技术 | 一文看懂电池的记忆效应

电池记忆效应(Battery memory effect)是指如果电池属镍镉电池,长期不彻底充电、放电,易在电池内留下痕迹,降低电池容量的现象。电池好像记忆用户日常的充、放电幅度和模式,日久就很难改变这种模式,不能再做大幅度充电或放电。锂离子电池不存在这种效应。

导致的原因

由于传统工艺中负极为烧结式,镉晶粒较粗,如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电,镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。

电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点,尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中,任何一次不完全的放电都将加深这一效应,使电池的容量变得更低。

认识记忆效应

电池记忆效应是指电池的可逆失效,即电池失效后可重新回复的性能。电池长时间经受特定的工作循环后,自动保持这一特定的倾向。这个最早定义在镍镉电池,镍镉的袋式电池不存在记忆效应,烧结式电池有记忆效应。意思是说,电池好像记忆用户日常的充、放电幅度和模式,日久就很难改变这种模式,不能再做大幅度充电或放电。而现在的镍金属氢(俗称镍氢)电池不受这个记忆效应定义的约束,但有惰性,前几次要激活才行,一般可以充放电300-500次,过后就会发现持续时间越来越短,短得你想换手机。用旧的电池包好放在冰箱里几天然后再用会有所提高性能。

 

技术 | 一文看懂电池的记忆效应

由于传统工艺中负极为烧结式,镉晶粒较粗,如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电,镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。要消除这种效应,有两种方法,一是采用小电流深度放电(如用 0.1C 放至 0V)一是采用大电流充放电(如 1C)几次。

在实际应用中,消除记忆效应的方法有严格的规范和一个操作流程。操作不当会适得其反。对于镍镉电池,正常的维护是定期深放电:平均每使用一个月(或30次循环)进行一次深放电(放电到1.0V/每节,即exercise),平常使用是尽量用光电池或用到关机等手段可以缓解记忆效应的形成,但这个不是exercise,因为仪器(如手机)是不会用到1.0V/每节才关机的,必须要专门的设备或线路来完成这项工作,幸好许多镍氢电池的充电器都带有这个功能。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点,尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中,任何一次不完全的放电都将加深这一效应,使电池的容量变得更低。

锂离子电池

锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成,负极则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,锂离子则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还是很多: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。

锂离子电池一般都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,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。使用说明中的“使用一个月左右应该全充放一次”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。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零,而最终完成充电。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。所以我们需要深充放来校准电池的芯片。

关于锂离子电池的一些争议

1、新电池需要重复几次完全充电放电来激活吗?

因为锂离子电池不存在记忆效应,所以锂离子电池的使用不需要激活。确实有一些充电电池需要类似的“激活”工作。这就是较早的镍镉充电电池和镍氢充电电池。这些电池会产生一种被称为“记忆效应”的现象,在不完全放电的状态下充电,容易使电池过度充电,时间长了会导致电极板上增生晶体,阻塞电解液与电极板的接触,造成电池的电压下降,让使用者产生电池很快就用完了的感觉。因此对于这两种电池来说,定期(而不是每次)对电池完全放电后再充电可以减轻上述原因引起的电压下降现象。不过,现在我们手机和笔记本电脑上所使用的电池,大都是锂离子电池(Li-ion Battery)。锂离子电池虽然身材小却可以储存大能量,因此使用的越来越广泛。锂离子电池在开始使用时不需要通过深度充放电来进行激活,因为电池的初始化及测试过程已经在制造电池的时候完成了。锂离子电池也没有所谓的“记忆效应”的,可以随时充电。建议定期对锂离子电池进行一次完全充放电的说法,仅仅是为了校准笔记本电脑和一些高端智能手机上的电量检测装置,并不是因为对电池本身有什么好处。对于普通的手机、数码相机这些分段显示电池大概电量的设备,是完全不需要定期完全充放电的。

2、过度充电是否会引起电池爆炸?

锂离子电池的能量密度大,电压较高(单独锂离子电池单元产生的电压可达到4.2V,而普通的镍基充电电池为1.2V),和低电压类电池相比,锂离子电池充电时电极的氧化还原反应十分剧烈,因此锂离子电池的使用条件必须受到严格限制,过度充电、过度放电、短路、高温等都会引起电池损坏,甚至发生起火和爆炸。但是,实际使用中的锂离子电池是把若干个电芯连同一套安全保护电路以及多种安全装置一起封装成一块电池板。这些安全设计可以保证在过度充电、过度放电和短路时自动切断电池的电路;电池内部压力过高还会触发排气装置减压;电池温度过高则会触发热熔保护装置,阻滞锂离子的运动从而停止电池的电化学反应。因此,只要不用质量不靠谱的山寨电池,手机充满电没有及时拔掉电源不会引起电池爆炸。

3、减少充电次数,可以延长电池寿命吗?

一般锂离子电池的寿命可以达到几百次充放电循环,电池和设备的说明书上也经常见到这样的表述。这里的1个充放电循环是指将电池电量用光然后再充满的过程,而不是插上充电器再拔掉就算1次。连续对锂离子电池进行深度充放电,对锂离子电池的寿命是有影响的,上述几百次的数据也是在这样的条件下测得的,但在日常浅度充放电条件下,锂离子电池的寿命其实相当长。此外,锂离子电池放着不用,其容量也会自然损失,主要的影响因素是电压和温度。研究表明,锂离子在完全充电的状态下长时间存放,其容量会发生明显损失。同样的,温度越高,锂离子电池的容量损失就越快,而这种损失是不可逆的,也就是说,电池的容量会永久变小。在0度环境下,电量剩余40%的锂离子电池存放一年后,其容量会损失2%;而在40度环境下,完全充满电的锂离子电池存放一年后,其容量损失高达35%。

4、锂离子电池的正确使用

1、为新电池充电:

在使用锂电池中应注意的是,电池放置一段时间后则进入休眠状态,此时容量低于正常值,使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活,只要经过3—5次正常的充放电循环就可激活电池,恢复正常容量。由于锂电池本身的特性,决定了它几乎没有记忆效应。因此用户新锂电池在激活过程中,是不需要特别的方法和设备的。从一开始就采用标准方法充电这种“自然激活”方式是最好的。锂电池或充电器在电池充满后都会自动停充,并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说,如果你的锂电池在充满后,放在充电器上也是白充。

而我们谁都无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失,所以电池将长期处在危险的边缘徘徊。这也是我们反对长充电的另一个理由。此外在对某些机器上,充电超过一定的时间后,如果不去取下充电器,这时系统不仅不停止充电,还将开始放电-充电循环。也许这种做法的厂商自有其目的,但显然对电池的寿命而言是不利的。同时,长充电需要很长的时间,往往需要在夜间进行,而以我国电网的情况看,许多地方夜间的电压都比较高,而且波动较大。前面已经说过,锂电池是很娇贵的,它比镍电在充放电方面耐波动的能力差得多,于是这又带来附加的危险。

2、正常使用中应该何时开始充电:

因为充放电的次数是有限的,所以应该将锂电池的电尽可能用光再充电。关于锂离子电池充放电循环的实验表,关于循环寿命的数据列出如下:循环寿命(10%DOD):》1000次;循环寿命(100%DOD):》200次。

其中DOD是放电深度的英文缩写。充电次数和放电深度有关,10%DOD时的循环寿命要比100%DOD的要长很多。当然如果折合到实际充电的相对总容量:10%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充放电还是要比较好一些,在正常情况下,应该有保留地按照电池剩余电量用完再充的原则充电,但假如电池在预计第2天不可能坚持整个白天的时候,就应该及时开始充电,当然你如果愿意背着充电器到办公室又当别论。

而需要充电以应付预计即将到来的会导致通讯繁忙的重要事件的时候,即使在电池尚有很多余电时,那么也只管提前充电,因为并没有真正损失“1”次充电循环寿命,也就是“0。x”次而已,而且往往这个x会很小。电池剩余电量用完再充的原则并不是要走向极端。和长充电一样流传甚广的一个说法,就是“尽量把机器的电池的电量用完,最好用到自动关机”。这种做法其实只是镍电池上的做法,目的是避免记忆效应发生,不幸的是它也在锂电池上流传之今。曾经有人因为机器电池电量过低的警告出现后,仍然不充电继续使用一直用到自动关机的例子。结果这个例子中的机器在后来的充电及开机中均无反应,不得不送客服检修。这其实就是由于电池因过度放电而导致电压过低,以至于不具备正常的充电和开机条件造成的。

3、对锂电池的正确做法

归结起来,我对锂电池在使用中的充放电问题最重要的提示是:

1、按照标准的时间和程序充电,即使是前三次也要如此进行;

2、当出现机器电量过低提示时,应该尽量及时开始充电;

3、锂电池的激活并不需要特别的方法,在机器正常使用中锂电池会自然激活。

铅酸蓄电池有记忆效应吗?

电瓶车的铅酸蓄电池一般是没有记忆效应的。一般来说是锌酸镍酸的容易记忆效应的。电瓶车铅蓄电池如下图所示:

 

技术 | 一文看懂电池的记忆效应

定义:电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。英语:Lead-acid battery。放电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;充电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。分为排气式蓄电池和免维护铅酸电池。

电池主要由管式正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽、电池盖、极柱、注液盖等组成。排气式蓄电池的电极是由铅和铅的氧化物构成,电解液是硫酸的水溶液。主要优点是电压稳定、价格便宜;缺点是比能低。(来源:电子发烧友)

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