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2024年7月3日发(作者:)
第八章 笔记本电池介绍
电池指的是将化学能、光能、原子能等其它形式的能转化为电能的装置。它分为一次电池(俗称
干电池)和二次电池(即可反复充电电池),随着电池技术的飞速发展,电池经历了由最初的伏打电池
到镍镉电池、镍氢电池、到现在最主流的锂电池以及代表发展方向的燃料电池。如果说CPU是笔记本
电脑的大脑,那么笔记本电池无疑就是笔记本电脑的能量源泉——心脏。笔记本电脑的主要特性“可
移动性计算”也就要靠这块小小的电池来提供。笔记本电池经历了几代的发展,无论是其体积、容量
以及类型都已发生了巨大的变化。每次笔记本电脑的飞跃都与笔记本电池有很大的关系,但厂商似乎
忽略了这个方面的宣传,致使用户对笔记本很重要的部分很少关注,也导致用户对笔记本电池的认识
也少之又少。在笔记本电脑中主要是使用可反复充电的镍镉、镍氢、锂电池,但目前当然是以锂电池
为主。其实笔记本电脑用的电池也是非常简单,它包括了电芯、控制电路和外部接口等几部分,有些
厂商的产品还会带有电量指示灯(如昭阳K71的电池),然后再把这些部件一起封装在一个外壳中,做
成不同的形状。
笔记本电池工作原理
目前,市场上销售的笔记本电脑几乎都采用锂离子电池(Li-ion)。镍铬电池(Ni-cd)、镍氢电池
(Ni-MH)因为记忆效应已经被淘汰;燃料电池仍在实验中。所以我们以讨论锂离子电池的使用为主。
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。
虽然锂离子电池很少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。但是,锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降,其原因是复杂而多样的。主要是正负极材
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锂离子数目。过度充电和过度放电,
将对锂离子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。这也是锂离子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,将引发锂离子电池内部其他化学反应生成我们不希望看到的化合物,所以在不少的锂
离子电池正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂。在电池升温到一定的情况下,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。笔记本电脑
用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。我个人认为,在笔记本电脑
的使用说明中的“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。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.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。
电池外观及标识定义
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