手機鋰電池充放電過程的優化研究

王林榕，李永強，熊正燁，盧嘉玲

(廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東湛江，524088)

0 引言

本文在針對使用充電器對手機鋰離子電池充電時，驗證鋰離子電池在什么情況下可以最大限度的發揮電池的儲能作用，盡可能的延長鋰離子電池的使用壽命。在通過研究不同電壓的充放電區別和適宜的充電電壓大小，確定其最優化的充放電過程。

1 鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池充放電的過程與一般的電池有所不同，鋰離子電池的充放電是通過鋰離子在層狀物質的晶體中的出入從而達到能量的變化，而不是像傳統的方式那樣實現電子的轉移。在正常充放電情況下,鋰離子的轉移一般只能引起層間距的變化,而不會使晶體結構遭受破壞,因此從充放電的情況與變化來講,鋰離子電池是現有電池中最好的可逆充電電池。

鋰離子電池正極材料為鋰化合物，負極由碳組成，中間的電解質膜是聚合物電解質。當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，負極則吸收正極所釋放的鋰離子，放電時則反之。其反應方程式如下所示：

鋰離子電池正常工作的時候，電池內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應向外輸出功率，但是，如果電池過度充電、過度放電或者電流過大的情況都可能導致電池內部化學副反應的產生，隨著時間的變化，其副反應便逐漸加劇，輕則極大地影響電池的性能和壽命，產生大量氣體在內部，使電池結構遭受損壞；重則可能因為電池內部的壓力急速增加而引發爆炸。

在實驗中，以控制變量法的思想對鋰離子電池進行在不同電壓下的充放電。首先將電源電壓分別調至3.9V、4.1V、4.3V給手機鋰電池進行充電，待到電流大小變為0.1A時電池表示充電完全，記錄每一組電池端口電流隨充電時間的變化；然后每一組都以相同的條件對模擬手機打電話時的工作狀態進行放電。由于實驗用手機打電話可以使用接近2個小時，故經過計算，可得出手機電阻約為10Ω，即采用電阻箱10Ω電阻放電，萬用表調節至電壓檔，當電池電壓下降至3.3V時停止放電，記錄各組電池隨放電時間的電壓的變化，即電池充電過程和電池放電過程。

2 實驗結果與分析

2.1 3.9V的充放電

3.9V恒壓充電的結果如圖1所示。由圖可以看出，鋰離子電池的充電斜率隨著時間變化逐漸趨向平行于X軸，即曲線隨著時間逐漸平緩，并且可以明顯看出有三個階段的分界，在0-5 min內電流急劇下降，表示充電速率很快，電子快速均勻轉移，這是電池充電速率最快的一個階段；在充電進行到5-34 min的時候，電流下降幅度相對于14 min之前有了明顯的減緩，并且以恒定的速率進行充電，而在之后的34 min至充電結束電流下降曲線的斜率更加小，曲線也更加平緩。

圖1 3.9V時鋰電池的充電過程

3.9V恒壓充電狀態下，電池放電過程如圖2所示。由圖7觀察可得知放電曲線大概可以分為三個階段，在放電0-3 min內，鋰離子電池的電壓下降快，電壓曲線的斜率大；在3-32 min的放電時間內，電壓曲線表現出隨時間而斜率變得越來越慢，幾近平行于X軸，放電很緩慢，電壓一直穩定在3.6 V左右，程一個平臺狀。直至放電至32 min的時候曲線斜率一直在增加，因為擔心電池會因為過放而損壞，所以放電至3.3V的時候終止了放電。

圖2 3.9V時鋰電池的放電過程

2.2 4.1V的充放電

4.1V時的充電過程如圖3所示。從圖中可以直觀看出于4.1V充電的電流圖有點不一樣，4.1V充電在開始的時候也有一個電流急劇下降的階段，從0-19 min這段時間，曲線的斜率最大，然后隨著時間曲線的斜率逐漸減少，與3.9V充電不一樣的是該電壓充電的曲線是從14 min后保持比較穩定的趨勢進行充電，直至充電完全。

圖3 4.1V時鋰電池的充電過程

4.1V狀態下鋰電池的放電過程如圖4所示。從圖中可以看出，放電曲線也是呈現了三個階段，放電剛開始的8 min內，電池的電壓下降速率得快，放電速度快；而在8-130 min這段時間曲線一直保持比較穩定的斜率，沒有過大的波動，保持的比較穩定的放電，放電曲線類似呈現一個平臺狀，曲線的變化明顯變得平緩了，斜率變化緩慢；時間到達130 min的時候曲線的斜率突然增大，開始加快了放電速度，而且電壓變化曲線越來越陡，直至達到3.3V。

圖4 4.1V時鋰電池的放電過程

2.3 4.3V的充放電

4.3V時的充電過程如圖5所示，其充電時間比較短，與3.9V和4.1V充電的曲線走勢不一樣的是4.3V充電的曲線很陡，電流一直保持大幅度的下降，而且總體的斜率也是最大的，充電速率最快，與4.1V充電一樣的是該電壓充電的曲線是從70 min后保持比較穩定的趨勢進行充電，直至充電完全。

圖5 4.3V時鋰電池的充電過程

4.1V時的放電過程如圖6所示。與之前兩個電壓下的放電曲線一致，分為三個階段放電，在0-8 min這個時間段內電壓的變化大，斜率大，下降幅度明顯；到達8 min后，電池開始穩定放電，曲線保持穩定的斜率,電壓也像3.9V和4.1V一樣，保持穩定的下降趨勢，放電電壓曲線變得緩慢，呈現一個平臺狀，維持到距離放電160 min的時候，突然曲線開始變陡，一直增大，直至放電到3.3V。

圖6 4.3V時鋰電池的放電過程

2.4 結果分析

三種恒壓下鋰電池的充電過程如圖7所示。通過不同電壓充電過程比較可知，鋰離子電池充電的電流隨充電的時間增大而呈現一定規律減少，其充電電壓越大，曲線顯示越陡，充電更迅速，而且充電的時間會明顯縮短。由圖看出，充電電壓最大的，其充電時電流越大，充電時間居3.9V和4.1V充電電壓之間，且斜率在前期比較大，之后便平緩。用4.1V充電的時候時間遠遠長于3.9V和4.3V充電，而且明顯斜率平緩很多。3.9V充電電壓時，電壓小，時間短，其容量也很小。

圖7 三種恒壓下鋰電池的充電過程

圖8 三種恒壓下鋰電池的放電過程

三種電壓下放電過程如圖8所示。可以看出三種恒壓充電下的電壓變化曲線走勢基本一致，在放電到一定時間后電壓曲線都會變得緩慢，在一定的時間內會呈現一個平臺狀，而在這段時間過后之后曲線曲率都會突然增大，直至放電完成；4.3V充電狀態的處于最上層，其次是4.1V,最后是3.9V,由圖可以得出4.3V下電池放電時間最長，也就是電池的導航時間最大，其次是4.1V下充電的鋰離子電池導航時間，最低是3.9V充電的導航時間。

3 結論

（1）在4.1-5V這個一般充電范圍內，充電電壓最大的，其充電時電流越大。充電時間居3.9V和4.1V充電電壓之間，用4.1V充電時，明顯斜率平緩很多，但充電時間較長。3.9V充電電壓時，電壓小，時間短，其容量也很小。在用接近電池充電限制電壓的4.3V充電的情況下，雖然充電看起來更完全，但是其用時是最長的。（2）在放電情況下，4.3V充電狀態的處于最上層，其次是4.1V,最后是3.9V，可以得出4.3V下電池放電時間最長，也就是電池的導航時間最大，其次是4.1V下充電的鋰離子電池導航時間，最低是3.9V充電的導航時間。（3）綜合以上的分析4.3V下充電效果是最好的，雖然充電時間隨著充電電壓越大而越短，但是并不是一味地遵循大電壓充電效果就越好。