會(huì)產(chǎn)生很多有害氣體,在通風(fēng)好的地方可迅速消散。
  10.準(zhǔn)備好鋰電池專用滅火器,或者準(zhǔn)備一小桶沙子(圖9)。這樣萬一鋰電池發(fā)生爆炸燃燒,可以迅速有效地滅火。
  11.不要懷有僥幸心理。火災(zāi)可能發(fā)生在任何人的身上,懷有僥幸心理往往會(huì)坑了自己。要謹(jǐn)慎地使用鋰電池,避免一切安全隱患。

  二、鋰電池知識(shí)簡(jiǎn)述

  1.什么是鋰電池

  鋰電池廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備上:手機(jī)、筆記本電腦、PDA等。鋰電池并不是航模專用技術(shù)。鋰聚合物電池和鋰離子電池有共同點(diǎn)——相同的電壓3.6V。也有不同點(diǎn),鋰離子電池被裝在一個(gè)金屬殼內(nèi),而鋰聚合物電池采用軟包裝。普通的鋰聚合物電池都是方形薄片形狀(圖10),有正極和負(fù)極接片。其突出優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)量輕,非常適合用于航空模型。

  2.電壓和電池節(jié)數(shù)

  鋰電池充滿電后的電壓是4.2V,放電后的電壓是3.0V,使用時(shí)不能超過這兩個(gè)極限值,否則會(huì)對(duì)電池造成損害。
  避免鋰電池電壓低于3.0V的具體方法是在電子調(diào)速器中設(shè)定最低電壓。當(dāng)單節(jié)電池的電壓低于3.0V時(shí),操縱手會(huì)從驟然降低的動(dòng)力中得到反饋,知道該是讓模型降落的時(shí)候了。如果電子調(diào)速器有自動(dòng)的鋰電池模式,就能自動(dòng)判斷電池節(jié)數(shù)并自動(dòng)設(shè)定限定電壓。

  3.什么是10C?什么是3S4P?

  電池的放電倍率可以用C來衡量。1C意味著電池1個(gè)小時(shí)放完電,2C意味著半個(gè)小時(shí)放完電。放電時(shí)間是C數(shù)的倒數(shù)。電池的電量用毫安時(shí)衡量。對(duì)于一塊2 000mAh的電池,如果以2 000mAh的電流充電,則一個(gè)小時(shí)完成充電。電池的容量、C數(shù)和放電電流之間存在簡(jiǎn)明的數(shù)學(xué)關(guān)系。一塊2 000mAh時(shí)的電池,如果以1C放電,則放電電流為2 000mA×1=2A;如果以3C放電,則放電電流為2 000mA×3=6A。
  所有電池的放電速率都有限制。為此,經(jīng)常把幾節(jié)鋰電池并聯(lián)使用,以獲得較大的電流。并聯(lián)就是把電池的正極與正極相連,負(fù)極與負(fù)極相連。如果把兩節(jié)鋰電池并聯(lián),就得到原來兩倍的電流。兩節(jié)2 000mAh時(shí)的鋰電池并聯(lián)后等效于一個(gè)4 000mAh時(shí)的鋰電池,C數(shù)和原來一樣,額定電流則加倍。也就是說,如果原來的電池能以5C、10A放電,則并聯(lián)后則能以5C、20A放電。模友通常都用這種方法以得到較大的放電電流。
  xSxP的命名方法清晰地表達(dá)了串聯(lián)和并聯(lián)的電池?cái)?shù)目,S前面的數(shù)字是串聯(lián)的電池?cái)?shù),P前面的數(shù)字是并聯(lián)的電池?cái)?shù)。3S4P、2 100mAh時(shí)的鋰電池表示內(nèi)含12節(jié)電池。假設(shè)其放電倍率為6C,那么電壓由串聯(lián)電池?cái)?shù)3決定,放電電流由并聯(lián)電池?cái)?shù)4決定。故該電池的額定電壓為10.8V(3×3.6V),最大放電電流為50.4A(2 100mA× 6×4)。

  4.選購電池

  選購電池時(shí)要比較其性能參數(shù)列表。相似尺寸和重量的鋰電池在以不同電流放電時(shí)會(huì)有不同的電壓表現(xiàn),可據(jù)此選購電池。如果覺得性能參數(shù)列表太麻煩,也可以參考其他人的成功經(jīng)驗(yàn)。模型飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電池的經(jīng)典搭配是非常有參考價(jià)值的。
  學(xué)習(xí)、了解電壓、功率、電流等基本電學(xué)知識(shí),不僅有利于選購合適的電池,而且能使電動(dòng)航模的飛行活動(dòng)更有趣、更成功。
  30C的電池一定比10C或20C的更好么?并非如此,放電倍率并不一定越大越好。要知道,電池以20C放電意味著3分鐘就沒電了,時(shí)間太短了些。對(duì)于模型直升機(jī)來說,也許大放電倍率更有用一些,可以在需要的時(shí)候爆發(fā)出極強(qiáng)的動(dòng)力,但對(duì)于固定翼模型飛機(jī)的意義就小多了。相對(duì)來說,8C~10C的放電倍率比較合適。
  最后一條忠告,不要只圖便宜。一分價(jià)錢一分貨,一定要選擇具有足夠放電倍率的優(yōu)質(zhì)可靠電池。因?yàn)橐猿^標(biāo)準(zhǔn)放電倍率的電流運(yùn)行的后果是很嚴(yán)重的,不僅會(huì)毀損電池,還可能損傷其它電子設(shè)備,那就得不償失了。

  5.關(guān)于溫度

  鋰電池對(duì)溫度比較敏感,在合適的溫度范圍才能發(fā)揮出本身的性能。冬天在外場(chǎng)飛行時(shí),應(yīng)盡量把鋰電池放置在車廂內(nèi),或者裝在貼身的衣兜里,總之想辦法使之保持合適的溫度。反之,鋰電池溫度太高了也不行。要避免鋰電池在使用后達(dá)到70℃,以延長(zhǎng)其壽命。

1 動(dòng)力鋰離子電池的安全性 

  對(duì)于動(dòng)力鋰離子電池,要想有效地解決其安全性問題,主要從以下方面入手:合理設(shè)計(jì)電池的熱效應(yīng),有效防止在不合理使用情況下的熱失控,以及尋找安全的電解液以及正極材料。 
  伴隨大容量動(dòng)力鋰離子電池的應(yīng)用,短路以及過程等安全性問題日漸突出,這是動(dòng)力鋰離子電池實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、多領(lǐng)域應(yīng)用所必須克服的一大難點(diǎn)。動(dòng)力鋰離子電池的安全問題包括自爆、電火、漏液等,這些安全性問題,極大的阻礙了其實(shí)用化進(jìn)展[1]。 
  伴隨新型動(dòng)力鋰離子電池材料的不斷發(fā)展,在安全性能方面,取得了新的進(jìn)展。所以如何開發(fā)和制備新型的動(dòng)力鋰離子電池材料對(duì)于提高動(dòng)力鋰離子電池的安全性能具有十分重要的意義。 

  2 動(dòng)力鋰離子電池正極材料 

  常用的動(dòng)力鋰離子電池的正極材料有LiNiO2、LiCoO2以及Ni-CO-Mn三元素鋰氧等,這些材料雖然說具有容量密度高的優(yōu)點(diǎn),但它們的安全性都普遍較差,隱藏著很大的安全隱患。目前我國對(duì)新型正極材料的研究取得了很大的進(jìn)展,主要包括以下幾種。 

  2.1 磷酸亞鐵鋰 

  磷酸亞鐵鋰的理論容量是170 mAh/g,充放電的電壓為3.5伏特。它同傳統(tǒng)的鋰電池正極材料比起來,來源更為廣泛,價(jià)格更加低廉,對(duì)于環(huán)境也更加有好。以磷酸亞鐵鋰作為正極材料,可是電池具有高熱穩(wěn)定性、高安全性以及優(yōu)良的循環(huán)性。因此磷酸亞鐵鋰可作為一種極為安全的動(dòng)力鋰離子電池材料。 
  2.1.1 磷酸亞鐵鋰的合成方法 
  磷酸亞鐵鋰的合成方法有很多,下面通過表格的形式列出,并分別指出其優(yōu)缺點(diǎn)。詳細(xì)內(nèi)容見表1。 
  2.1.2 磷酸亞鐵鋰的改性研究 
  磷酸亞鐵鋰雖然說安全性能很高,但也存在著一些致命的缺陷,比如說電子導(dǎo)電率低,離子擴(kuò)散慢,體積能量密度較小。這些都影響了磷酸亞鐵鋰的實(shí)用性,因此需進(jìn)行改性。學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了多方面的研究,并且取得了較大的進(jìn)展。 
 ?。?)添加導(dǎo)電材料 
  為提高磷酸亞鐵鋰的導(dǎo)電性能,可以添加導(dǎo)電材料??赏ㄟ^用金屬或者碳包覆的方法。在磷酸亞鐵鋰中包覆或分散碳,不僅可以增強(qiáng)粒子間的導(dǎo)電性能,降低電池極化,并且可提供給磷酸亞鐵鋰電子隧道,從而補(bǔ)償電荷平衡,因此這成為了學(xué)者們首選的改性方法[2]。 
  Kim通過機(jī)械激活法,在氮?dú)獾谋Wo(hù)下,六百度燒結(jié)十小時(shí)后合成包覆的磷酸亞鐵鋰。Croce等利用百分之一的銅銀包覆了磷酸亞鐵鋰,通過能量散射X射線譜分析,得知金屬通過超微米的方式分散在磷酸亞鐵鋰的周圍。在磷酸亞鐵鋰中所分散的金屬提供了導(dǎo)電橋,從而增加了粒子和粒子間的導(dǎo)電性能,提高磷酸亞鐵鋰的容量。 
 ?。?)摻雜金屬元素 
  碳與金屬粒子包覆的方法,雖然有效的改變了粒子間的導(dǎo)電性,然而卻對(duì)磷酸亞鐵鋰的顆粒內(nèi)部導(dǎo)電性沒什么影響,當(dāng)磷酸亞鐵鋰的顆粒尺寸較大時(shí),很難得到大電流高容量的產(chǎn)物。而金屬摻雜得手段可使晶格在一定程度上產(chǎn)生缺陷,因此可對(duì)材料的導(dǎo)電性能產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。 
 ?。?)制備球形磷酸亞鐵鋰 
  要想實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的高能量比,要求電池材料的具有較高的密度以及比容量,而密度同顆粒形貌以及粒徑等均有關(guān)系。若形狀不規(guī)則,則會(huì)有嚴(yán)重的粒子架橋現(xiàn)象。而用規(guī)則球形粒子來進(jìn)行填充,由于粒子間接觸面比較小,可有效避免架橋現(xiàn)象。所以,制造球形的磷酸亞鐵鋰正極材料是增大堆積密度和比容量的有效方法[3]。 

  2.2 磷酸礬鋰(Li3V2(PO4)3) 

  磷酸礬鋰電池具有很高的熱穩(wěn)定性、安全性和優(yōu)良的放電平臺(tái)。磷酸礬鋰化合物晶型是單斜結(jié)構(gòu),因此,Li+的擴(kuò)散能力很高,放電電壓要比4.6V高,在摻雜碳后能量密度高達(dá)2330mWh/cm3。磷酸礬鋰是一種很好的鋰電池正極材料,在電動(dòng)車等行業(yè)擁有廣泛的應(yīng)用前景。 
  具有單斜結(jié)構(gòu)的Li3V2(PO4)3的合成方法主要包括;碳熱還原法、高溫條件下固相合成法以及熔膠-凝膠等方法。Li3V2(PO4)3 在不同放電區(qū)間的性能情況(放電倍率為0.2)見圖1。結(jié)果表明,磷酸礬鋰電池在4.8V,4.5V以及4.3V的截止電壓下均能保持很好的電容量[4]。 

 
  摻雜碳的磷酸礬鋰電池與摻雜碳的LiCoO2的鋰電池在0℃和25℃條件下的放電曲線見圖2。由圖可見,0℃時(shí),摻雜碳的磷酸礬鋰電池?fù)碛懈叩姆烹婋妷阂约案呤悄芰棵芏?,且比摻雜碳的LiCoO2的鋰電池高20%左右。在25℃的條件下,兩者具有幾乎等同的放電電壓,但是摻雜碳的磷酸礬鋰電池的能量密度更高。 
 
  采用示差掃描量熱分析實(shí)驗(yàn)對(duì)鋰電池正極材料的熱穩(wěn)定性以及安全性進(jìn)行測(cè)試及評(píng)價(jià)。具體方法是:將鋰電池正極材料進(jìn)行充電,取出充電狀態(tài)的材料,對(duì)此材料做DSC實(shí)驗(yàn)。磷酸礬鋰的DSC實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)測(cè)試溫度高于220℃時(shí),磷酸礬鋰的DSC曲線呈現(xiàn)出兩個(gè)分開的峰,其放熱量是248J。而相應(yīng)狀態(tài)下的LiCoO2的放熱量為570J,LiMn2O4的放熱量為340J。由此可見,磷酸礬鋰具有很高的熱穩(wěn)定性。 

  2.3 LiMn2O4 

  LiMn2O4化合物具有尖晶石結(jié)構(gòu),其骨架是一個(gè)與四面體及八面體共面的三維網(wǎng)絡(luò)。在LiMn2O4活性物質(zhì)中,鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)極小,數(shù)量級(jí)僅為10-9。電子的導(dǎo)電率也很低,僅為10-6S/cm左右。 
  LiMn2O4化合物材料的優(yōu)點(diǎn)是原材料資源極為豐富,成本很低,一般來說,Mn的價(jià)格僅為Co價(jià)格的2%—5%。LiMn2O4化合物材料環(huán)保安全無污染。但是,LiMn2O4化合物材料在充放電過程中存在很強(qiáng)的Jahn-Teller效應(yīng)。當(dāng)溫度較高時(shí),LiMn2O4的晶形結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生改變,導(dǎo)致猛離子在電解質(zhì)中溶解,電極的活性物質(zhì)喪失。這些都嚴(yán)重阻止了LiMn2O4化合物材料在鋰電池領(lǐng)域的開發(fā)與應(yīng)用[5]。 
  表2列舉了主要鋰電池的正極材料的性能一覽表。由以上數(shù)據(jù)可以看出,LiVPO4在鋰電池材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。極有可能成為新一代的鋰電池正極材料的活性物質(zhì)。 
  總之,我國在動(dòng)力鋰離子電池的研發(fā)方面取得較大的成就,是可喜的。然而為了進(jìn)一步推動(dòng)動(dòng)力鋰離子電池的更廣泛使用,并進(jìn)一步提高其安全性,更加方便人們的生活,保障人們的人身安全,還需進(jìn)一步加大力度研究,從而開發(fā)出更高效、更安全的動(dòng)力鋰離子電池正極材料。 
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