对Thinkpad电池保养的探讨

bobwu

对Thinkpad电池保养的探讨 　[2005-01-09]


我们爱机的锂电池究竟要如何保养才是正确？这个问题一直困扰着很多人，长期以来在论坛上没有统一的意见。笔者查阅了一些资料，并咨询了一位好友(此人系电化学专业的博士)，又在该好友的介绍下请教了国内某知名电池研究所的副所长。不敢妄言已经解决了锂电的保养问题，只是将自己最近获得的一些相关知识和心得写出来。笔者的化学科班学习止于高中化学奥赛，此后一直在IT领域学习和工作，隔行如隔山，必有甚多理解浅薄，班门弄斧之处，但请专家拍砖斧正。
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
正极反应：LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-
负极反应：C + xLi+ + xe- CLix
电池总反应：LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + CLix
放电时，则发生上述反应的逆反应。
充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出Li+离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时，Li+离子则从片层结构的碳中逸出，重新和正极的化合物结合。Li+的移动推动了电流。
反应式虽然很简单，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Li+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。
严格意义来说,锂离子电池尽管存在容量退化,但并没有镍镉电池的记忆效应. 记忆效应的原理是结晶化,在锂电池中几乎不会产生这种反应.
锂离子电池在多次充放后容量会下降,其原因是复杂而多样的,
其一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中可以自由在充放电过程中移动的Li+离子数目.
其二是催化添加剂的变化,原先具有催化作用的分子结构的催化添加剂会逐渐改变结构,最终不能催化甚至起到相反的作用.
其三电解质会在多次充放电中逐步变性，内阻增加。工艺不好的电芯可能由于电解质中某些成分控制不当而更快的变性。
过度充电和过度放电,将对锂电池的正负极造成永久的损坏,从分子层面看,可以直观的理解,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.这也是Li-ion电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因.
不适合的温度,将引发锂电内部其他化学反应生成我们不希望看到的化合物,所以在有的锂电正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂。在电池升温达一定的情况下，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.
而深充放对提升锂电池的实际容量，专家明确的告诉我，这是没有意义的。他们甚至说，所谓使用前三次全充放的激活，在他们两位Phd的知识里，也想不通这有什么必要。然而为什么很多人深充放以后Battery Information里标示容量会发生改变呢? 后面将会提到。
IBM笔记本用锂离子电池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.这些值在使用中逐渐变化,据说一些值在多次的非全充分中可能导致电池标称容量下降,电池充不满或是使用时间变短等情况.
我个人认为IBM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.如果有人有办法直接读出这些值,再结合充电情况来分析,我想不难破解在保护电路监控下的深充放对电池指标有所提升的真正原因.
充电控制芯片主要控制电池的充电过程.ThinkPad锂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称电压,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.
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. 而锂电在多次使用后，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。
最后我对电池的保养的看法是:
1. 不必刻意保证每一次都放完电了再充;
2. 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,但这不会提高你电池的实际容量。
3. 长期不用的电池,应放在阴凉的地方以减弱其内部自身钝化反应的速度.
4. 保护电路也无力监控电池的自放电,长期不用的电池,应充入一定的电量以防电池在存贮中自放电过量导致过度放电的损坏;
其实电池没有太多要顾及的使用注意，换句话说是顾及也没有太大用。一个电池能使用多少次，也许差别更多的来自电池本身制造中的个体差异，而不是使用方法