基本介紹
- 中文名：過充電
- 外文名：Over charge
- 釋義：電池在達到滿電狀態後，繼續充電
- 影響：電池內壓升高、電池變形等
- 屬於：電池
- 學科：電工
概述,安全性問題,機理,過充試驗,
概述
過充電實際上就是正常充電的延續，充入的電量較多，目的在補償正常充電的不足。因充電不足或其他原因，部分極板上的硫酸鉛沒有完全還原為有效物質，因此必須徹底清除，以免日久積累變為不易還原的硫酸鉛。
經常擔負工作的電池，每月至少要進行一次過充電；負載較輕的可在每二至三月進行一次。
過充電的方法一般有下列兩種：
（1）充電已屆終期，改用正常充電率的一半電流繼續充電。在電壓和電液此重均達最大值時，繼續每隔牛小時觀察電池的電壓和比重一次，共進行四次。如多次均無變化，至極板冒氣劇烈時為止；
（2）充電至終期後，停止充電一小時，再改用為正常充電率的一半電流予以充電，至冒氣後停一小時，如此重複二至三次，至電壓及此重均無變化而再進行充電到劇烈冒氣時為止。
除了上述定期的過充電外，凡有下列情況的電池必須進行過充電。
1．放電電壓至規定終了電壓以下；
2．放電後經過相當時間，尚未進行充電；
3．在不正常大電流放電後，或多次未曾完全充電；
4．極板呈現不良狀態或電解液中有雜質混入；
5．經過長時間沒有使用的；
6．在小電流長時圈的深放電後（即超過額定的容量放電）；
7．半浮充方式供電超過規定期限。
安全性問題
機理
鋰離子電池被誤用或濫用時，可能會導致過充。過充時由於電池內部產生大量氣體，存在爆炸的隱患，這方面對小型電池的研究較多；而鋰離子動力電池充放電電流大，不易散熱，過充時更易造成安全性問題，這方面的研究較少。過充電對電池的安全性影響較大，因此電池本身的高耐過充能力是鋰離子動力電池商品化的必要條件。
鋰離子電池在過充條件下的安全性是一大問題。鋰離子電池過充時，電池電壓隨極化增大而迅速上升，會引起正極活性物質結構的不可逆變化及電解液的分解，產生大量氣體，放出大量的熱，使電池溫度和內壓急劇增加，存在爆炸、燃燒等隱患。為防止過充，通常採用專用的充電電路，或者安裝安全閥，以提供更大程度的過充保護；也可採用正溫係數電阻器（PTC），正溫度係數電阻器可使電池過充而升溫時增大電池的內阻，限制過充電流。也可採用專用的隔膜，電池發生異常使隔膜溫度過高時，隔膜孔隙收縮閉塞，阻止鋰離子的遷移，防止過充。
上述方法都有一定的效果，但增加了電池的成本與複雜性，通過電池電壓的監測來確定電池的過充電狀態，往往不準確，且不能徹底解決過充造成的安全問題。通過添加劑實現電池過充的內部保護，對簡化電池製造工藝、降低生產成本有重要意義。目前採用的添加劑保護方法，主要有氧化還原保護和電聚合保護兩種。其中，氧化還原內部保護的原理是在電解液中添加形成氧化還原對的添加劑，如二茂鐵及其衍生物、Fe、Ru、Ir和Ce的菲咯啉和聯吡啶絡合物及其衍生物、噻葸等。這些添加劑在電池正常充電時不參與氧化還原反應，當充電電壓超過一定值時，添加劑開始在正極上氧化，氧化產物擴散到負極被還原，還原產物再擴散到正極被氧化，整個過程循環進行，直到電池的過充電結束。電聚合保護是在電池內部添加某種聚合物單體分子，如聯苯、呋喃、環己苯及其衍生物等芳香族化合物。當電池充電到一定電勢時，發生電聚合反應，由於陰極表面生成的導電聚合物膜造成了電池內部微短路，可使電池自放電至安全狀態。電聚合產物可使電池的內阻升高，內壓增大，增強了與其聯用的保護裝置的靈敏度，若將此方法與PTC等安全裝置聯用，可將鋰離子電池中的安全隱患降低。
鋰離子電池的充電如果採用專用充電器，充電電壓一般會限制在4.2V以內，電池不會發生任何安全問題。但是，如果不是採用專用充電器，或充電器失效造成電池嚴重過充電，將有可能造成電池起火、爆炸。電池的充電控制非常重要，否則，存在嚴重的安全問題。
過充試驗
對於鋰離子電池在熱衝擊、過充、過放和短路等濫用狀態下發生的爆炸現象，電池的過充實驗是檢測電池安全性能好壞的一個重要手段，目的是考察當充電器和電流控制迴路同時失靈時電池的安全性。如果電池通過該項測試，說明電池中的化學設計（含電解液的設計、材料的選擇、正負極的容量比率等）以及結構設計是合理的。
正負極活性物質的比例對安全性的有較大影響，負極活性物質量固定，改變正極活性物質量，C/1.5的電流充電，實驗結果電池全部爆炸，且爆炸點隨著比例增加上升。這表明電池的爆炸點與電池正極活性物質的總量有關。為了驗證這一點進行了對比試驗：充電條件不變，不同的是正極活性物質總量一定，改變的是負極活性物質的總量。發現幾種電池幾乎同時爆炸，試驗說明過充試驗的爆炸點依賴於正極活性物質的總量，而與負極材料活性物質的總量無關。
不同倍率充電對電池過充電的安全性能也有影響。對電池以不同的倍率進行過充實驗時發現，低倍率（<C/5）完成過充實驗，不會有熱耗散；高於1C倍率完成電池過充實驗有熱耗散。以1C和1.5C的電流充電使電池充至IOV時，電池鼓脹但安全氣孔沒有打開也沒有冒煙；以≥2C倍率充電時，電池起火爆炸。他們認為電解質氧化反應產生的熱效應與電流的平方成正比，所以高倍率充電產生的熱量高，電池容易發生爆炸。Saito等研究了5種不同品牌的18650型電池的過充特性。他們發現過充實驗中的放熱量和充電電流幾乎成一定的正比。以0.2C的電流對電池充電，正極材料為
的電池充電深度達到160%～180%時，電池內部熱量急劇增加；而正極材料為尖晶石
的電池在充電深度達到110%就生成大量熱量。如果在此基礎上繼續過充，輸入電池的能量全部轉變成熱量。他們還以矩形波電流給電池進行過充實驗，發現當電流關閉，電池熱量就不再產生。有學者等認為在電壓高於4.6V時，電解液和正極材料反應生成溶劑的氧化產物，這個氧化反應是大量熱耗散產生的原因。
對電池在高壓下充電時內部發生的放熱反應有如下解釋：在大約4.5V時，比在普通充電條件下有更多鋰離子嵌入負極，如果碳負極的嵌鋰能力差，金屬鋰可能沉積在碳表面，則可引起劇烈的反應：電解質的氧化電位比鋰離子完全從正極脫出的電位大約高0.2V，鋰離子從正極脫出後，電解質開始氧化，此氧化反應將產生明顯的熱效應。
採用600mA·h的普通柱形電池進行過充試驗，電池充至10V。以1C、1.5C電流充電時，電池膨脹但安全氣孔沒有打開也沒有冒煙；以大於2C電流充電時，電池起火併爆炸。他們認為電解質氧化反應產生的熱效應與電流的平方成正比，所以高倍率充電產生的熱量也高，導致電池爆炸。不同倍率充電對電池鼓脹程度、電池溫度、電池內阻等影響不同。有人認為以低倍率充電，電池外形有點膨脹但沒有爆炸，且外殼溫度升幅較小，當充至100%時，
值較小。而高倍率充電則反之，且電池爆炸。在試驗中，發現每個爆炸的電池在爆炸之前顯示的溫度都高於鋰金屬的熔點，由此推測，鋰金屬的熔融及由此產生的放熱反應是電池爆炸的主要原因。也有人認為電池內部發生如下反應：在大約4.5V時，比在普通充電條件下更多鋰離子嵌入負極，如果碳負極的嵌鋰能力差，金屬鋰可能沉積在碳表面，則可引起劇烈的反應；電解質的氧化電位比鋰離子完全從正極脫出的電位大約高0.2V，鋰離子從正極脫出後，電解質開始氧化，產生明顯的熱效應；同時熱量與電流的平方、電阻成正比，所以高倍率充電產生的熱量也高。不管哪種說法都說明以高倍率充電對過充的影響較大，這就要求鋰離子電池大型化時要加倍注意過充問題。
