鋰電池基礎(chǔ)知識(shí)

目 錄

一、前 言
二、鋰離子電池的分類及性能指標(biāo)
三、鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)
3.1 鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)
3.2 鋰離子電池的缺點(diǎn)
四、鋰離子電池工作原理
4.1 鋰離子電芯工作原理
4.2 保護(hù)電路工作原理
五、鋰離子電池的發(fā)展方向

一、前 言

自 1958 年美國(guó)加州大學(xué)的一名研究生提出了鋰、鈉等活潑金屬做電池負(fù)極的設(shè)想后，人們開(kāi)始了對(duì)鋰電池的研究。當(dāng)鋰電極被碳材料代替時(shí)，即開(kāi)始了鋰離子電池的工業(yè)化革命。鋰離子電池的研究始于 1990 年日本 Nagoura 等人研制成以石油焦為負(fù)極，以鈷酸鋰為正極的鋰離子電池；同年日本 Sony 和加拿大Moli 兩大電池公司宣稱將推出以碳為負(fù)極的鋰離子電池。與其他充電電池相比，鋰離子電池具有電壓高、比能量高、充放電壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、對(duì)環(huán)境污染小、快速充電、自放電率低等優(yōu)點(diǎn)。作為一類重要的化學(xué)電池，鋰離子電池由手機(jī)、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)及便攜式小型電器所用電池和潛艇、航天、航空領(lǐng)域所用電池，逐步走向電動(dòng)汽車領(lǐng)域。在全球能源與環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻的情況下，交通工具紛紛改用儲(chǔ)能電池為主要?jiǎng)恿υ?，鋰離子電池被認(rèn)為是高容量、大功率電池的理想之選。

二、鋰離子電池的分類及性能指標(biāo)
鋰離子電池可以應(yīng)用到各種領(lǐng)域中，因此，其類型也同樣具有多樣性。按照外形分，目前市場(chǎng)上的鋰離子電池主要有三種類型，即紐扣式、方形和圓柱形，如下圖所示：

圓柱形的型號(hào)用 5 位數(shù)表示，前兩位數(shù)表示直徑，第三、四位數(shù)表示高度。
例如：18650 型電池，表示其直徑為 18mm，高度為 65mm。方形的型號(hào)用 6 位數(shù)表示，前兩位為電池的厚度，中間兩位為電池的寬度，最后兩位為電池的長(zhǎng)度，例如 083448 型，表示厚度為 8mm，寬度為 34mm，長(zhǎng)度為 48mm。

  按照鋰離子電池的電解質(zhì)形態(tài)分，鋰離子電池有液態(tài)鋰離子電池和固態(tài)（或干態(tài)）鋰離子電池兩種。固態(tài)鋰離子電池即通常所說(shuō)的聚合物鋰離子電池，是在液態(tài)鋰離子電池的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的新一代電池，比液態(tài)鋰離子電池具有更好的安全性能，而液態(tài)鋰離子電池即通常所說(shuō)的鋰離子電池。


  電池的外形尺寸、重量是鋰離子電池的一項(xiàng)重要指標(biāo)，直接影響電池的特性。而鋰離子電池的電化學(xué)特性主要包括以下幾個(gè)方面：


  額定電壓：商品化的鋰離子電池額定電壓一般為 3.7V，工作時(shí)電壓范圍一般為 4.2V～3.0V，也有下限終止電壓設(shè)定為其他值的，如 3.1V。
   額定容量：是指按照 0.2C 恒流放電至終止電壓時(shí)所獲得的容量。
   1C 容量：是指按照 1C 恒流放電至終止電壓所獲得的容量。1C 容量一般較額定容量小，其差值越小表明電池的電流特性越好，負(fù)載能力越強(qiáng)。
   高低溫性能：鋰離子電池高溫可達(dá)+55℃，低溫可達(dá)-20℃。在此環(huán)境溫度區(qū)間下，電池容量可達(dá)額定容量的 70%以上。
   荷電保持能力：電池在充滿電后開(kāi)路擱置 28 天，然后按照 0.2C 放電所獲得的容量與額定容量比的百分?jǐn)?shù)。數(shù)值越大，表明其荷電保持能力越強(qiáng)，自放電率越小。一般鋰離子電池的荷電保持能力在 85%以上。
  循環(huán)壽命：隨著鋰離子電池充電、放電，電池容量降低到額定容量的 70%時(shí)，所獲得的充放電次數(shù)稱為循環(huán)壽命。

三、鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)：
①容量大、工作電壓高。容量為同等鎳鎘蓄電池的兩倍，更能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的通訊聯(lián)絡(luò)；而通常的單體鋰離子電池的電壓為 3.7V，是鎳鎘和鎳氫電池的 3 倍。
②荷電保持能力強(qiáng)，允許的工作溫度范圍寬。在（20±5）℃下，以開(kāi)路形

式貯存 28 天后，電池的常溫放電容量大于額定容量的 85%。鋰離子電池具有優(yōu)良的高低溫放電性能，可以在-20℃～+55℃工作，高溫放電性能優(yōu)于其他各類電
池。
③循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。目前國(guó)產(chǎn)電池在連續(xù)放電 300 次后，電池的容量依然不低于額定容量的 80%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他各類電池，具有長(zhǎng)期使用的經(jīng)濟(jì)性。

④無(wú)環(huán)境污染。電池中不含有鎘、鉛、汞這類有害物質(zhì)，是一種潔凈的“綠

色”化學(xué)能源。
⑤無(wú)記憶效應(yīng)?？呻S時(shí)反復(fù)充、放電使用。
⑥體積小、重量輕、比能量高。通常鋰離子電池的比能量可達(dá)鎳鎘電池的 2倍以上，與同等容量的鎳氫電池相比，體積可減小 30%，重量可降低 50%，有利于便攜式電子設(shè)備小型輕量化 。

3.2 鋰離子電池的缺點(diǎn)：
①鋰離子電池的內(nèi)部阻抗高。因?yàn)殇囯x子電池的電解液為有機(jī)溶劑，其電導(dǎo)率比鎳鎘電池、鎳氫電池的水溶液電解液要低很多，所以，鋰離子電池的內(nèi)部阻抗比鎳鎘、鎳氫電池約大 11 倍。
②工作電壓變化大。電池放電到額定容量的 80%時(shí)，鎳鎘電池的電壓變化很?。s 20%），鋰離子電池的電壓變化較大（約 40%）。對(duì)電池供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)，這是嚴(yán)重的缺點(diǎn)，但是由于鋰離子電池的放電電壓變化較大，也很容易據(jù)此檢測(cè)電池的剩余電量。
③成本高，主要是正極材料 LiCoO2 的原材料價(jià)格高。
④必須有特殊的保護(hù)電路，以防止其過(guò)充。
⑤與普通電池的相容性差，由于工作電壓高，所以一般的普通電池用三節(jié)情況下，才可用一節(jié)鋰離子電池代替。

四、鋰離子電池工作原理

  我們通常所說(shuō)的鋰離子電池是鋰離子電芯和保護(hù)電路的組合體，下面分別講解鋰離子電芯和保護(hù)電路的工作原理：


  4.1 鋰離子電芯工作原理：
  鋰離子電芯是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其正極一般采用插鋰化合

物，如 LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 等，負(fù)極采用鋰-碳層間化合物 LixC6，電解質(zhì)為溶解了鋰鹽（如 LiPF6、LiAsF6、LiClO4 等）的有機(jī)溶劑。溶劑主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和氯碳酸酯（ClMC）等。在充電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電池之間往返脫嵌，被形象地稱為“搖椅電池”（rocking chair batteries，縮寫(xiě)為 RCB）。

  其總的化學(xué)反應(yīng)為：
  LiMxOy+nC Li1-xMxOy+ LixCn


  鋰離子二次電芯實(shí)際上是一種鋰離子濃差電芯，充電時(shí)，Li+從正極脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入到負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)，正極處于貧鋰狀態(tài)，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷從外電路供給到碳負(fù)極，以確保電荷的平衡。放電時(shí)則相反，Li+從負(fù)極脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入到正極材料中，正極處于富鋰狀態(tài)。以鈷酸鋰為正極的鋰離子電芯為例，充電時(shí)，鋰離子從 LiCoO2 晶胞中脫出，其中的離子 Co3+氧化為 Co4+；放電時(shí)，鋰離子則嵌入 LiCoO2 晶胞中，其中的

Co4+變成 Co3+。

  4.2 保護(hù)電路工作原理： 

   由于鋰離子電池的化學(xué)特性，在正常使用過(guò)程中，其內(nèi)部進(jìn)行電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)，但在某些條件下，如對(duì)其過(guò)充電、過(guò)放電和過(guò)電流將會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)，該副反應(yīng)加劇后，會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能與使用壽命，并可能產(chǎn)生大量氣體，使電池內(nèi)部壓力迅速增大后爆炸而導(dǎo)致安全問(wèn)題，因此所有的鋰離子電池都需要一個(gè)保護(hù)電路，用于對(duì)電池的充、放電狀態(tài)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，并在某些條件下關(guān)斷充、放電回路以防止對(duì)電池造成損害。
  下圖為一個(gè)典型的鋰離子電池保護(hù)電路原理圖：

圖片

 如上圖所示，該保護(hù)回路由兩個(gè) MOSFET（V1、V2）和一個(gè)控制 IC（U1）外加一些阻容元件構(gòu)成?？刂?IC 負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流，并控制兩個(gè)MOSFET 的柵極；MOSFET 在電路中起開(kāi)關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷。該電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：





 a.正常狀態(tài)：
 在正常狀態(tài)下，電路中 U1 的“CO”與“DO”腳都輸出高電平，兩個(gè) MOSFET都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電。為了有效利用放電電流或充電電流，MOSFET 采用導(dǎo)通電阻很小的功率管。
 圖中二極管是 V1 和 V2 的寄生二極管，它們的存在使系統(tǒng)在過(guò)放電狀態(tài)下能對(duì)電池充電，在過(guò)充電狀態(tài)下能對(duì)負(fù)載放電。


 b.過(guò)充電保護(hù)：
 鋰離子電池要求的充電方式為恒流/恒壓方式，在充電初期為恒流充電，隨

著充電過(guò)程的不斷進(jìn)行，電池電壓會(huì)上升到 4.2V，之后轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來(lái)越小。
電池在充電過(guò)程中，如果充電器電路失去控制，會(huì)使電池電壓超過(guò) 4.2V 后仍繼續(xù)恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充至超過(guò) 4.3V 時(shí)，電池的化學(xué)副反應(yīng)將加劇，會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。
在帶有保護(hù)電路的電池中，當(dāng)控制 IC 檢測(cè)到電池電壓達(dá)到 4.28V（該值由控制 IC 決定，不同的 IC 有不同的值）時(shí)，其“CO”腳將由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖剑?V2 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，充電器就無(wú)法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過(guò)充電保護(hù)的作用。而此時(shí)由于 V2 自帶的體二極管的存在，電池可以通過(guò)該二極管對(duì)外部負(fù)載進(jìn)行放電。在控制 IC 檢測(cè)到電池電壓超過(guò) 4.28V 至發(fā)出關(guān)斷 V2 信號(hào)之間，還有一段延時(shí)時(shí)間（具體的延遲時(shí)間由控制 IC 決定，不同的 IC 有不同的值），以避免因干擾而造成誤判斷。

c.過(guò)放電保護(hù)：
  電池在對(duì)外部負(fù)載放電過(guò)程中，其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至 2.7V 時(shí)，其容量已被完全放光，此時(shí)如果讓電池繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電，將造成電池的永久性損壞。

  在電池放電過(guò)程中，當(dāng)控制 IC 檢測(cè)到電池電壓低于 3.0V（該值由控制 IC

決定，不同的 IC 有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，?br> V1 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，電池就無(wú)法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過(guò)放電保護(hù)的作用。而此時(shí)由于 V1 自帶的體二極管的存在，充電器可以通過(guò)該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。
由于在過(guò)放電保護(hù)狀態(tài)下電池電壓不能再降低，因此要求保護(hù)電路的消耗電流極小，此時(shí)控制 IC 會(huì)進(jìn)入低功耗狀態(tài)或休眠狀態(tài)，整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)極小（具體的耗電流值由控制 IC 決定，不同的 IC 有不同的值）。
在控制 IC 檢測(cè)到電池電壓低于 3.0V 至發(fā)出關(guān)斷 V1 信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間（具體的延遲時(shí)間由控制 IC 決定，不同的 IC 有不同的值），以避免因干擾而造成誤判斷。

 d.過(guò)流保護(hù)

 由于鋰離子電池的化學(xué)特性，電池生產(chǎn)廠家規(guī)定了其放電電流最大不能超過(guò)1.5C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)電池超過(guò) 1.5C 電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問(wèn)題。
 電池在對(duì)負(fù)載正常放電過(guò)程中，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的 2 個(gè) MOSFET 時(shí)，由于 MOSFET 的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，該電壓值 U=I×RDS×2，RDS 為單個(gè) MOSFET 的導(dǎo)通阻抗，控制 IC 上的“VM”腳對(duì)該電壓值進(jìn)行檢測(cè)，若負(fù)載因某種原因?qū)е庐惓＃够芈冯娏髟龃?，?dāng)回路電流大到使 U＞0.1V（該值由控制 IC 決定，不同的 IC 有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，?V1 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流為零，起到過(guò)電流保護(hù)的作用。
  在控制 IC 檢測(cè)到過(guò)電流發(fā)生至發(fā)出關(guān)斷 V1 信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間（具體的延遲時(shí)間由控制 IC 決定，不同的 IC 有不同的值），以避免因干擾而造成誤判斷。

 由上述控制過(guò)程可知，其過(guò)電流檢測(cè)值大小不僅取決于控制 IC 的控制值，還取決于 MOSFET 的導(dǎo)通阻抗，當(dāng) MOSFET 導(dǎo)通阻抗越大時(shí)，對(duì)同樣的控制 IC，其過(guò)電流保護(hù)值越小。



 e.短路保護(hù)：

 電池在對(duì)負(fù)載放電過(guò)程中，若回路電流大到使 U＞0.9V（該值由控制 IC 決定，不同的 IC 有不同的值）時(shí)，控制 IC 則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷海?V1 由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到短路保護(hù)作用。短路保護(hù)的延時(shí)時(shí)間極短，通常小于 7 微秒。其工作原理與過(guò)電流保護(hù)類似，只是判斷方法不同，保護(hù)延時(shí)時(shí)間也不一樣。

下表是對(duì)以上原理的一個(gè)簡(jiǎn)單總結(jié)：

圖片

五、鋰離子電池的發(fā)展方向

  鋰離子電池作為一種新型能源的典型代表，有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，

但同時(shí)有一些缺點(diǎn)需要改進(jìn)。近年來(lái)，鋰離子電池中正負(fù)極活性材料、功能電解液的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用在國(guó)際上相當(dāng)活躍，并已取得很大的進(jìn)展。總的來(lái)說(shuō)，目前鋰離子電池行業(yè)的發(fā)展呈兩個(gè)趨勢(shì)：一、聚合物鋰離子電池（即新型電解液的研究與應(yīng)用）；二、新型正負(fù)極活性物質(zhì)。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-416081.html

 一、聚合物鋰離子電池： 

 所謂聚合物鋰離子電池，是在正極、負(fù)極和電解質(zhì)這三種主要構(gòu)造中，至少有一種或一種以上采用高分子材料的電池。目前整個(gè)行業(yè)的聚合物鋰離子電池都只是更改了電解質(zhì)，即聚合物鋰離子電池與液態(tài)鋰離子電池的區(qū)別，就是采用了高分子的電解質(zhì)（固態(tài)或凝膠態(tài)）。行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有真正使用固態(tài)電解質(zhì)的聚合物鋰離子電池，日本 Sony 公司（聚合物鋰離子電池行業(yè)排名第一）采用的是凝膠態(tài)的電解質(zhì)。
 聚合物鋰離子電池具有比較多的優(yōu)點(diǎn)：輕、薄、容量大、安全性能好、形狀可任意化，因此，聚合物鋰離子電池的發(fā)展比較迅猛，特別是在大容量電池領(lǐng)域，更加體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì) 。



 二、新型正負(fù)極活性物質(zhì)：
 由于聚合物鋰離子電池的封裝需要占用比較大的尺寸空間，且目前聚合物鋰離子電池的價(jià)格偏高，因此，在小容量電池（≤1500mAh）領(lǐng)域，液態(tài)鋰離子電池仍然占據(jù)著主導(dǎo)地位。
 液態(tài)鋰離子電池的研究方向，重點(diǎn)在于保持體積不變的情況下，如何提高電池的容量。目前整個(gè)行業(yè)都在從新型正負(fù)極活性物質(zhì)方面著手研究。
 在正極活性物質(zhì)鈷酸鋰中添加一定量 NCA（Lithium Nickel Cobalt AluminumOxide，鋰鎳鈷鋁氧化物）的產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)，使用此種活性物質(zhì)的鋰離子比單一使用鈷酸鋰活性物質(zhì)的鋰離子電池，容量能夠提升 3%以上。
 以 NCM（Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide，鋰鎳鈷錳氧化物）作為正極活性物質(zhì)的鋰離子電池，以鈷酸鋰+NCM 作為活性物質(zhì)的鋰離子電池，不久也將開(kāi)始量產(chǎn)。測(cè)試表明，前者與現(xiàn)在的鋰離子電池相比，容量能夠提升 6%以上；而后者的容量則能提升 10%以上。
  另外，負(fù)極活性物質(zhì)的研究也在進(jìn)行之中，以 C+SiO 作為負(fù)極活性物質(zhì)的鋰離子電池也即將投入批量生產(chǎn)，一改鋰離子電池負(fù)極采用單一碳材料的局面。值得一提的是，以 NCM 作為正極活性物質(zhì)、以 C+SiO 作為負(fù)極活性物質(zhì)的鋰離子電池體系，其最低放電電壓能夠做到 2.5V（目前的鋰離子電池放電到 3.0V 之后基本沒(méi)有電量了），這樣就能夠使得待機(jī)時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)（這個(gè)還要配套使用可以低電壓工作的電子元器件，即在 2.5V 的時(shí)候，整個(gè)用電器具例如手機(jī)等的系統(tǒng)還能正常開(kāi)機(jī)使用，目前低電壓工作的電子元器件的研究也是一個(gè)熱門方向，因?yàn)殡妷旱土耍骷墓囊蚕鄬?duì)減小了）。

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