鋰離子電池究竟好在哪里呢？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-28 21:26
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一、鋰離子電池名稱簡介
現(xiàn)已廣泛被大家使用的鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來的。所以在認(rèn)識鋰離子電池之前，我們先來介紹一下鋰電池。
舉例來講，以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的負(fù)極材料是鋰金屬，正極材料是碳材。按照大家習(xí)慣上的命名規(guī)律，我們稱這種電池為鋰電池。
鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰，負(fù)極材料是碳材。電池通過正極產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極碳材中的嵌入與遷出來實現(xiàn)電池的充放電過程，為了區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的鋰電池，所以人們稱之為鋰離子電池。
二、鋰離子電池的廣泛用途
發(fā)展高科技的目的是為了使其更好的服務(wù)于人類。鋰離子電池自1990年問世以來，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于社會。鋰離子電池以其它電池所不可比擬的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了許多領(lǐng)域，象大家熟知的移動電話、筆記本電腦、小型攝像機等等，且越來越多的國家將該電池應(yīng)用于軍事用途。應(yīng)用表明，鋰離子電池是一種理想的小型綠色電源。
三、鋰離子電池的主要構(gòu)成
（1）電池蓋
（2）正 極活性物質(zhì)為氧化鈷鋰
（3）隔 膜一種特殊的復(fù)合膜
（4）負(fù) 極活性物質(zhì)為碳
（5）有機電解液
（6）電池殼
四、鋰離子電池的優(yōu)越性能
我們經(jīng)常說的鋰離子電池的優(yōu)越性是針對于傳統(tǒng)的鎳鎘電池（Ni/Cd）和鎳氫電池（Ni/MH）來講的。那么，鋰離子電池究竟好在哪里呢？
（1）工作電壓高
（2）比能量大
（3）循環(huán)壽命長
（4）自放電率低
（5）無記憶效應(yīng)
（6）無污染
以下是鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池性能的對比：
技術(shù)參數(shù) 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池
工作電壓（V） 1.2 1.2 3.6
重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140
體積比能量(Wh/l) 150 200 300
充放電壽命(次) 500 500 1000
自放電率（%/月） 25-30 30-35 6-9
有無記憶效應(yīng) 有 有 無
有無污染 有 無 無
（注：充電速率均為1C）
五、鋰離子電池的工作原理
大家都已知道，鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰，負(fù)極是碳。
鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
同樣道理，當(dāng)對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。
不難看出，在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極 → 負(fù)極 → 正極的運動狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個可愛的名字搖椅式電池。
六、鋰離子電池的組裝過程
鋰離子電池的工藝技術(shù)非常嚴(yán)格、復(fù)雜，這里只能簡單介紹一下其中的幾個主要工序。
（1）制漿
用專門的溶劑和粘接劑分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)混合，經(jīng)高速攪拌均勻后，制成漿狀的正負(fù)極物質(zhì)。
（2）涂膜
將制成的漿料均勻地涂覆在金屬箔的表面，烘干，分別制成正負(fù)極極片。
（3）裝配
按正極片--隔膜--負(fù)極片--隔膜自上而下的順序放好，經(jīng)卷繞制成電池極芯，再經(jīng)注入電解液、封口等工藝過程，即完成電池的裝配過程，制成成品電池。
（4）化成
用專用的電池充放電設(shè)備對成品電池進行充放電測試，對每一只電池都進行檢測，篩選出合格的成品電池，待出廠。
七、鋰離子電池的安全特性
鋰離子電池已非常廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活中，所以它的安全性能絕對應(yīng)該是鋰離子電池的第一項考核指標(biāo)。對于鋰離子電池安全性能的考核指標(biāo)，國際上規(guī)定了非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，一只合格的鋰離子電池在安全性能上應(yīng)該滿足以下條件。
（1）短路：不起火，不爆炸
（2）過充電：不起火，不爆炸
（3）熱箱試驗：不起火，不爆炸（150℃恒溫10min）
（4）針剌：不爆炸（用Ф3mm釘穿透電池）
（5）平板沖擊：不起火，不爆炸（10kg重物自1M高處砸向電池）
（6）焚燒：不爆炸（煤氣火焰燒烤電池）
八、鋰離子電池安全特性是如何實現(xiàn)的？
為了確保鋰離子電池安全可靠的使用，專家們進行了非常嚴(yán)格、周密的電池安全設(shè)計，以達到電池安全考核指標(biāo)。
（1）隔膜135℃自動關(guān)斷保護
采用國際先進的Celgard2300PE-PP-PE三層復(fù)合膜。在電池升溫達到120℃的情況下，復(fù)合膜兩側(cè)的PE膜孔閉合，電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部升溫減緩，電池升溫達到135℃時，PP膜孔閉合，電池內(nèi)部斷路，電池不再升溫，確保電池安全可靠。
（2）向電液中加入添加劑
在電池過充，電池電壓高于4.2v的條件下，電液添加劑與電液中其他物質(zhì)聚合，電池內(nèi)阻大副增加，電池內(nèi)部形成大面積斷路，電池不再升溫。
（3）電池蓋復(fù)合結(jié)構(gòu)
電池蓋采用刻痕防爆結(jié)構(gòu)，電池升溫時，電池內(nèi)部活化過程中所產(chǎn)生的部分氣體膨脹，電池內(nèi)壓加大，壓力達到一定程度刻痕破裂、放氣。
（4）各種環(huán)境濫用試驗
進行各項濫用試驗，如外部短路、過充、針刺、平板沖擊、焚燒等，考察電池的安全性能。同時對電池進行溫度沖擊試驗和振動、跌落、沖擊等力學(xué)性能試驗，考察電池在實際使用環(huán)境下的性能情況。
九、鋰離子電池是一種新型綠色環(huán)保電池
“愛護環(huán)境，保護地球”是我們每一個人義不容辭的責(zé)任。如何把我們的環(huán)境理念在行動上反應(yīng)出來呢？
作為電池消費者，應(yīng)該購買、使用新型綠色環(huán)保電池；作為電池制造商，應(yīng)該生產(chǎn)新型綠色環(huán)保電池。只有經(jīng)過大家的共同努力，才能創(chuàng)建、保護我們美麗和諧的自然環(huán)境。
新型綠色環(huán)保電池是指近年來已投入使用或正在研制開發(fā)的一類高性能、無污染的電池。目前已經(jīng)大量使用的鋰離子電池、金屬氫化物鎳電池和正在推廣使用的無汞堿性鋅錳電池以及正在研制開發(fā)的鋰或鋰離子塑料電池、燃料電池、電化學(xué)貯能超級電容器都屬于新型綠色環(huán)保電池的范疇。此外，目前已廣泛應(yīng)用的利用太陽能進行光電轉(zhuǎn)換的太陽電池（又稱光伏發(fā)電），也屬于這一范疇。
現(xiàn)已廣泛被大家使用的鋰離子電池是由鋰電池發(fā)展而來的。所以在認(rèn)識鋰離子電池之前，我們先來介紹一下鋰電池。
舉例來講，以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的負(fù)極材料是鋰金屬，正極材料是碳材。按照大家習(xí)慣上的命名規(guī)律，我們稱這種電池為鋰電池。
鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰，負(fù)極材料是碳材。電池通過正極產(chǎn)生的鋰離子在負(fù)極碳材中的嵌入與遷出來實現(xiàn)電池的充放電過程，為了區(qū)別于傳統(tǒng)意義上的鋰電池，所以人們稱之為鋰離子電池。
二、鋰離子電池的廣泛用途
發(fā)展高科技的目的是為了使其更好的服務(wù)于人類。鋰離子電池自1990年問世以來，因其卓越的性能得到了迅猛的發(fā)展，并廣泛地應(yīng)用于社會。鋰離子電池以其它電池所不可比擬的優(yōu)勢迅速占領(lǐng)了許多領(lǐng)域，象大家熟知的移動電話、筆記本電腦、小型攝像機等等，且越來越多的國家將該電池應(yīng)用于軍事用途。應(yīng)用表明，鋰離子電池是一種理想的小型綠色電源。
三、鋰離子電池的主要構(gòu)成
（1）電池蓋
（2）正 極活性物質(zhì)為氧化鈷鋰
（3）隔 膜一種特殊的復(fù)合膜
（4）負(fù) 極活性物質(zhì)為碳
（5）有機電解液
（6）電池殼
四、鋰離子電池的優(yōu)越性能
我們經(jīng)常說的鋰離子電池的優(yōu)越性是針對于傳統(tǒng)的鎳鎘電池（Ni/Cd）和鎳氫電池（Ni/MH）來講的。那么，鋰離子電池究竟好在哪里呢？
（1）工作電壓高
（2）比能量大
（3）循環(huán)壽命長
（4）自放電率低
（5）無記憶效應(yīng)
（6）無污染
以下是鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池性能的對比：
技術(shù)參數(shù) 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池
工作電壓（V） 1.2 1.2 3.6
重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140
體積比能量(Wh/l) 150 200 300
充放電壽命(次) 500 500 1000
自放電率（%/月） 25-30 30-35 6-9
有無記憶效應(yīng) 有 有 無
有無污染 有 無 無
（注：充電速率均為1C）
五、鋰離子電池的工作原理
大家都已知道，鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰，負(fù)極是碳。
鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當(dāng)對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，到達負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。
同樣道理，當(dāng)對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運動回到正極?；氐秸龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。
不難看出，在鋰離子電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極 → 負(fù)極 → 正極的運動狀態(tài)。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象優(yōu)秀的運動健將，在搖椅的兩端來回奔跑。所以，專家們又給了鋰離子電池一個可愛的名字搖椅式電池。
六、鋰離子電池的組裝過程
鋰離子電池的工藝技術(shù)非常嚴(yán)格、復(fù)雜，這里只能簡單介紹一下其中的幾個主要工序。
（1）制漿
用專門的溶劑和粘接劑分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)混合，經(jīng)高速攪拌均勻后，制成漿狀的正負(fù)極物質(zhì)。
（2）涂膜
將制成的漿料均勻地涂覆在金屬箔的表面，烘干，分別制成正負(fù)極極片。
（3）裝配
按正極片--隔膜--負(fù)極片--隔膜自上而下的順序放好，經(jīng)卷繞制成電池極芯，再經(jīng)注入電解液、封口等工藝過程，即完成電池的裝配過程，制成成品電池。
（4）化成
用專用的電池充放電設(shè)備對成品電池進行充放電測試，對每一只電池都進行檢測，篩選出合格的成品電池，待出廠。
七、鋰離子電池的安全特性
鋰離子電池已非常廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活中，所以它的安全性能絕對應(yīng)該是鋰離子電池的第一項考核指標(biāo)。對于鋰離子電池安全性能的考核指標(biāo)，國際上規(guī)定了非常嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，一只合格的鋰離子電池在安全性能上應(yīng)該滿足以下條件。
（1）短路：不起火，不爆炸
（2）過充電：不起火，不爆炸
（3）熱箱試驗：不起火，不爆炸（150℃恒溫10min）
（4）針剌：不爆炸（用Ф3mm釘穿透電池）
（5）平板沖擊：不起火，不爆炸（10kg重物自1M高處砸向電池）
（6）焚燒：不爆炸（煤氣火焰燒烤電池）
八、鋰離子電池安全特性是如何實現(xiàn)的？
為了確保鋰離子電池安全可靠的使用，專家們進行了非常嚴(yán)格、周密的電池安全設(shè)計，以達到電池安全考核指標(biāo)。
（1）隔膜135℃自動關(guān)斷保護
采用國際先進的Celgard2300PE-PP-PE三層復(fù)合膜。在電池升溫達到120℃的情況下，復(fù)合膜兩側(cè)的PE膜孔閉合，電池內(nèi)阻增大，電池內(nèi)部升溫減緩，電池升溫達到135℃時，PP膜孔閉合，電池內(nèi)部斷路，電池不再升溫，確保電池安全可靠。
（2）向電液中加入添加劑
在電池過充，電池電壓高于4.2v的條件下，電液添加劑與電液中其他物質(zhì)聚合，電池內(nèi)阻大副增加，電池內(nèi)部形成大面積斷路，電池不再升溫。
（3）電池蓋復(fù)合結(jié)構(gòu)
電池蓋采用刻痕防爆結(jié)構(gòu)，電池升溫時，電池內(nèi)部活化過程中所產(chǎn)生的部分氣體膨脹，電池內(nèi)壓加大，壓力達到一定程度刻痕破裂、放氣。
（4）各種環(huán)境濫用試驗
進行各項濫用試驗，如外部短路、過充、針刺、平板沖擊、焚燒等，考察電池的安全性能。同時對電池進行溫度沖擊試驗和振動、跌落、沖擊等力學(xué)性能試驗，考察電池在實際使用環(huán)境下的性能情況。
九、鋰離子電池是一種新型綠色環(huán)保電池
“愛護環(huán)境，保護地球”是我們每一個人義不容辭的責(zé)任。如何把我們的環(huán)境理念在行動上反應(yīng)出來呢？
作為電池消費者，應(yīng)該購買、使用新型綠色環(huán)保電池；作為電池制造商，應(yīng)該生產(chǎn)新型綠色環(huán)保電池。只有經(jīng)過大家的共同努力，才能創(chuàng)建、保護我們美麗和諧的自然環(huán)境。
新型綠色環(huán)保電池是指近年來已投入使用或正在研制開發(fā)的一類高性能、無污染的電池。目前已經(jīng)大量使用的鋰離子電池、金屬氫化物鎳電池和正在推廣使用的無汞堿性鋅錳電池以及正在研制開發(fā)的鋰或鋰離子塑料電池、燃料電池、電化學(xué)貯能超級電容器都屬于新型綠色環(huán)保電池的范疇。此外，目前已廣泛應(yīng)用的利用太陽能進行光電轉(zhuǎn)換的太陽電池（又稱光伏發(fā)電），也屬于這一范疇。
鋰離子技術(shù)比鎳鎘或鉛酸技術(shù)更加環(huán)保。但是，在新興市場中采用鋰離子電池所面臨的挑戰(zhàn)是，相比于鎳鎘或鉛酸技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計師們越來越強調(diào)電池的安全要求。
現(xiàn)有一種鋰離子電池電路保護的新方法，通過替代傳統(tǒng)的高成本、占用空間的保護技術(shù)，從而應(yīng)對這些市場挑戰(zhàn)。該新型混合技術(shù)將一個雙金屬保護器和一個PPTC（聚合物正溫度系數(shù)）器件并聯(lián)在一起。由此產(chǎn)生的雙金屬與PPTC結(jié)合器件（MHP）可幫助提供在高速放電電池包中的可復(fù)位過流保護，同時通過利用PPTC器件的低阻抗來防止雙金屬保護器在更高電流時的電弧放電行為，并通過加熱雙金屬來保持它的開路和閉鎖狀態(tài)。
傳統(tǒng)的方法
許多高能量放電鋰離子應(yīng)用中的傳統(tǒng)電路保護技術(shù)往往比較大型、復(fù)雜或昂貴。一些電路保護設(shè)計方案可能會結(jié)合使用IC和MOSFET，或者采用類似的復(fù)雜解決方案。其他的設(shè)計方案可能考慮在直流電源應(yīng)用中傳統(tǒng)的雙金屬保護器需要30A+的保持電流，但是接觸面積必須足夠大才能應(yīng)對這種高電流，這就導(dǎo)致器件在整體尺寸上更大了。此外，開關(guān)周期次數(shù)必須是有限的，因為接觸面之間產(chǎn)生的電弧可能會造成接觸面損傷。
相比之下，泰科電子推出新型MHP混合器件能夠取代或幫助減少在一些復(fù)雜IC/FET電池保護設(shè)計中使用的放電場效應(yīng)管和附隨的散熱器的數(shù)量。MHP器件為高速放電鋰離子電池包應(yīng)用提供了節(jié)省空間、成本降低和保護增強的優(yōu)勢。首款器件MHP30-36的最大額定值為36VDC/100A，保持電流為30A。MHP器件技術(shù)可被配置到各種不同的應(yīng)用中，而且現(xiàn)在正在開發(fā)具有更高電壓（高達400VDC）和保持電流（60A）的器件。
工作原理
在正常狀態(tài)下，由于雙金屬片的電阻低，電流通過雙金屬片流過。在異常情況下，比如電動工具轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)時，電路中將產(chǎn)生很高的電流，導(dǎo)致雙金屬觸點打開，其接觸電阻增加。此時電流將通過低電阻的PPTC流過。流過PPTC的電流，不僅抑制了觸點之間電弧的產(chǎn)生，同時又加熱雙金屬片，使其保持在打開狀態(tài)和鎖定位置。
MHP器件的激活步驟包括：
1.在正常狀態(tài)下，由于雙金屬片的電阻低，大部分電流通過雙金屬片流過。
2.當(dāng)觸點打開時，接觸電阻迅速增加。如果接觸電阻比PPTC器件的電阻高，大部分電流就會通過PPTC器件流過，沒有電流或很少的電流流經(jīng)觸點，因此抑制了觸點之間電弧的產(chǎn)生。當(dāng)電流分流到PPTC器件時，它的電阻迅速增加到比接觸電阻還要高，從而PPTC發(fā)熱。
3.觸點打開之后，PPTC器件開始加熱雙金屬，并使其保持打開狀態(tài)直到過流事件結(jié)束或電源關(guān)閉。
PPTC器件的電阻要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陶瓷PTC器件電阻，也就是說即使觸點只打開一小部分，接觸電阻只是略有上升，電流也會被分流至PPTC器件，從而有效防止觸點產(chǎn)生電弧。一般來說，處于室溫條件下，陶瓷PTC器件與聚合物PTC器件的電阻相差約10的兩次方（x10^2）。所以，電阻較高的陶瓷PTC器件與雙金屬并行聯(lián)接時，在抑制高電流電弧放電方面遠(yuǎn)不如聚合物MHP器件有效。
觸點更小，電阻更低
典型的雙金屬保護器上通常只有一個觸點，所以其耐壓能力并不強。對于單觸點設(shè)計，較高的電流所需的觸點尺寸也會很大。為解決該問題，MHP器件采用“雙閉合/雙斷開”觸點設(shè)計，從而大大縮小了裝置尺寸。
該技術(shù)相對于常用雙金屬保護器而言具有以下幾點優(yōu)勢：
1.由于電流路徑極短，所以器件的電阻非常低；
2.只有接觸點才會產(chǎn)生熱量，因此不必使用熱控制就能實現(xiàn)準(zhǔn)確的熱激活。
3.它使MHP器件相對于額定參數(shù)相當(dāng)?shù)钠渌麛嗦费b置而言可以更加緊湊。
相比而言，采用標(biāo)準(zhǔn)的雙金屬觸點，由于觸點僅位于一個位置上，因此它的耐壓能力一般不如MHP器件。
耐沖擊和耐振動能力
MHP器件的一個獨有優(yōu)勢是她能提供更長的使用壽命，能承受較大的振動和沖擊，可用于高電流應(yīng)用的苛刻環(huán)境。
典型的電動工具的電池包在使用時通常會承受較大的振動和沖擊。為達到此類要求，MHP器件的觸點之間需要足夠的接觸壓力。標(biāo)準(zhǔn)的保護裝置通常通過強力彈簧讓移動接觸臂與固定觸點保持接觸。但是，在較大的沖擊或振動條件下，彈簧（即使是強力彈簧）產(chǎn)生的壓力通常達不到保持觸點接觸所需的壓力。
為解決這一問題，MHP器件將設(shè)計重點放在雙金屬盤上，因為沒有熱觸點的雙金屬盤有足夠的強度保持穩(wěn)定。此外，我們還給移動接觸臂增加了一個倒鉤，以增加雙金屬盤提供的接觸壓力。移動接觸臂通過裝置另一側(cè)的插銷固定。在接觸點上增加一個倒鉤可減少移動臂的轉(zhuǎn)動，在兩個觸點上產(chǎn)生更大的向下壓力。首款用于電動電池應(yīng)用的MHP器件經(jīng)過了至少500次、1，500g的掉落測試，未出現(xiàn)故障；此外還通過了三次3，000克的測試。
計劃中的MHP器件產(chǎn)品系列的首款產(chǎn)品MHP30-36-T的最大額定值為36VDC/100A，100A（@25°C）下的動作時間少于5秒。該器件的保持電流是30A，初始電阻低于2毫歐，而典型雙金屬保護器的電阻通常為3到4毫歐。
本文小結(jié)
高能量放電鋰電池市場的快速增長正在對那些能夠處理更高電流和電壓額定值的電池電路保護器件形成新的要求。新型MHP混合器件為電池包設(shè)計師們提供了一種全新的電路保護方法，從而使得這些設(shè)計具有更高的成本效益。與傳統(tǒng)方法相比，該混合器件提供了一種抑制電弧的增強保護，同時也不需要先前IC加MOSFET電池保護設(shè)計中所用的多個大型的放電FET及散熱器件。
通過并行使用PPTC和選擇具有不同電壓額定值的PPTC，MHP設(shè)計可通過配置用于各類應(yīng)用。MHP的器件架構(gòu)可針對各種不同的應(yīng)用進行配置，，目前正在開發(fā)適用于更高電壓（最高可達400VDC）和工作電流（60A）的裝置。
加入第三個端子作為控制信號線的設(shè)計理念正在處于研發(fā)中，這樣MHP器件就能充分利用IC的先進特性來監(jiān)測電池多種多樣的重要的運行情況。如果發(fā)現(xiàn)異常情況，IC就會通過一條低功率開關(guān)線發(fā)出信號，從而激活器件和斷開主電路。這類帶有“智能激活”功能的MHP器件，將會為那些用于太陽能電源系統(tǒng)和備用電源應(yīng)用等的大型鋰離子電池和模組提供更多的電路保護控制。
