鋰離子電池的正極材料通常有鋰的活性化合物組成，負(fù)極則是特殊分子結(jié)構(gòu)的碳。常見的正極材料主要成分為 LiCoO2 ，充電時(shí)，加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負(fù)極分子排列呈片層結(jié)構(gòu)的碳中。放電時(shí)，鋰離子則從片層結(jié)構(gòu)的碳中析出，重新和正極的化合物結(jié)合。鋰離子的移動產(chǎn)生了電流。

 

 

 

化學(xué)反應(yīng)原理雖然很簡單，然而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮的實(shí)際問題要多得多：正極的材料需要添加劑來保持多次充放的活性，負(fù)極的材料需要在分子結(jié)構(gòu)級去設(shè)計(jì)以容納更多的鋰離子；填充在正負(fù)極之間的電解液，除了保持穩(wěn)定，還需要具有良好導(dǎo)電性，減小電池內(nèi)阻。

 

 

 

雖然鋰離子電池很少有鎳鎘電池的記憶效應(yīng)，記憶效應(yīng)的原理是結(jié)晶化，在鋰電池中幾乎不會產(chǎn)生這種反應(yīng)。但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會下降，其原因是復(fù)雜而多樣的。主要是正負(fù)極材料本身的變化，從分子層面來看，正負(fù)極上容納鋰離子的空穴結(jié)構(gòu)會逐漸塌陷、堵塞；從化學(xué)角度來看，是正負(fù)極材料活性鈍化，出現(xiàn)副反應(yīng)生成穩(wěn)定的其他化合物。物理上還會出現(xiàn)正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過程中移動的鋰離子數(shù)目。

 

 

 

過度充電和過度放電，將對鋰離子電池的正負(fù)極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀的理解，過度放電將導(dǎo)致負(fù)極碳過度釋出鋰離子而使得其片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，過度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負(fù)極碳結(jié)構(gòu)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。

 

 

 

不適合的溫度，將引發(fā)鋰離子電池內(nèi)部其他化學(xué)反應(yīng)生成我們不希望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負(fù)極之間設(shè)有保護(hù)性的溫控隔膜或電解質(zhì)添加劑。在電池升溫到一定的情況下，復(fù)合膜膜孔閉合或電解質(zhì)變性，電池內(nèi)阻增大直到斷路，電池不再升溫，確保電池充電溫度正常。

 

 

 

而深充放能提升鋰離子電池的實(shí)際容量嗎？專家明確地告訴我，這是沒有意義的。他們甚至說，所謂使用前三次全充放的“激活”，在他們兩位博士的知識里，也想不通這有什么必要。然而為什么很多人深充放以后 Battery Information 里標(biāo)示容量會發(fā)生改變呢 ? 后面將會提到。

 

 

 

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(tài)、放電次數(shù)等數(shù)值。這些數(shù)值在使

 

 

 

 

用中會逐漸變化。我個(gè)人認(rèn)為，使用說明中的“使用一個(gè)月左右應(yīng)該全充放一次”的做法主要的作用應(yīng)該就是修正這些寄存器里不當(dāng)?shù)闹?，使得電池的充電控制和?biāo)稱容量吻合電池的實(shí)際情況。

 

 

 

充電控制芯片主要控制電池的充電過程。鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段，恒流快充階段（電池指示燈呈黃色時(shí)）和恒壓電流遞減階段 ( 電池指示燈呈綠色閃爍。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到 0 ，而最終完成充電。

 

 

 

電量統(tǒng)計(jì)芯片通過記錄放電曲線（電壓，電流，時(shí)間）可以抽樣計(jì)算出電池的電量，這就是我們在Battery Information 里讀到的 wh. 值。而鋰離子電池在多次使用后，放電曲線是會改變的，如果芯片一直沒有機(jī)會再次讀出完整的一個(gè)放電曲線，其計(jì)算出來的電量也就是不準(zhǔn)確的。所以我們需要深充放來校準(zhǔn)電池的芯片。

 

 

 

１．認(rèn)識記憶效應(yīng)電池記憶效應(yīng)是指電池的可逆失效,即電池失效后可重新回復(fù)的性能.記憶效應(yīng)是指電池長時(shí)間經(jīng)受特定的工作循環(huán)后,自動保持這一特定的傾向.這個(gè)最早定義在鎳鎘電池,鎳鎘的袋式電池不存在記憶效應(yīng),燒結(jié)式電池有記憶效應(yīng).而現(xiàn)在的鎳金屬氫(俗稱鎳氫)電池不受這個(gè)記憶效應(yīng)定義的約束.因?yàn)楝F(xiàn)代鎳鎘電池工藝的改進(jìn),上述的記憶效應(yīng)已經(jīng)大幅度的降低,而另外一種現(xiàn)象替換了這個(gè)定義,就是鎳基電池的"晶格化",通常情況,鎳鎘電池受這兩種效應(yīng)的綜合影響,而鎳氫電池則只受"晶格化"記憶效應(yīng)的影響,而且影響較鎳鎘電池的為小.在實(shí)際應(yīng)用中,消除記憶效應(yīng)的方法有嚴(yán)格的規(guī)范和一個(gè)操作流程.操作不當(dāng)會適得其反。

 

 

 

對于鎳鎘電池,正常的維護(hù)是定期深放電:平均每使用一個(gè)月(或 30 次循環(huán))進(jìn)行一次深放電(放電到 1.0v/每節(jié),老外稱之為 exercise),平常使用是盡量用光電池或用到關(guān)機(jī)等手段可以緩解記憶效應(yīng)的形成,但這個(gè)不是 exercise,因?yàn)閮x器(如手機(jī))是不會用到 1.0v/每節(jié)才關(guān)機(jī)的,必須要專門的設(shè)備或線路來完成這項(xiàng)工作,幸好許多鎳氫電池的充電器都帶有這個(gè)功能. 對于長期沒有進(jìn)行 exercise 的鎳鎘電池,會因?yàn)橛洃浶?yīng)的累計(jì),無法用 exercise 進(jìn)行容量回復(fù),這時(shí)則需要更深的放電(老外稱 recondition),這是一種用很小的電流長時(shí)間對電池放電到 0.4v 每節(jié)的一個(gè)過程,需要專業(yè)的設(shè)備進(jìn)行. 對于鎳氫電池,exercise 進(jìn)行的頻率大概每三個(gè)月一次即可有效的緩解記憶效應(yīng). 因?yàn)殒嚉潆姵氐难h(huán)壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鎳鎘電池,幾乎用不到 recondition 這個(gè)方法.

 

 

 

２．電池需要激活嗎？

 

 

 

回答是電池需要激活,但這不是用戶的要做的事.我參觀過鋰離子電池的生產(chǎn)廠, 鋰離子電池在出廠以前要經(jīng)過如下過程:鋰離子電池殼灌輸電解液---封口----化成,就是恒壓充電,然后放電,如此進(jìn)行幾個(gè)循環(huán),使電極充分浸潤電解液,充分活化,以容量達(dá)到要求為止,這個(gè)就是激活過程---分容,就是測試電池的容量選取不同性能(容量)的電池進(jìn)行歸類,劃分電池的等級,進(jìn)行容量匹配等.這樣出來的鋰離子電池到用戶手上已經(jīng)是激活過的了.我們大家常用的鎳鎘電池和

 

 

 

 

鎳氫電池也是如此化成激活以后才出廠的.其中有些電池的激活過程需要電池處于開口狀態(tài),激活以后再封口,這個(gè)工序也只可能有電芯生產(chǎn)廠家來完成了.這里存在一個(gè)問題,就是電池廠出廠的電池到用戶手上,這個(gè)時(shí)間有時(shí)會很長,短則 1 個(gè)月,長則半年,這個(gè)時(shí)候,因?yàn)殡姵仉姌O材料會鈍化,所以廠家建議初次使用的電池最好進(jìn)行 3~5 次完全充放過程,以便消除電極材料的鈍化,達(dá)到最大容量.在 2001 年頒布的三個(gè)關(guān)于鎳氫.鎳鎘和鋰離子電池的國標(biāo)中,其初始容量的檢測均有明確規(guī)定,對電池可以進(jìn)行 5 次深充深放,當(dāng)有一次符合規(guī)定時(shí),試驗(yàn)即可停止.這很好的解釋了我說的這個(gè)現(xiàn)象.

 

 

 

那么稱之為"第二次激活"也是可以的,用戶初次使用的"新"電池盡量進(jìn)行幾次深充放循環(huán).

 

 

 

然而據(jù)我的測試(針對鋰離子電池),存儲期在 1~3 個(gè)月之內(nèi)的鋰離子電池,對它進(jìn)行深充深放的循環(huán)處理,其容量提高現(xiàn)象幾乎不存在.(我在專題討論區(qū)有關(guān)于電池激活的測試報(bào)告)。

 

 

 

３．前三次要充１２小時(shí)嗎？

 

 

 

這個(gè)問題是緊扣上面的電池激活問題的,姑且設(shè)出廠的電池到用戶手上有電極鈍化現(xiàn)象,為了激活電池進(jìn)行深充深放電循環(huán) 3 次.其實(shí)這個(gè)問題轉(zhuǎn)化為深充是不是就是要充 12 個(gè)小時(shí)的問題.那么我的另一片文章"論手機(jī)電池的充電時(shí)間 " 已經(jīng)回答了這個(gè)問題。

 

 

 

答案是不需要充１２小時(shí).早期的手機(jī)鎳氫電池因?yàn)樾枰a(bǔ)充和涓流充電過程,要達(dá)到最完美的充飽狀態(tài),可能需要 5 個(gè)小時(shí)左右,但是也是不需要 12 個(gè)小時(shí)的.而鋰離子電池的恒流恒壓充電特性更是決定了它的深充電時(shí)間無需 12 個(gè)小時(shí).對于鋰離子電池有人會問,既然恒壓階段鋰離子電池的電流逐漸減小,是不是當(dāng)電流小到無窮小的時(shí)候才是真正的深充.我曾經(jīng)畫出恒壓階段電流減小對時(shí)間的曲線,對它進(jìn)行多次曲線擬合,發(fā)現(xiàn)這個(gè)曲線可以用 1/x 的函數(shù)方式接近與零電流,實(shí)際測試時(shí)因?yàn)殇囯x子電池本身存在的自放電現(xiàn)象,這個(gè)零電流是永遠(yuǎn)不可能到達(dá)的. 以 600mah 的電池為例,設(shè)置截至電流為 0.01c(即 6ma),它的 1c 充電時(shí)間不超過 150 分鐘,那么設(shè)置截至電流為 0.001c(即 0.6ma),它的充電時(shí)間可能為 10 小時(shí)---這個(gè)因?yàn)閮x器精度的問題,已經(jīng)無法精確獲得,但是從 0.01c 到 0.001c 獲的容量經(jīng)計(jì)算僅為 1.7mah,以多用的 7 個(gè)多小時(shí)來換取這僅僅的千分之三不到的容量是沒有任何實(shí)際意義的.何況,還有其它的充電方式,比如脈沖充電方式使鋰離子電池來達(dá)到 4.2v 的限制電壓,它根本沒有截止最小電流判斷階段,一般 150 分鐘后它就是 100%充飽了.許多手機(jī)都是用脈沖充電方式的．有人曾經(jīng)用手機(jī)顯示充飽后,再用座充進(jìn)行充電來確認(rèn)手機(jī)的充飽程度,這個(gè)測試方法欠嚴(yán)謹(jǐn).首先座充顯示綠燈不是檢測真正充飽與否的一個(gè)依據(jù)。

 

 

 

檢測鋰離子電池充飽與否的唯一最終的方法就是測試在不充電(也不放電)狀態(tài)時(shí)的鋰離子電池的電壓.所謂恒壓階段電流減小其真正的目的就是逐漸減小在電池內(nèi)阻上因充電電流而產(chǎn)生的附加電壓,當(dāng)電流小到 0.01c,比如 6ma,這個(gè)電流乘與電池內(nèi)阻(一般在 200 毫歐之內(nèi))僅為 1mv,可以認(rèn)為這時(shí)的電壓就是無

 

 

 

 

電流狀態(tài)的電池電壓.其次,手機(jī)的基準(zhǔn)電壓不一定等于座充的基準(zhǔn)電壓,手機(jī)認(rèn)為充飽的電池到了座充上,座充卻不認(rèn)為已經(jīng)充飽,卻繼續(xù)進(jìn)行充電。

 

 

 

４．充電電池有最佳狀態(tài)嗎？

 

 

 

有一種說法就是，充電電池使用得當(dāng)，會在某一段循環(huán)范圍出現(xiàn)最佳的狀態(tài)，就是容量最大．這個(gè)要分情況，密封的鎳氫電池和鎳鎘電池，如果使用得當(dāng)（比如定期的維護(hù)，防止記憶效應(yīng)的產(chǎn)生和累計(jì)），一般會在１００～２００個(gè)循環(huán)處達(dá)到其容量的最大值，比如出廠容量為 1000mah 的鎳氫電池用了 120 次循環(huán)后,其容量有可能達(dá)到 1100mah．幾乎所有的日本鎳氫電池生產(chǎn)商的技術(shù)規(guī)格書中描述鎳基電池的循環(huán)特性的圖上我都能看到這樣的描述．

 

 

 

鎳基電池有最佳狀態(tài),一般在 100~200 循環(huán)次數(shù)之間達(dá)到其最大容量對于液態(tài)鋰離子電池，卻根本不存在這樣一個(gè)循環(huán)容量的駝峰現(xiàn)象，從鋰離子電池出廠到最終電池報(bào)廢為止，其容量的表現(xiàn)就是用一次少一次．我在對鋰離子電池做循環(huán)性能的時(shí)候也從來沒有看到過有容量回升的跡象．

 

 

 

鋰離子電池沒有最佳狀態(tài).值得一提的是,鋰離子電池更容易受環(huán)境溫度的變化而表現(xiàn)不同的性能,在 25~40 度的環(huán)境溫度會表現(xiàn)其最好性能,而低溫或高溫狀態(tài),他的性能就大打折扣了.要使你的鋰離子電池充分展現(xiàn)它的容量,一定要細(xì)心的注意使用環(huán)境,防止高低溫現(xiàn)象,比如手機(jī)放在汽車的前臺上,中午的太陽直射很容易就可以使其超過 60 度,北方的用戶的電池待機(jī)時(shí)間,同等網(wǎng)絡(luò)情況下,就沒有南方的用戶長了.

 

 

 

５．真的是充電電流越大，充電越快嗎？

 

 

 

"論手機(jī)電池的充電時(shí)間\"一文中已經(jīng)講了這個(gè)問題,對于恒流充電的鎳基電池, 可以這么說,而對應(yīng)鋰離子電池,這個(gè)是不完全正確的。

 

 

 

對于鋰離子電池的充電，在一定電流范圍內(nèi)(1.5c~0.5c),提高恒流恒壓充電方式的恒流電流值,并不能縮短充飽鋰離子電池的時(shí)間.

 

 

 

６．直充標(biāo)的輸出電流就等于充電電流嗎？

 

 

 

這就要討論手機(jī)的充電方式了,對于充電管理在手機(jī)里面的,設(shè)定同樣一個(gè)直充( 實(shí)際應(yīng)稱為電源適配器)的輸出如:5.3v 600maa.充電管理是開關(guān)方式(高頻脈寬調(diào)整 pwm 方式),這個(gè)充電方式,手機(jī)并沒有完全利用直充的輸出能力,直充工作在恒壓段,輸出 5.3v,此時(shí)真正的充電電流由手機(jī)的充電管理進(jìn)行調(diào)整,而且肯定要小于 600ma,一般在 300~400ma.這個(gè)時(shí)候,大家看到的直充的輸出電流就不是手機(jī)的充電電流.比如 motorola 的許多直充其輸出為 5.0v 1a,真正對電池充電的也就用到了 500ma 足矣,因?yàn)槭謾C(jī)的電池容量也不過 580mah.

 

 

 

這時(shí)直充上標(biāo)的輸出電流就不等于實(shí)際充電電流。