電池知識百科全書

手機的電池和充電器是一個永恒和共同的話題,永遠有爭論，永遠有迷惑．我不求下面這篇文章能帶來什么,只是希望本人的一點小小工作能給大家多一份選擇和認識．以下的討論都是針對手機電池,有些更是只針對鋰離子電池,我不想把論題擴大,因為來的都是來討論手機的.
　　為了便于閱讀,小標題列舉如下:
　　１．認識記憶效應
　　２．電池需要激活嗎
　　３．前三次要充１２小時嗎
　　４．充電電池有最佳狀態(tài)嗎
　　５．真的是充電電流越大，充電越快嗎
　　６．直充標的輸出電流就等于充電電流嗎
　　７．循環(huán)充放電一次就是少一次壽命嗎
　　８．電池容量越高越好嗎
　　９．充飽的電池進行存儲好嗎
　　１０．座充的綠燈亮了以后在多充一個小時有用嗎
　　１１．座充充電比直充飽嗎
　　
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　　１．認識記憶效應
　　電池記憶效應是指電池的可逆失效,即電池失效后可重新回復的性能.記憶效應是指電池長時間經(jīng)受特定的工作循環(huán)后,自動保持這一特定的傾向.這個最早定義在鎳鎘電池,鎳鎘的袋式電池不存在記憶效應,燒結(jié)式電池有記憶效應.而現(xiàn)在的鎳金屬氫(俗稱鎳氫)電池不受這個記憶效應定義的約束.
　　因為現(xiàn)代鎳鎘電池工藝的改進,上述的記憶效應已經(jīng)大幅度的降低,而另外一種現(xiàn)象替換了這個定義,就是鎳基電池的"晶格化",通常情況,鎳鎘電池受這兩種效應的綜合影響,而鎳氫電池則只受"晶格化"記憶效應的影響,而且影響較鎳鎘電池的為小.
　　在實際應用中,消除記憶效應的方法有嚴格的規(guī)范和一個操作流程.操作不當會適得其反.
　　對于鎳鎘電池,正常的維護是定期深放電:平均每使用一個月(或30次循環(huán))進行一次深放電(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)機等手段可以緩解記憶效應的形成,但這個不是exercise,因為儀器(如手機)是不會用到1.0V/每節(jié)才關(guān)機的,必須要專門的設備或線路來完成這項工作,幸好許多鎳氫電池的充電器都帶有這個功能.
　　對于長期沒有進行exercise的鎳鎘電池,會因為記憶效應的累計,無法用exercise進行容量回復,這時則需要更深的放電(老外稱recondition),這是一種用很小的電流長時間對電池放電到0.4V每節(jié)的一個過程,需要專業(yè)的設備進行.
　　對于鎳氫電池,exercise進行的頻率大概每三個月一次即可有效的緩解記憶效應.因為鎳氫電池的循環(huán)壽命遠遠低于鎳鎘電池,幾乎用不到recondition這個方法.
　　▲建議1:每次充電以前對電池放電是沒有必要,而且是有害的,因為電池的使用壽命無謂的減短了.
　　▲建議2:用一個電阻接電池的正負極進行放電是不可取的,電流沒法控制,容易過放到0V,甚至導致串聯(lián)電池組的電池極性反轉(zhuǎn).
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　　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,如此進行幾個循環(huán),使電極充分浸潤電解液,充分活化,以容量達到要求為止,這個就是激活過程---分容,就是測試電池的容量選取不同性能(容量)的電池進行歸類,劃分電池的等級,進行容量匹配等.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,這個工序也只可能有電芯生產(chǎn)廠家來完成了.
　　這里存在一個問題,就是電池廠出廠的電池到用戶手上,這個時間有時會很長,短則1個月,長則半年,這個時候,因為電池電極材料會鈍化,所以廠家建議初次使用的電池最好進行3~5次完全充放過程,以便消除電極材料的鈍化,達到最大容量.
　　在2001年頒布的三個關(guān)于鎳氫.鎳鎘和鋰離子電池的國標中,其初始容量的檢測均有明確規(guī)定,對電池可以進行5次深充深放,當有一次符合規(guī)定時,試驗即可停止.這很好的解釋了我說的這個現(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個月之內(nèi)的鋰離子電池, 對它進行深充深放的循環(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告)
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　　３．前三次要充１２小時嗎
　　這個問題是緊扣上面的電池激活問題的,姑且設出廠的電池到用戶手上有電極鈍化現(xiàn)象,為了激活電池進行深充深放電循環(huán)3次.其實這個問題轉(zhuǎn)化為深充是不是就是要充12個小時的問題.那么我的另一片文章"論手機電池的充電時間"已經(jīng)回答了這個問題.
　　★★★答案是不需要充１２小時.
　　早期的手機鎳氫電池因為需要補充和涓流充電過程,要達到最完美的充飽狀態(tài),可能需要5個小時左右,但是也是不需要12個小時的.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間無需12個小時.
　　
　　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,是不是當電流小到無窮小的時候才是真正的深充.我曾經(jīng)畫出恒壓階段電流減小對時間的曲線,對它進行多次曲線擬合,發(fā)現(xiàn)這個曲線可以用1/x的函數(shù)方式接近與零電流,實際測試時因為鋰離子電池本身存在的自放電現(xiàn)象,這個零電流是永遠不可能到達的.
　　以600mAh的電池為例,設置截至電流為0.01C(即6mA),它的1C充電時間不超過150分鐘,那么設置截至電流為0.001C(即0.6mA),它的充電時間可能為10小時---這個因為儀器精度的問題,已經(jīng)無法精確獲得,但是從0.01C到0.001C獲的容量經(jīng)計算僅為1.7mAh,以多用的7個多小時來換取這僅僅的千分之三不到的容量是沒有任何實際意義的.
　　
　　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.許多手機都是用脈沖充電方式的．
　　
　　有人曾經(jīng)用手機顯示充飽后,再用座充進行充電來確認手機的充飽程度,這個測試方法欠嚴謹.
　　首先座充顯示綠燈不是檢測真正充飽與否的一個依據(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,當電流小到0.01C,比如6mA,這個電流乘與電池內(nèi)阻(一般在200毫歐之內(nèi))僅為1mV,可以認為這時的電壓就是無電流狀態(tài)的電池電壓.
　　其次,手機的基準電壓不一定等于座充的基準電壓,手機認為充飽的電池到了座充上,座充卻不認為已經(jīng)充飽,卻繼續(xù)進行充電.
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　　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，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．這個要分情況，密封的鎳氫電池和鎳鎘電池，如果使用得當（比如定期的維護，防止記憶效應的產(chǎn)生和累計），一般會在１００～２００個循環(huán)處達到其容量的最大值，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,一定要細心的注意使用環(huán)境,防止高低溫現(xiàn)象,比如手機放在汽車的前臺上,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時間,同等網(wǎng)絡情況下,就沒有南方的用戶長了.
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　　５．真的是充電電流越大，充電越快嗎
　　"論手機電池的充電時間"一文中已經(jīng)講了這個問題,對于恒流充電的鎳基電池,可以這么說,而對應鋰離子電池,這個是不完全正確的。
　　★★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間.
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　　６．直充標的輸出電流就等于充電電流嗎
　　這就要討論手機的充電方式了,對于充電管理在手機里面的,設定同樣一個直充(實際應稱為電源適配器)的輸出如:5.3V 600mA
　　
　　A.充電管理是開關(guān)方式(高頻脈寬調(diào)整PWM方式),這個充電方式,手機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,此時真正的充電電流由手機的充電管理進行調(diào)整,而且肯定要小于600mA,一般在300~400mA.這個時候,大家看到的直充的輸出電流就不是手機的充電電流.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,因為手機的電池容量也不過580mAh.
　　★這時直充上標的輸出電流就不等于實際充電電流
　　
　　B.充電管理為脈沖方式的,這個充電方式,手機完全利用了直充的限流電流,就是用了600mA在電池上,這個時候,直充的輸出電流就是充電電流了.
　　當然以上的都是指在鋰離子電池的恒流階段或鎳氫電池的充電而言.
　　
　　如果手機沒有充電管理,把充電的管理移到了直充上,比如許多的CDMA手機都是如此,這個就沒什么好說的,它的輸出寫的很明白,比如輸出:4.2V 500mA,這個就是鋰離子電池恒流恒壓兩個數(shù)據(jù)了
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　　７．循環(huán)充放電一次就是少一次壽命嗎
　　循環(huán)就是使用,我們是在使用電池,關(guān)心的是使用的時間,為了衡量充電電池的到底可以使用多長時間這樣一個性能,就規(guī)定了循環(huán)次數(shù)的定義.實際的用戶使用千變?nèi)f化,因為條件不同的試驗是沒有可比性的,要有比較就必須規(guī)范循環(huán)壽命的定義.
　　國標如是規(guī)定鋰離子電池的循環(huán)壽命測試條件及要求:在25度室溫條件下以恒流恒壓方式1C的充電制度充電150分鐘,以恒流1C的放電制度放電到2.75V截止為一次循環(huán).當有一次放電時間小于36分鐘時試驗結(jié)束,循環(huán)次數(shù)必須大于300次.
　　解釋:
　　A.這個定義規(guī)定了循環(huán)壽命的測試是以深充深放方式進行的
　　B.規(guī)定了循環(huán)壽命按照這個模式執(zhí)行后必須超過300次以后容量仍然有60%以上
　　實際上,不同的循環(huán)制度得到的循環(huán)次數(shù)是截然不同的,比如以上其它的條件不變,僅僅把4.2V的恒壓電壓改為4.1V的恒壓電壓對同一個型號的電池進行循環(huán)壽命測試,這樣這個電池就已經(jīng)不是深充方式了,最后測試得到循環(huán)壽命次數(shù)可以提高近60%.那么如果把截止電壓提高到3.9V進行測試,其循環(huán)次數(shù)應該可以增加數(shù)倍.
　　這個關(guān)于循環(huán)一次就少一次壽命的說法已經(jīng)有許多友人進行了討論,我只是補充說明一下而已,大家在談論循環(huán)次數(shù)的時候不能忽視循環(huán)的條件,
　　●拋開規(guī)則談論循環(huán)次數(shù)是沒有任何意義的,因為循環(huán)次數(shù)是檢測電池壽命的手段,而不是目的!
　　
　　▲誤區(qū):許多人喜歡把手機鋰離子電池用到自動關(guān)機再充電.這個完全沒有必要.
　　實際上,用戶不可能按照國標測試模式對電池進行使用,沒有一個手機會在2.75V才關(guān)機,而其放電模式也不是大電流恒流放電,而是GSM的脈沖放電和平時的小電流放電混合的方式.
　　有另外一種關(guān)于循環(huán)壽命的衡量方法,就是時間.有專家提出一般民用的鋰離子電池的壽命是2~3年,結(jié)合實際的情況,比如以60%的容量為壽命的終止,加上鋰離子電池的時效作用(參考第９點),用時間來表述循環(huán)壽命我認為更為合理.
　　鉛蓄電池的充電機理就類似與鋰離子電池,是限流限壓方式,使用的方式就是淺充淺放,他的壽命表述就是時間,沒有次數(shù),比如10年.
　　★★★所以,對于鋰離子電池,沒有必要用到關(guān)機再充電,鋰離子電池本來就適合用隨時充電的方式進行使用,這也是他針對鎳氫電池的最大優(yōu)勢之一,請大家善加利用這個特性.
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　　８．電池容量越高越好嗎
　　不同型號(特別是不同體積)的電池,他的容量越高,提供使用的時間越長.拋開體積和重量的因素,當然容量越高越好.
　　但是同樣的電池型號,標稱容量(比如600mAh)也相同,實際測的初始容量不同:比如一個為660mAh,另一個是605mAh,那么660mAh的就比605mAh的好嗎.
　　實際情況可能是容量高的是因為電極材料中多了增加初始容量的東西,而減少了電極穩(wěn)定用的東西,其結(jié)果就是循環(huán)使用幾十次以后,容量高的電池迅速容量衰竭,而容量低的電池卻依然堅挺.許多國內(nèi)的電芯廠家往往以這個方式來獲得高容量的電池.而用戶使用半年以后待機時間卻是差得一塌糊涂.
　　民用的那些AA鎳氫電池(就是五號電池),一般是1400mAh,卻也有標超高容量的(1600mAh),道理也是一樣.
　　★提高容量的代價就是犧牲循環(huán)壽命,廠家不在電池材料的改性上下文章,是不可能真正"提高"電池容量的.
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　　９．充飽的電池進行存儲好嗎
　　鋰離子電池有一個特性非常不好,就是鋰離子電池的時效(或稱老化,老外稱為aging),就是鋰離子電池在存儲一段時間后,即使不進行循環(huán)使用,其部分容量也會永久的喪失,這是因為鋰離子電池的正負極材料從一出廠就已經(jīng)開始了它的衰竭歷程.不同的溫度和電池充飽狀態(tài),其時效后果不同,以下數(shù)據(jù)摘自參考文獻[1],以容量的百分比形式列出:
　　
　　存儲溫度--40%充電狀態(tài)-------100%充電狀態(tài)
　　0度-------98%(一年以后)-----94%(一年以后)
　　25度------96%(一年以后)-----80%(一年以后)
　　40度------85%(一年以后)-----65%(一年以后)
　　60度------75%(一年以后)-----60%(3個月以后)
　　
　　由此可見,存儲溫度越高和電池充的越飽,其容量損失就越厲害.所以不推薦長期的保存鋰離子電池,反之,廠家應該象對待腐爛的食物一樣將其回收.用戶要密切留意電池的生產(chǎn)日期.
　　★如果用戶手中有閑置的電池,那么專家推薦的存儲條件為充電水平是40%,存儲溫度低于15度或更低.
　　而鎳氫電池和鎳鎘電池則幾乎不受這個時效作用,長期存儲的鎳基電池在進行幾個深充深放以后就可以恢復其原始容量了.
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　　１０．座充的綠燈亮了以后在多充一個小時有用嗎
　　綠燈只是一個指示,真正充飽與否在于座充對電池充電過程的控制和判斷.以4.2V的鋰離子電池為例討論這個問題.
　　首先是控制,控制對電池的輸出是先恒流,后恒壓(電流逐漸減小).
　　然后是判斷,判斷電流小于某個電流值時,顯示綠燈,因為模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度和本身的電壓精度是受限制的,座充通常設定這個電流值為50mA,此時顯示綠燈,那么電池確實離它真正的充飽還有10%不到(據(jù)我所測,現(xiàn)在的鋰離子電池以50mA截止充電的話,其容量已經(jīng)可以達到95%,充電接受能力大大提高).現(xiàn)在的問題是座充接下去在干什么:
　　A.如果接下去,座充徹底關(guān)斷充電回路,沒有繼續(xù)進行恒壓充電,那么在座充上再放置10個小時也是于事無補.許多的座充設計方案就是這樣的,比如TI(德州儀器)的BQ2057系列充電芯片,linear(凌特)的LT1800系列都是如此.
　　B.座充繼續(xù)進行恒壓充電,并嚴格控制電壓不超出4.2V,無疑再多充一個小時,確實可以增加電池的容量.
　　C.座充繼續(xù)充電,但是它的電流控制很糟糕,不小心就使電池超出了4.2V,而且繼續(xù)往上跑.因為鋰離子電池不能吸收任何過充.持續(xù)對電池施加電流,就會造成這個后果,那么過充就發(fā)生了.這個當然是設計不好的座充,比如常見的即可充鋰電池.
???? D.還有一種充電管理芯片,比如maxim(美信)的1679芯片,與許多手機充電管理相同,它采用脈沖方式充電,它在顯示綠燈的時候,就是鋰離子電池已經(jīng)100%充飽了,當然再放置一個小時,它也不會過充,顯然又是在做無用功.
　　
　　用戶實際上不知道綠燈亮了以后座充到底在干什么,A或B或D,都有可能,座充說明書不寫這些東西的.排除不合格的座充,我們其實應該相信合格和原裝的座充,綠燈亮著的話,為什么不取下來用呢?這對用戶實際沒有什么太大的影響,充的不飽又不影響循環(huán)壽命(如上第７點所述),95%的容量也是可以接受的.除非有愛好者能深入分析自己的座充到底是以那種方式的在充電,否則我們不妨------
　　★亮綠燈后就取下來用.
　　
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　　１１．座充充電比直充飽嗎
　　看完了前面的婆婆他*的話,這個問題就是最好回答的了,問題的實質(zhì)就是充電方式的區(qū)別.
　　★不存在座充一定比直充充的飽的說法,也不存在直充一定比座充充的飽的說法.重要的是它們的充電方式是不是能最快最大的充飽電池.