原理解構(gòu)

鋰系電池分為鋰離子電池和鋰離子電池。目前手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰離子電池。本文將討論目前手機(jī)等使用的鋰離子電池，而真正的鋰離子電池由于危險(xiǎn)性大，沒(méi)有應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌(習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示)。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為搖椅電池。

鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在10%以下。沒(méi)有記憶效應(yīng)。工作溫度范圍寬為-20℃～60℃。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%，而且輸出功率大。使用壽命長(zhǎng)。沒(méi)有環(huán)境污染，被稱為綠色電池。

充電是電池重復(fù)使用的重要步驟，鋰離子電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)階段：恒流快充階段(指示燈呈紅色或黃色)和恒壓電流遞減階段(指示燈呈綠色)。恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會(huì)過(guò)充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到0，而最終完成充電。電量統(tǒng)計(jì)芯片通過(guò)記錄放電曲線可以抽樣計(jì)算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后，放電曲線會(huì)發(fā)生改變，鋰離子電池雖然不存在記憶效應(yīng)，但是充電不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響電池性能。

鋰離子電池過(guò)度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過(guò)度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過(guò)程中鋰離子無(wú)法插入；過(guò)度充電使過(guò)多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。

充電量等于充電電流乘以充電時(shí)間，在充電控制電壓一定的情況下，充電電流越大(充電速度越快)，充電電量越小。電池充電速度過(guò)快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng)，同樣會(huì)造成電池容量不足，實(shí)際是電池的部分電極活性物質(zhì)沒(méi)有得到充分反應(yīng)就停止充電，這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的新增而加劇。

安全隱患

鋰離子電池的安全性問(wèn)題，不僅與池材料本身性質(zhì)有關(guān)，而且與電池制備技術(shù)和使用有關(guān)。手機(jī)電池頻頻發(fā)生爆炸事件，一方面是由于保護(hù)電路失效，但更重要的是在于材料方面并沒(méi)有根本的解決問(wèn)題。

鈷酸鋰正極活性材料在小電芯方面是很成熟的體系，但是充滿電后，仍舊有大量的鋰離子留在正極，當(dāng)過(guò)充時(shí)，殘留在正極的鋰離子將會(huì)涌向負(fù)極，在負(fù)極上形成枝晶是采用鈷酸鋰材料的電池過(guò)充時(shí)必然的結(jié)果，甚至在正常充放電過(guò)程中，也有可能會(huì)有多余的鋰離子游離到負(fù)極形成枝晶，鈷酸鋰材料的理論比能量是超過(guò)每克270毫安時(shí)的，但為保證其循環(huán)性能，實(shí)際使用容量只有理論容量的一半。在使用過(guò)程中，由于某種原因(如管理系統(tǒng)損壞)而導(dǎo)致電池充電電壓過(guò)高，正極中剩余的一部分鋰就會(huì)脫出，經(jīng)電解液到負(fù)極表面以金屬鋰的形式沉積形成枝晶。枝晶刺穿隔膜，形成內(nèi)部短路。

電解液的重要成分為碳酸酯，閃點(diǎn)很低，沸點(diǎn)也較低，在一定條件下會(huì)燃燒甚至爆炸。如電池出現(xiàn)過(guò)熱，會(huì)導(dǎo)致電解液中的碳酸酯被氧化和還原，出現(xiàn)大量氣體和更多的熱，如缺少安全閥或者氣體來(lái)不及通過(guò)安全閥釋放，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起爆炸。

聚合物電解質(zhì)鋰離子電池并沒(méi)有從根本上解決安全性問(wèn)題，同樣使用鈷酸鋰和有機(jī)電解液，而且電解液為膠狀，不易泄漏，將會(huì)發(fā)生更猛烈的燃燒，燃燒是聚合物電池安全性最大的問(wèn)題。

在使用方面也存在一些問(wèn)題，電池發(fā)生外部短路或內(nèi)部短路將出現(xiàn)幾百安培的過(guò)大電流。外部短路時(shí)電池瞬間大電流放電，在內(nèi)阻上消耗大量能量，出現(xiàn)巨大熱量。內(nèi)部短路形成大電流，溫度上升導(dǎo)致隔膜熔化，短路面積擴(kuò)大，進(jìn)而形成惡性循環(huán)。

鋰離子電池為達(dá)到單只電芯3～4.2V的高工作電壓，必須采取分解電壓大于2V的有機(jī)電解液，而采用有機(jī)電解液在大電流、高溫的條件下會(huì)被電解，電解出現(xiàn)氣體，導(dǎo)致內(nèi)部壓力升高，嚴(yán)重會(huì)沖破殼體。

過(guò)充可能會(huì)析出金屬鋰，在殼體破裂的情況下，與空氣直接接觸，導(dǎo)致燃燒，同時(shí)引燃電解液，發(fā)生強(qiáng)烈火焰，氣體急速膨脹，發(fā)生爆炸。

另外，關(guān)于手機(jī)鋰離子電池，由于使用不當(dāng)，如擠壓、沖擊和進(jìn)水等導(dǎo)致電池膨脹、變形和開(kāi)裂等，這些都會(huì)導(dǎo)致電池短路，在放電或充電過(guò)程放熱引起爆炸。

安全性設(shè)計(jì)

為了防止因使用不當(dāng)造成電池過(guò)放電或者過(guò)充電，在單體鋰離子電池內(nèi)設(shè)有三重保護(hù)機(jī)構(gòu)。一是采用開(kāi)關(guān)元件，當(dāng)電池內(nèi)的溫度上升時(shí)，它的阻值隨之上升，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)自動(dòng)停止供電；二是選擇適當(dāng)?shù)母舭宀牧希?dāng)溫度上升到一定數(shù)值時(shí)，隔板上的微米級(jí)微孔會(huì)自動(dòng)溶解掉，從而使鋰離子不能通過(guò)，電池內(nèi)部反應(yīng)停止；三是設(shè)置安全閥(就是電池頂部的放氣孔)，電池內(nèi)部壓力上升到一定數(shù)值時(shí)，安全閥自動(dòng)打開(kāi)，保證電池的使用安全性。

有時(shí)，電池本身雖然有安全控制措施，但是因?yàn)槟承┰蛟斐煽刂剖ъ`，缺少安全閥或者氣體來(lái)不及通過(guò)安全閥釋放，電池內(nèi)壓便會(huì)急劇上升而引起爆炸。

一般情況下，鋰離子電池儲(chǔ)存的總能量和其安全性是成反比的，隨著電池容量的新增，電池體積也在新增，其散熱性能變差，出事故的可能性將大幅新增。關(guān)于手機(jī)用鋰離子電池，基本要求是發(fā)生

安全事故的概率要小于百萬(wàn)分之一，這也是社會(huì)公眾所能接受的最低標(biāo)準(zhǔn)。而關(guān)于大容量鋰離子電池，特別是汽車等用大容量鋰離子電池，采用強(qiáng)制散熱尤為重要。

選擇更安全的電極材料，選擇錳酸鋰材料，在分子結(jié)構(gòu)方面保證了在滿電狀態(tài)，正極的鋰離子已經(jīng)完全嵌入到負(fù)極炭孔中，從根本上防止了枝晶的出現(xiàn)。同時(shí)錳酸鋰穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)，使其氧化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，分解溫度超過(guò)鈷酸鋰100℃，即使由于外力發(fā)生內(nèi)部短路(針刺)，外部短路，過(guò)充電時(shí)，也完全能夠防止了由于析出金屬鋰引發(fā)燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。

另外，采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。

提高現(xiàn)有安全控制技術(shù)的性能，首先要提高鋰離子電池芯的安全性能，這對(duì)大容量電池尤為重要。選擇熱關(guān)閉性能好的隔膜，隔膜的用途是在隔離電池正負(fù)極的同時(shí)，允許鋰離子的通過(guò)。當(dāng)溫度升高時(shí)，在隔膜熔化前進(jìn)行關(guān)閉，從而使內(nèi)阻上升至2000歐姆，讓內(nèi)部反應(yīng)停止下來(lái)。

當(dāng)內(nèi)部壓力或溫度達(dá)到預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，防爆閥將打開(kāi)，開(kāi)始進(jìn)行卸壓，以防止內(nèi)部氣體積累過(guò)多，發(fā)生形變，最終導(dǎo)致殼體爆裂。

提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數(shù)和采用多個(gè)參數(shù)的聯(lián)合控制(這關(guān)于大容量電池尤為重要)。關(guān)于大容量鋰離子電池組是串/并聯(lián)的多個(gè)電芯組成，如

筆記本電腦的電壓為10V以上，容量較大，一般采用3～4個(gè)單電池串聯(lián)就可以滿足電壓要求，然后再將2～3個(gè)串聯(lián)的電池組并聯(lián)，以保證較大的容量。

大容量電池組本身必須設(shè)置較為完善的保護(hù)功能，還應(yīng)考慮兩種電路基板模塊:保護(hù)電路基板(ProtectionBoardPCB)模塊及SmartBatteryGaugeBoard模塊。整套的電池保護(hù)設(shè)計(jì)包括：第1級(jí)保護(hù)IC(防止電池過(guò)充、過(guò)放、短路)，第2級(jí)保護(hù)IC(防止第2次過(guò)壓)、保險(xiǎn)絲、LED指示、溫度調(diào)節(jié)等部件。