我們手機的鋰電池究竟要如何保養才算正確？這個(gè)問(wèn)題一直困擾著(zhù)很多手機的忠實(shí)用戶(hù)，在查閱了一些資料之后，不久前有機會(huì )咨詢(xún)了一位電化學(xué)專(zhuān)業(yè)的在讀博士和國內某知名電池研究所的所長(cháng)?，F將最近獲得的一些相關(guān)知識和心得寫(xiě)出來(lái)，以饗諸位讀者。

鋰離子電池的正極材料通常有鋰的活性化合物組成，負極則是特殊分子結構的碳。常見(jiàn)的正極材料主要成分為 LiCoO2 ，充電時(shí)，加在電池兩極的電勢迫使正極的化合物釋出鋰離子，嵌入負極分子排列呈片層結構的碳中。放電時(shí)，鋰離子則從片層結構的碳中析出，重新和正極的化合物結合。鋰離子的移動(dòng)產(chǎn)生了電流。

化學(xué)反應原理雖然很簡(jiǎn)單，然而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，需要考慮的實(shí)際問(wèn)題要多得多：正極的材料需要添加劑來(lái)保持多次充放的活性，負極的材料需要在分子結構級去設計以容納更多的鋰離子；填充在正負極之間的電解液，除了保持穩定，還需要具有良好導電性，減小電池內阻。

雖然鋰離子電池很少有鎳鎘電池的記憶效應，記憶效應的原理是結晶化，在鋰電池中幾乎不會(huì )產(chǎn)生這種反應。但是，鋰離子電池在多次充放后容量仍然會(huì )下降，其原因是復雜而多樣的。主要是正負極材料本身的變化，從分子層面來(lái)看，正負極上容納鋰離子的空穴結構會(huì )逐漸塌陷、堵塞；從化學(xué)角度來(lái)看，是正負極材料活性鈍化，出現副反應生成穩定的其他化合物。物理上還會(huì )出現正極材料逐漸剝落等情況，總之最終降低了電池中可以自由在充放電過(guò)程中移動(dòng)的鋰離子數目。

過(guò)度充電和過(guò)度放電，將對鋰離子電池的正負極造成永久的損壞，從分子層面看，可以直觀(guān)的理解，過(guò)度放電將導致負極碳過(guò)度釋出鋰離子而使得其片層結構出現塌陷，過(guò)度充電將把太多的鋰離子硬塞進(jìn)負極碳結構里去，而使得其中一些鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。這也是鋰離子電池為什么通常配有充放電的控制電路的原因。

不適合的溫度，將引發(fā)鋰離子電池內部其他化學(xué)反應生成我們不希望看到的化合物，所以在不少的鋰離子電池正負極之間設有保護性的溫控隔膜或電解質(zhì)添加劑。在電池升溫到一定的情況下，復合膜膜孔閉合或電解質(zhì)變性，電池內阻增大直到斷路，電池不再升溫，確保電池充電溫度正常。

而深充放能提升鋰離子電池的實(shí)際容量嗎？專(zhuān)家明確地告訴我，這是沒(méi)有意義的。他們甚至說(shuō)，所謂使用前三次全充放的“激活”，在他們兩位博士的知識里，也想不通這有什么必要。然而為什么很多人深充放以后 Battery Information 里標示容量會(huì )發(fā)生改變呢 ? 后面將會(huì )提到。

鋰離子電池一般都帶有管理芯片和充電控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、溫度、 ID 、充電狀態(tài)、放電次數等數值。這些數值在使

用中會(huì )逐漸變化。我個(gè)人認為，使用說(shuō)明中的“使用一個(gè)月左右應該全充放一次”的做法主要的作用應該就是修正這些寄存器里不當的值，使得電池的充電控制和標稱(chēng)容量吻合電池的實(shí)際情況。

充電控制芯片主要控制電池的充電過(guò)程。鋰離子電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)階段，恒流快充階段（電池指示燈呈黃色時(shí)）和恒壓電流遞減階段 ( 電池指示燈呈綠色閃爍。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標準電壓，隨后在控制芯片下轉入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會(huì )過(guò)充，電流則隨著(zhù)電池電量的上升逐步減弱到 0 ，而最終完成充電。

電量統計芯片通過(guò)記錄放電曲線(xiàn)（電壓，電流，時(shí)間）可以抽樣計算出電池的電量，這就是我們在Battery Information 里讀到的 wh. 值。而鋰離子電池在多次使用后，放電曲線(xiàn)是會(huì )改變的，如果芯片一直沒(méi)有機會(huì )再次讀出完整的一個(gè)放電曲線(xiàn)，其計算出來(lái)的電量也就是不準確的。所以我們需要深充放來(lái)校準電池的芯片。

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(cháng)時(shí)間經(jīng)受特定的工作循環(huán)后,自動(dòng)保持這一特定的傾向.這個(gè)最早定義在鎳鎘電池,鎳鎘的袋式電池不存在記憶效應,燒結式電池有記憶效應.而現在的鎳金屬氫(俗稱(chēng)鎳氫)電池不受這個(gè)記憶效應定義的約束.因為現代鎳鎘電池工藝的改進(jìn),上述的記憶效應已經(jīng)大幅度的降低,而另外一種現象替換了這個(gè)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(shí)際應用中,消除記憶效應的方法有嚴格的規范和一個(gè)操作流程.操作不當會(huì )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(gè)月(或 30 次循環(huán))進(jìn)行一次深放電(放電到 1.0v/每節,老外稱(chēng)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(gè)不是 exercise,因為儀器(如手機)是不會(huì )用到 1.0v/每節才關(guān)機的,必須要專(zhuān)門(mén)的設備或線(xiàn)路來(lái)完成這項工作,幸好許多鎳氫電池的充電器都帶有這個(gè)功能. 對于長(cháng)期沒(méi)有進(jìn)行 exercise 的鎳鎘電池,會(huì )因為記憶效應的累計,無(wú)法用 exercise 進(jìn)行容量回復,這時(shí)則需要更深的放電(老外稱(chēng) recondition),這是一種用很小的電流長(cháng)時(shí)間對電池放電到 0.4v 每節的一個(gè)過(guò)程,需要專(zhuān)業(yè)的設備進(jìn)行. 對于鎳氫電池,exercise 進(jìn)行的頻率大概每三個(gè)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(gè)方法.

２．電池需要激活嗎？

回答是電池需要激活,但這不是用戶(hù)的要做的事.我參觀(guān)過(guò)鋰離子電池的生產(chǎn)廠(chǎng), 鋰離子電池在出廠(chǎng)以前要經(jīng)過(guò)如下過(guò)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(jìn)行幾個(gè)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(gè)就是激活過(guò)程---分容,就是測試電池的容量選取不同性能(容量)的電池進(jìn)行歸類(lèi),劃分電池的等級,進(jìn)行容量匹配等.這樣出來(lái)的鋰離子電池到用戶(hù)手上已經(jīng)是激活過(guò)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(chǎng)的.其中有些電池的激活過(guò)程需要電池處于開(kāi)口狀態(tài),激活以后再封口,這個(gè)工序也只可能有電芯生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)完成了.這里存在一個(gè)問(wèn)題,就是電池廠(chǎng)出廠(chǎng)的電池到用戶(hù)手上,這個(gè)時(shí)間有時(shí)會(huì )很長(cháng),短則 1 個(gè)月,長(cháng)則半年,這個(gè)時(shí)候,因為電池電極材料會(huì )鈍化,所以廠(chǎng)家建議初次使用的電池最好進(jìn)行 3~5 次完全充放過(guò)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(gè)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定,對電池可以進(jìn)行 5 次深充深放,當有一次符合規定時(shí),試驗即可停止.這很好的解釋了我說(shuō)的這個(gè)現象.

那么稱(chēng)之為"第二次激活"也是可以的,用戶(hù)初次使用的"新"電池盡量進(jìn)行幾次深充放循環(huán).

然而據我的測試(針對鋰離子電池),存儲期在 1~3 個(gè)月之內的鋰離子電池,對它進(jìn)行深充深放的循環(huán)處理,其容量提高現象幾乎不存在.(我在專(zhuān)題討論區有關(guān)于電池激活的測試報告)。

３．前三次要充１２小時(shí)嗎？

這個(gè)問(wèn)題是緊扣上面的電池激活問(wèn)題的,姑且設出廠(chǎng)的電池到用戶(hù)手上有電極鈍化現象,為了激活電池進(jìn)行深充深放電循環(huán) 3 次.其實(shí)這個(gè)問(wèn)題轉化為深充是不是就是要充 12 個(gè)小時(shí)的問(wèn)題.那么我的另一片文章"論手機電池的充電時(shí)間 " 已經(jīng)回答了這個(gè)問(wèn)題。

答案是不需要充１２小時(shí).早期的手機鎳氫電池因為需要補充和涓流充電過(guò)程,要達到最完美的充飽狀態(tài),可能需要 5 個(gè)小時(shí)左右,但是也是不需要 12 個(gè)小時(shí)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(shí)間無(wú)需 12 個(gè)小時(shí).對于鋰離子電池有人會(huì )問(wèn),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(wú)窮小的時(shí)候才是真正的深充.我曾經(jīng)畫(huà)出恒壓階段電流減小對時(shí)間的曲線(xiàn),對它進(jìn)行多次曲線(xiàn)擬合,發(fā)現這個(gè)曲線(xiàn)可以用 1/x 的函數方式接近與零電流,實(shí)際測試時(shí)因為鋰離子電池本身存在的自放電現象,這個(gè)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(shí)間不超過(guò) 150 分鐘,那么設置截至電流為 0.001c(即 0.6ma),它的充電時(shí)間可能為 10 小時(shí)---這個(gè)因為儀器精度的問(wèn)題,已經(jīng)無(wú)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(gè)多小時(shí)來(lái)?yè)Q取這僅僅的千分之三不到的容量是沒(méi)有任何實(shí)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(lái)達到 4.2v 的限制電壓,它根本沒(méi)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(jìn)行充電來(lái)確認手機的充飽程度,這個(gè)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(gè)依據。

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(shí)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(gè)電流乘與電池內阻(一般在 200 毫歐之內)僅為 1mv,可以認為這時(shí)的電壓就是無(wú)

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,卻繼續進(jìn)行充電。

４．充電電池有最佳狀態(tài)嗎？

有一種說(shuō)法就是，充電電池使用得當，會(huì )在某一段循環(huán)范圍出現最佳的狀態(tài)，就是容量最大．這個(gè)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(huì )在１００～２００個(gè)循環(huán)處達到其容量的最大值，比如出廠(chǎng)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)規格書(shū)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(gè)循環(huán)容量的駝峰現象，從鋰離子電池出廠(chǎng)到最終電池報廢為止，其容量的表現就是用一次少一次．我在對鋰離子電池做循環(huán)性能的時(shí)候也從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)有容量回升的跡象．

鋰離子電池沒(méi)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不同的性能,在 25~40 度的環(huán)境溫度會(huì )表現其最好性能,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它的容量,一定要細心的注意使用環(huán)境,防止高低溫現象,比如手機放在汽車(chē)的前臺上,中午的太陽(yáng)直射很容易就可以使其超過(guò) 60 度,北方的用戶(hù)的電池待機時(shí)間,同等網(wǎng)絡(luò )情況下,就沒(méi)有南方的用戶(hù)長(cháng)了.

５．真的是充電電流越大，充電越快嗎？

"論手機電池的充電時(shí)間\"一文中已經(jīng)講了這個(gè)問(wèn)題,對于恒流充電的鎳基電池, 可以這么說(shuō),而對應鋰離子電池,這個(gè)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(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(shí)間.

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(gè)直充( 實(shí)際應稱(chēng)為電源適配器)的輸出如:5.3v 600maa.充電管理是開(kāi)關(guān)方式(高頻脈寬調整 pwm 方式),這個(gè)充電方式,手機并沒(méi)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(shí)真正的充電電流由手機的充電管理進(jìn)行調整,而且肯定要小于 600ma,一般在 300~400ma.這個(gè)時(shí)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(guò) 580mah.

這時(shí)直充上標的輸出電流就不等于實(shí)際充電電流。

7. 正常使用中應該何時(shí)開(kāi)始充電?