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酒逢知己饮,诗向会人吟。相识满天下,知心能几人。

 
 
 

日志

 
 

锂电池的保养及误区释疑  

2009-02-15 13:17:11|  分类: 科技文摘 |  标签: |举报 |字号 订阅

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       电池在笔记本电脑中也是一个比较严重的消耗部件,电池使用超过一段时间后,供电时间将逐渐缩短,直至无法使用。因此涉及到笔记本电脑电池的保养和合理使用问题也是经常被讨论到的话题。但一些使用者的某些保养的理解是错误的,以下对此做一下解释。
一、镍氢电池
相比锂电池,镍氢电池摆脱不了与生俱来的劣势。一是 记忆效应:镍氢电池与镍镉电池一样都有记忆效应,只是要轻微得多,但仍然必须电量耗尽后才可充电。而锂电池完全没有记忆效应,可以不必理会残余电量是多少,直接充电。劣势二是 自放电率高:镍氢电池一个月为25~35%,而锂电池一个月只有2~5%,这样镍氢电池的电量流失很快,需要经常充电。现在装配镍氢电池的机型已经基本不会见到,普遍应用的是锂离子电池。
二、锂电池
锂电池在一个寿命周期内一般可以进行300至500次的充、放电。因此很多人认为,只要少用电池,这样就可以在一定程度上起到了延长电池寿命的作用。但是他们却忽略了锂电池易老化的本性。
电池作为一个化学元件,受工作环境影响很大,由于氧化反应所引起的电池内阻的增加是导致电池损耗的主要原因。当电解槽电阻达到某个点时,尽管这时候电池依旧可以充满电,但电池却已经不能向外释放储存的电量了。这也是为什么很多用户会抱怨他们充满电的电池,在使用中一下子就没电了。因此不妨这样理解此问题,那就是当锂电池装配结束走下生产线后,它的生命时钟就随即开始走动,它的剩余寿命目前是用充电次数来评估的。
避免频繁地使用电池可以说是最根本的一个方法,但即便你平时大多使用外接电源,好像没有使用电池,但是实际上,电池的老化过程随着时间的推移,一直在进行。将电池搁置不用,也只能是在一定程度上延缓电池的损耗速度而已,却无法使之停止,一般在两到三年以后就寿终正寝了,因此,没必要购买备用的锂电池进行存储,这样实际是在浪费这块电池。另外,如果总是把电池搁一边不用,笔记本电脑的移动意义又从何谈起呢? 所以还是要在使用的情况下谈保养问题。
知己知彼,百战不殆。锂离子电池的正极材料通常由锂的活性化合物组成,负极是特殊分子结构的碳。常见的正极材料主要成分为LiCoO2,充电时,加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子,嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时,锂离子从片层结构的碳中析出,重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。
化学反应原理虽然很简单,然而在实际的工业生产中,需要考虑的实际问题要多得多:正极的材料需要添加剂来保持多次充、放的活性,负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子;填充在正、负极之间的电解液,除了保持稳定,还需要具有良好导电性,减小电池内阻。
锂离子电池很少有镍镉电池的记忆效应。造成记忆效应的原因是结晶化,而在锂电池中几乎不会产生这种反应。但是,锂离子电池在多次充、放后容量仍然会下降,其原因是复杂而多样的。主要是正、负极材料本身的变化,从分子层面来看,正、负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞;从化学角度来看,是正、负极材料活性钝化,出现副反应生成稳定的其他化合物。物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况,总之最终降低了电池在充、放电过程中可以自由移动的锂离子数目。
不适合的温度,将引发锂离子电池内部其他化学反应,生成我们不希望看到的化合物。所以在不少的锂离子电池正、负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂。在电池升温到一定的情况下,复合膜膜孔闭合或电解质变性,电池内阻增大直到断路,电池不再升温,确保电池充电温度正常。
所以说,锂离子电池也具有先天性的缺陷。锂离子电池自从出厂后其电量就开始不断衰减,即使是不进行循环使用,其部分电量也会永久性的丧失,这一现象我们将之称为电池的“老化效应”。它和镍氢电池的“记忆效应”一样,会造成电池电量的减少。但原理不同,处置方法也不同。镍氢电池避免“记忆效应”的方法是进行深度的充电、放电,但锂电池绝对不能这样做。这在后面将详细说明。
三、锂电池的保存
造成锂电池的老化的速度是由温度和搁置保存时的充电状态而决定的。测试数据表明,锂离子电池老化的幅度和温度以及充电饱和度成正比。这就意味着温度越高、电池充得越满,容量的损失就越大。我将给出一个表格来说明这两种因素的不同情况对电池容量的影响。
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存储温度    充电40%后搁置保存    充电100%后搁置保存
        一年后剩余容量        一年后剩余容量
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0度        98%                94%
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25度        96%                80%
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40度        85%                65%
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60度        75%               60%(三个月后)
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由表格可见,高充电状态和过高的温度加快了电池容量的下降。因此对于锂离子电池,若要长期保存,用户应当将其电量控制在40%,并存储在15℃甚至更低的温度下,这样就可以在使电池自身的保护电路处于工作状态。而如果充满电后将电池置于高温下,反而会对电池造成极大的损害。表中也已经看出,充电100%在 60°C环境保存,3个月后电池容量竟然下降了40%。
四、锂电池的使用
在解决了究竟如何保存电池这个问题之后,同时也引出了大家一直争论的另一个焦点,那就是当我们使用固定电源的时候,是否需要将电池取下?这的确是让人很头痛的一个问题。原则上电池的寿命主要是由充电次数来计算的,在有外部电源的情况下取出电池的确可以减少电池被充电的机会。另外,我们可以来分析一下使用固定电源时电池放置于电脑中所处的环境:由于笔记本电脑的充电保护电路作用,使电池维持在95%~100%的满电量状态,而此时电池所处的环境温度至少在 25°C~30°C之间,如果炎热天气,这个温度还会有所更高,那么从上表中你应该很自然的就得出了一个结论,那就是这么做实际上对电池造成的损害最大,会引起其容量的显著下降。
但取掉电池后,仅仅使用外接电源也会存在一些危险。突然断电、交流电压不稳,都对笔记本电脑造成硬件损伤,所以制造商一般都会警告用户不要取下电池。当然这样的结果就是使你的电池经常处在这样相对恶劣的环境下,不用多久就会over了,到时你就需要到维修中心去更换新的电池,这样一来,受益的自然是制造厂商了。这也是让人头疼的地方。
现在只能说,在AC供电稳定的前提下,可以考虑取下电池,前提是养成数据随时备份的习惯。如果打算长期不使用电池,应将电池充到40%后放置于小于25°C的荫凉、干燥地方保存,但切记不要放到冰箱里。
由于灰尘和湿气也在充当着电池杀手的角色,它们会破坏电池板电路并加速电池内部的氧化,所以对于那些长期保存的电池,需要套上一层薄膜来低档灰尘和湿气的侵害。保存期间由于电池本身的钝化电压会下降,所以每隔一个月要将电池装上去进行一次充、放电回环,再继续保存,以维持电池的容量和离子活性,好比给电池锻炼一下身体而不仅仅是再次充电。
下面特别强调:禁止过度充电与放电
最后一个大家瞩目的焦点便是锂电池究竟该如何合理充电和放电这个问题。过度充电和过度放电,将对锂离子电池的正、负极造成永久的损坏。这与镍氢、镍镉电池的做法截然不同。从分子层面看,可以直观的理解为: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。因此锂离子电池通常配有充、放电控制电路。对于锂电池来说最好是进行部分放电,而不是完全放电。实际测试表明,如果电池放到每单元2.5伏特以下,虽然电池内部的安全电路会启动,但这个时候电池就会变得有些不好用了。结果只能使电池报废期提前。正确的做法是不要在储存电池之前将它的电量放得一干二净,而是应该在储存之前充一些电,并且在再次使用之前首先充满电。
深度的充、放电对电池有害无益,但为什么有的人会产生误解呢?
首先有人认为,深度充、放能可以激发电池活性,提升锂离子电池的实际容量。据专家的回答,这只是不了解锂电池的机理而形成的有趣想象,深度的充、放电只会额外造成锂离子电池正、负的永久损坏。
其次,新电池的电量显示有时会不正确,比如电池已充满电,仍显示96%。几次充、放电全循环后,会慢慢达到99%-100%。其实,这是电池内的检测电路还没有采样到足够多的数据,还未来得及修正寄存器中的数值造成的。电池电量仍由电池的化学特性决定,显示的数值只是一个参考。所谓新电池在使用前进行三次全充、放的“激活”,在专家们的眼里,也是以讹传讹。很多人在深充、放以后发现Battery Information里标示的容量发生了改变,为什么呢?因为笔记本电脑用锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中
(1)              管理芯片中有一系列的寄存器,存有电池容量、温度、ID、充电状态、放电次数等数值。而这些数值在使用中会逐渐变化。
(2)              充电控制芯片主要控制电池的充电过程。锂离子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)。恒流快充阶段,电池电压逐步升高到电池的标准电压,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。这有效地防止了过度充电。
(3)              电量统计芯片通过记录放电曲线(电压,电流,时间)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。而锂离子电池在多次使用后,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。所以需要深充、放来校准电池的芯片。
所以个人认为,在笔记本电脑的使用说明中的“使用一个月后应该全充、放一次”的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当的值,使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况。
另外,平时锂电池究竟该如何合理充电和放电呢?由于锂离子电池的电记忆效应小得可以忽略不计,所以半途充电对它的损伤并不是很大,而它最怕的是过度放电(完全放电)。经常对锂离子电池过度低放电的结果只能是让电池提前报废,那些诸如BIOS放电、程序放电、甚至是接上小灯泡放电的方式不到迫不得已是最好不要尝试。因此对于锂离子电池大可不必等到0%再充电。
综上,对电池的保养有几点建议:
1.     在AC Adapter(外接电源适配器) 模式下,电池使用时若没有经历充/放电过程,寿命会比正常使用电池长。
2.     电池内部电阻的增加是导致电池损耗的主要原因,半途充电与用到接近告警线再充电差别不大,仅仅是管理芯片的计数会出现差别;
3.     要避免完全放电;
4.     一段时间可做一次保护电路控制下的深充,放以修正电池的电量统计,但这不会提高电池的实际容量;
5.     在摄氏40度的高温下,电池损耗速度会比正常温度下快很多,在类似新加坡、华南等温度较高的地区的车内使用时,电池温度很容易达到65摄氏度,这会导致电池的快速损耗。要避免将笔记本放在高温的汽车内;
6.     如果你多数时间是在使用固定电源,交流电源又很稳定,则可以取下电池,将电池的剩余电量充放到40%后放在阴凉的地方保存,但切记不要放到冰箱里;
7.     电池内的保护电路也无力监控电池的自放电,对于处于保存状态下的电池,应定期充入一定的电量,以防止电池自放电过度而损坏电池。
8.     摔、撞电池等行为也将加速电池损耗。
    其实电池没有太多要顾及的使用注意,适当让其处于饥寒交迫之中,反而有益于电池的物尽其用。一个电池能使用多少次,一方面来自电池本身制造中的个体差异,另一方面来自于您对电池温柔的使用。

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