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电池充放电

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锂离子电池的正极材料通常是锂的活性化合物,负极则是分子排列呈片层结构的碳。常见的正极材料主要成分为LiCoO2,充电时的反应式如下:
     正极反应:LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-
     负极反应:C + xLi+ + xe- CLix
     电池总反应:LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + CLix
     放电时,则发生上述反应的逆反应。
     充电时,加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出Li+离子,嵌入负极的碳中。放电时,Li+离子则从碳中逸出,重新和正极的化合物结合。Li+离子的移动产生了电流。
     反应式虽然很简单,然而在实际的工业生产中,需要考虑的问题却非常复杂。
首先,正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性,负极材料的结构需要精确到分子级去设计以容纳更多的Li+离子,填充在正负极之间的电解液,除了保持稳定,还需要具有良好的导电性,以减小电池内阻。
其二,是催化添加剂的变化。原先具有催化作用的分子结构的添加剂会逐渐改变结构,最终不能催化甚至起到相反的作用。
     其三,是电解质会在多次充放电中逐步变性,内阻增加。工艺不好的电芯可能由于电解质中某些成分控制不当而使变性加速。
     过度充电和过度放电,都将对锂电池的正负极造成永久的损坏。从分子层面看,可以直观的理解: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。这也是Li-ion电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因。
     笔记本电脑所用的锂离子电池带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器,这些寄存器中存有容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值,这些数值在使用中会逐渐变化,而且这些数值在多次的非完全充电情况下会导致电池标称容量下降、电池充不满或是使用时间变短等情况。 笔记本电脑电池使用一个月后应该完全充放电一次,这样做的主要作用就是修正这些寄存器里不当的数值,使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况。充电控制芯片主要控制电池的充电过程。锂电池的充电过程分为两个阶段,恒流快充阶段(电池指示灯呈黄色时)和恒压电流递减阶段(电池指示灯呈绿色闪烁时)。恒流快充阶段,电池电压逐步升高到电池的标称电压,随后在控制芯片下转入恒压阶段,电压不再升高以确保不会过充,电流则随着电池电量的上升逐步减弱到0,而最终完成充电。
     锂电池中还带有一个电量统计芯片,电量统计芯片通过记录放电曲线(电压、电流随时间的变化情况)可以抽样计算出电池的电量,这就是我们在Battery Information里读到的wh值。而锂电池在多次使用后,放电曲线是会改变的,如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线,其计算出来的电量也就是不准确的,所以我们需要完全充放电来校准电池的芯片。

一个基本的铅酸蓄电池是由正、负极板浸润在它们之间的电解液中组成的。说的更细致一点,正极板和负极板与电解液形成各自的'半电池’。在各自的半电池构造里正极板具有正电势、负极板具有负电势。基本单电池可以看作上述两个'半电池’按正极板-电解液——电解液-负极板组合而成,正、负相对电势为2V,6个单电池串联在一起就是电动车常用的12V电池。

    铅酸蓄电池充满电时,正极板上的物质是二氧化铅(PbO2),负极板上的物质是绒状的铅(Pb),电解液硫酸(H2SO4)的密度约为1.33g/cm3(指电动车用铅酸蓄电池,其他用途铅酸蓄电池密度稍低)。

    在放电过程中,通过放电回路正极板上的二氧化铅得到电子,负极板上的铅失去电子,分别产生二价铅(Pb2+)并且与电解液中的硫酸作用,在各自极板上沉淀为硫酸铅(PbSO4);析出的氧离子和氢离子化和成水。随着放电的进行,电解液浓度下降,正、负极板上的硫酸铅逐渐积累。当这个过程发展到一定的程度,放电极化现象越来越重,正极板的电势越来越趋向于负,负极板电势越来越趋向于正,电解液中硫酸的密度越来越低,电池的电压低到终止电压,放电就必须终止。

    在充电过程中,溶液中的二价铅离子将电子传给外电路氧化为正四价铅(Pb4+),同时电解液水(HO2)中的氧离子和正四价铅进入正极板的二氧化铅晶格。由于溶液中的二价铅被消耗,于是正极板上的硫酸铅不断溶解,二氧化铅不断生成;负极板上的硫酸铅先溶解成二价铅和硫酸根(SO4),二价铅接受充电回路传来的电子在负极板上还原成铅。同时电解液中留下的氢和硫酸根合成硫酸。随着充电的进行,极板上的硫酸铅逐步溶解,电解液浓度不断提高。当这个过程进行到一定程度,充电极化现象越来越重,正、负极板先后分别析出氧和氢,充电电流越来越多的产生水解,电解液中硫酸密度越来越高,正极板电势趋向最正,负极板电势趋向最负,电池电压不断升高,最终恢复到上述充满电的状态。

作为RST5200电化学工作站充放电方法,设置有充放电电流,充放电时间保护电位等完善的技术参数。

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