手机锂电池充放电过程的优化研究

王林榕，李永强，熊正烨，卢嘉玲

(广东海洋大学电子与信息工程学院，广东湛江，524088)

0 引言

本文在针对使用充电器对手机锂离子电池充电时，验证锂离子电池在什么情况下可以最大限度的发挥电池的储能作用，尽可能的延长锂离子电池的使用寿命。在通过研究不同电压的充放电区别和适宜的充电电压大小，确定其最优化的充放电过程。

1 锂离子电池的工作原理

锂离子电池充放电的过程与一般的电池有所不同，锂离子电池的充放电是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入从而达到能量的变化，而不是像传统的方式那样实现电子的转移。在正常充放电情况下,锂离子的转移一般只能引起层间距的变化,而不会使晶体结构遭受破坏,因此从充放电的情况与变化来讲,锂离子电池是现有电池中最好的可逆充电电池。

锂离子电池正极材料为锂化合物，负极由碳组成，中间的电解质膜是聚合物电解质。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，负极则吸收正极所释放的锂离子，放电时则反之。其反应方程式如下所示：

锂离子电池正常工作的时候，电池内部进行电能与化学能相互转化的化学正反应向外输出功率，但是，如果电池过度充电、过度放电或者电流过大的情况都可能导致电池内部化学副反应的产生，随着时间的变化，其副反应便逐渐加剧，轻则极大地影响电池的性能和寿命，产生大量气体在内部，使电池结构遭受损坏；重则可能因为电池内部的压力急速增加而引发爆炸。

在实验中，以控制变量法的思想对锂离子电池进行在不同电压下的充放电。首先将电源电压分别调至3.9V、4.1V、4.3V给手机锂电池进行充电，待到电流大小变为0.1A时电池表示充电完全，记录每一组电池端口电流随充电时间的变化；然后每一组都以相同的条件对模拟手机打电话时的工作状态进行放电。由于实验用手机打电话可以使用接近2个小时，故经过计算，可得出手机电阻约为10Ω，即采用电阻箱10Ω电阻放电，万用表调节至电压档，当电池电压下降至3.3V时停止放电，记录各组电池随放电时间的电压的变化，即电池充电过程和电池放电过程。

2 实验结果与分析

2.1 3.9V的充放电

3.9V恒压充电的结果如图1所示。由图可以看出，锂离子电池的充电斜率随着时间变化逐渐趋向平行于X轴，即曲线随着时间逐渐平缓，并且可以明显看出有三个阶段的分界，在0-5 min内电流急剧下降，表示充电速率很快，电子快速均匀转移，这是电池充电速率最快的一个阶段；在充电进行到5-34 min的时候，电流下降幅度相对于14 min之前有了明显的减缓，并且以恒定的速率进行充电，而在之后的34 min至充电结束电流下降曲线的斜率更加小，曲线也更加平缓。

图1 3.9V时锂电池的充电过程

3.9V恒压充电状态下，电池放电过程如图2所示。由图7观察可得知放电曲线大概可以分为三个阶段，在放电0-3 min内，锂离子电池的电压下降快，电压曲线的斜率大；在3-32 min的放电时间内，电压曲线表现出随时间而斜率变得越来越慢，几近平行于X轴，放电很缓慢，电压一直稳定在3.6 V左右，程一个平台状。直至放电至32 min的时候曲线斜率一直在增加，因为担心电池会因为过放而损坏，所以放电至3.3V的时候终止了放电。

图2 3.9V时锂电池的放电过程

2.2 4.1V的充放电

4.1V时的充电过程如图3所示。从图中可以直观看出于4.1V充电的电流图有点不一样，4.1V充电在开始的时候也有一个电流急剧下降的阶段，从0-19 min这段时间，曲线的斜率最大，然后随着时间曲线的斜率逐渐减少，与3.9V充电不一样的是该电压充电的曲线是从14 min后保持比较稳定的趋势进行充电，直至充电完全。

图3 4.1V时锂电池的充电过程

4.1V状态下锂电池的放电过程如图4所示。从图中可以看出，放电曲线也是呈现了三个阶段，放电刚开始的8 min内，电池的电压下降速率得快，放电速度快；而在8-130 min这段时间曲线一直保持比较稳定的斜率，没有过大的波动，保持的比较稳定的放电，放电曲线类似呈现一个平台状，曲线的变化明显变得平缓了，斜率变化缓慢；时间到达130 min的时候曲线的斜率突然增大，开始加快了放电速度，而且电压变化曲线越来越陡，直至达到3.3V。

图4 4.1V时锂电池的放电过程

2.3 4.3V的充放电

4.3V时的充电过程如图5所示，其充电时间比较短，与3.9V和4.1V充电的曲线走势不一样的是4.3V充电的曲线很陡，电流一直保持大幅度的下降，而且总体的斜率也是最大的，充电速率最快，与4.1V充电一样的是该电压充电的曲线是从70 min后保持比较稳定的趋势进行充电，直至充电完全。

图5 4.3V时锂电池的充电过程

4.1V时的放电过程如图6所示。与之前两个电压下的放电曲线一致，分为三个阶段放电，在0-8 min这个时间段内电压的变化大，斜率大，下降幅度明显；到达8 min后，电池开始稳定放电，曲线保持稳定的斜率,电压也像3.9V和4.1V一样，保持稳定的下降趋势，放电电压曲线变得缓慢，呈现一个平台状，维持到距离放电160 min的时候，突然曲线开始变陡，一直增大，直至放电到3.3V。

图6 4.3V时锂电池的放电过程

2.4 结果分析

三种恒压下锂电池的充电过程如图7所示。通过不同电压充电过程比较可知，锂离子电池充电的电流随充电的时间增大而呈现一定规律减少，其充电电压越大，曲线显示越陡，充电更迅速，而且充电的时间会明显缩短。由图看出，充电电压最大的，其充电时电流越大，充电时间居3.9V和4.1V充电电压之间，且斜率在前期比较大，之后便平缓。用4.1V充电的时候时间远远长于3.9V和4.3V充电，而且明显斜率平缓很多。3.9V充电电压时，电压小，时间短，其容量也很小。

图7 三种恒压下锂电池的充电过程

图8 三种恒压下锂电池的放电过程

三种电压下放电过程如图8所示。可以看出三种恒压充电下的电压变化曲线走势基本一致，在放电到一定时间后电压曲线都会变得缓慢，在一定的时间内会呈现一个平台状，而在这段时间过后之后曲线曲率都会突然增大，直至放电完成；4.3V充电状态的处于最上层，其次是4.1V,最后是3.9V,由图可以得出4.3V下电池放电时间最长，也就是电池的导航时间最大，其次是4.1V下充电的锂离子电池导航时间，最低是3.9V充电的导航时间。

3 结论

（1）在4.1-5V这个一般充电范围内，充电电压最大的，其充电时电流越大。充电时间居3.9V和4.1V充电电压之间，用4.1V充电时，明显斜率平缓很多，但充电时间较长。3.9V充电电压时，电压小，时间短，其容量也很小。在用接近电池充电限制电压的4.3V充电的情况下，虽然充电看起来更完全，但是其用时是最长的。（2）在放电情况下，4.3V充电状态的处于最上层，其次是4.1V,最后是3.9V，可以得出4.3V下电池放电时间最长，也就是电池的导航时间最大，其次是4.1V下充电的锂离子电池导航时间，最低是3.9V充电的导航时间。（3）综合以上的分析4.3V下充电效果是最好的，虽然充电时间随着充电电压越大而越短，但是并不是一味地遵循大电压充电效果就越好。