近日，英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志介紹了近些年來鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，稱鋰離子電池將會(huì)越變?cè)酱螅?huì)逐步取代其他形式的大容量電池，將其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到了幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域。從今往后，鋰離子電池的應(yīng)用將不僅僅局限于小型電子設(shè)備了，大型工業(yè)和可再生能源上也將頻繁出現(xiàn)它的身影。

鋰離子電池大型化

幾乎所有可移動(dòng)電子設(shè)備的發(fā)展都或多或少地受益于充電式鋰離子電池。鋰是最輕的金屬，這一特性使得鋰與其他金屬相比，能用相同的重量保存更多電荷，從而大大提高了手機(jī)、手提電腦、照片機(jī)等電子設(shè)備的性能，同時(shí)也讓電動(dòng)汽車、甚至小型電動(dòng)飛機(jī)等大型設(shè)備的研發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。然而，鋰離子電池也存在固有的缺點(diǎn)：有些情況下，它充電時(shí)需要外部電子設(shè)備的監(jiān)控，否則充電過度會(huì)使電器過熱，造成損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)；它放電太快，影響電子設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。

盡管鋰離子電池存在這樣那樣的缺點(diǎn)，但位于加拿大溫哥華的Corvus能源公司仍認(rèn)為，鋰離子電池夠穩(wěn)定、夠耐用，現(xiàn)在已經(jīng)是時(shí)候制造更大型的鋰電池，為拖船、起重機(jī)、帆船等超大型機(jī)器提供動(dòng)力。Corvus公司對(duì)大型鋰電池的興趣特別深厚。就在不久前，公司剛剛贏得了一個(gè)定單，為一家中國火電公司度身打造一個(gè)容量2200千瓦時(shí)、個(gè)頭相當(dāng)于一個(gè)船運(yùn)集裝箱的鋰離子電池，作為火電廠的備用電源。

大型鋰電池的制造

相較普通的消費(fèi)品而言，Corvus生產(chǎn)的大型鋰電池更耐用，但他們的生產(chǎn)原理卻是大同小異。電池雖大，但它的中心部分還是由一塊塊單獨(dú)的鋰電池構(gòu)成的。與普通鋰電池一樣，應(yīng)用于大型鋰電池中的每塊小電池都有兩個(gè)電極，電極被電解質(zhì)（通常為高分子聚合物組成的膠狀物質(zhì)）隔開。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子將從陽極（由金屬鋰制成）通過電解質(zhì)遷移至陰極（一般為碳）。而放電時(shí)則恰巧相反，鋰離子從碳陰極游回鋰陽極，這一過程會(huì)導(dǎo)致與電池相連的外電路產(chǎn)生電流，供電器使用。

大型鋰電池與普通電池相比的最大不同之處在于它鋰陽極生產(chǎn)材料的不同。盡管鋰離子電池的陽極通常是由鋰離子磷酸鹽制成，但Corvus公司卻另辟蹊徑，使用鋰鎳錳鈷（NMC）氧化物來充當(dāng)陽極，原因是后者能提供的能源密度更大，因此也更適用于大型鋰離子電池。公司老板佩利表示，NMC所能提供的電力比磷酸鹽金屬要高出22%，是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。

在單個(gè)鋰離子電池準(zhǔn)備妥當(dāng)之后，Corvus便將把它們組裝起來，生產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)為6.2千瓦時(shí)的模塊，這些模塊能進(jìn)一步組裝成儲(chǔ)電能力達(dá)數(shù)千千瓦時(shí)的超大型鋰離子電池。據(jù)公司介紹，大型鋰離子電池儲(chǔ)電量的理論極限能達(dá)到4萬千瓦時(shí)。舉一個(gè)例子便能知道這一數(shù)字有更客觀的認(rèn)識(shí)：日產(chǎn)旗下的全新零排放純電動(dòng)汽車聆風(fēng)（Leaf）使用的鋰電池容量也僅為24千瓦時(shí)。如此大的鋰電池足夠一輛汽車全馬力地跑上好一陣子了，而如果將它用到手提電腦上，估計(jì)永遠(yuǎn)都不用充電。此外，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊都會(huì)配有獨(dú)有的電子管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)其充、放電率的最優(yōu)化。這樣生產(chǎn)出來的模塊可以在30分鐘之內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全充電，而其實(shí)最快的放電速度則僅為6分鐘。

大型鋰電池的優(yōu)越性

當(dāng)然，生產(chǎn)如此性能的鋰電池造價(jià)肯定不菲。每個(gè)Corvus公司生產(chǎn)的6.2千瓦時(shí)標(biāo)準(zhǔn)NMC模塊的售價(jià)為9300美元。同規(guī)模的鋰離子磷酸鹽系統(tǒng)的價(jià)格則要低不少，僅為7500美元。但佩利表示，NMC模塊的優(yōu)越性能能夠很好地彌補(bǔ)差價(jià)帶來的損失。此外，NMC系統(tǒng)還能夠在惡劣的環(huán)境下使用，其滿功率的使用壽命更是長達(dá)20年。即使使用20年后，大型鋰電池功率開始慢慢減少，不宜再用于大型機(jī)械之上，NMC系統(tǒng)的余生也能夠充分發(fā)揮余熱。例如，可以把它用作風(fēng)能、太陽能等可再生能源電力的存儲(chǔ)器。

另外，鋰電池本身的優(yōu)勢(shì)也值得一提。很多情況下，在工業(yè)設(shè)備中使用電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)要比使用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)效率更高。但這并不意味著兩套系統(tǒng)必須勢(shì)不兩立，二者的結(jié)合或許會(huì)帶來更高效的系統(tǒng)。《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》以海上常見的拖船為例，稱拖船的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在高達(dá)60%的啟動(dòng)狀態(tài)下拖船都是靜止不動(dòng)，或者說根本沒有工作的。這時(shí)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)保持啟動(dòng)狀態(tài)完全是為了給船上其他照明、取暖等系統(tǒng)提供動(dòng)力，因此可以說拖船上柴油機(jī)60%的燃料幾乎是被白白浪費(fèi)；只有10%柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間里，拖船是在全力運(yùn)作，燃料得到充分利用；剩下30%的柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，燃料也有或多或少的浪費(fèi)。如果將拖船的引擎系統(tǒng)中加入鋰電池系統(tǒng)，將會(huì)把它改造成“混合動(dòng)力拖船”，在大大減少燃料使用量的同時(shí)，也減少了二氧化碳排放量，可謂一舉兩得。在拖船在用電高峰時(shí)，鋰電池系統(tǒng)可以助其一臂之力。而在拖船閑置時(shí)，則可以將柴油發(fā)動(dòng)機(jī)完全關(guān)閉，利用電池理為其他設(shè)備供電。這一原理跟混合動(dòng)力汽車一樣。只不過在超大型鋰離子電池生產(chǎn)出來之前，這樣的設(shè)想只是理論上的，但在鋰離子電池大型化趨勢(shì)越來越主流之后，“超大型混合動(dòng)力設(shè)備”也必將更多地進(jìn)入人們的視野。

正當(dāng)鉛酸蓄電池行業(yè)在經(jīng)歷著一場(chǎng)前所未有的大整頓之時(shí)，被看作“未來能源”的鋰電池板塊卻浮現(xiàn)出新機(jī)遇。

在一些人士看來，由于鋰電池的環(huán)保特性，當(dāng)前鉛酸蓄電池行業(yè)整頓將重新打開鋰電池的想象空間。盡管在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)，鉛酸蓄電池仍將與鋰電池齊頭并進(jìn)，但前者的行業(yè)整頓和洗牌必然會(huì)在短時(shí)間內(nèi)給相關(guān)企業(yè)帶來影響，并引發(fā)電池行業(yè)的新一輪結(jié)構(gòu)性調(diào)整。在此期間，更為環(huán)保的鋰電池存在一定替代機(jī)遇。

另一方面，鋰電池還面臨來自日本地震后的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移機(jī)遇。據(jù)悉，日本的鋰電池產(chǎn)業(yè)一直處于世界前列，全球市場(chǎng)占有率超過50%，但地震嚴(yán)重影響了該國電池產(chǎn)業(yè)鏈的運(yùn)轉(zhuǎn)。行業(yè)人士預(yù)計(jì)，由于日本地震的關(guān)系，在鋰電池中下游或?qū)⒊霈F(xiàn)全年約4%—7%的產(chǎn)能供給缺口，這部分缺口有望在中國和韓國一些產(chǎn)能充足的廠家得到補(bǔ)充。

日本媒體此前報(bào)道，松下已決定把更多鋰電池生產(chǎn)從日本轉(zhuǎn)移至中國。在2012年前，該公司將投資200—300億日元，用于在中國建設(shè)一座新廠和升級(jí)設(shè)施。按該計(jì)劃，到2015年時(shí)，松下在中國生產(chǎn)的電池量占比將提升到50%。目前，該公司80%—90%的鋰電池仍在日本生產(chǎn)，其余在中國。

作為電池的重要材料之一，全球鋁箔產(chǎn)能在日本地震后也出現(xiàn)較大缺口。近期，日本兩大鋁箔企業(yè)先后到中國尋求合作伙伴，這成為當(dāng)前日本電池產(chǎn)業(yè)鏈向中國加速轉(zhuǎn)移的又一個(gè)信號(hào)。

記者從中國電子學(xué)會(huì)獲悉，該學(xué)會(huì)主辦的“第三屆中國（上海）國際電池產(chǎn)品及技術(shù)展覽會(huì)”將于今年9月在上海舉行。目前看來，今年報(bào)名參展的鋰電池企業(yè)比去年多了一倍，和往年鉛酸蓄電池企業(yè)占主導(dǎo)相比，鋰電池企業(yè)已成為今年參展的主力軍，這進(jìn)一步驗(yàn)證了電池行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的趨勢(shì)。

據(jù)悉，該展會(huì)同期還將召開“2011中國電池技術(shù)創(chuàng)新（上海）論壇”，屆時(shí)將就當(dāng)前電池行業(yè)的變局和機(jī)遇展開討論。

鋰電池必須考慮充電、放電時(shí)的安全性,以防止特性劣化。但鋰離子電池能量密度高,難以確保電池的安全性,在過度充電狀態(tài)下,電池溫度上升后能量將過剩,于是電解液分解而產(chǎn)生氣體,容易使內(nèi)壓上升而產(chǎn)生自燃或破裂的危險(xiǎn);反之,在過度放電狀態(tài)下,電解液因分解導(dǎo)致電池特性及耐久性劣化,降低可充電次數(shù)。因此鋰電池的過充、過度放電、過電流及短路保護(hù)很重要,所以通常都會(huì)在電池包內(nèi)設(shè)計(jì)保護(hù)線路,用以保護(hù)鋰電池。 
　　1 電路設(shè)計(jì)
　　1.1 電路概述
　　鋰離子電池保護(hù)電路包括過度充電保護(hù)、過電流/ 短路保護(hù)和過放電保護(hù)等,該電路就是要確保這樣的過度充電及放電狀態(tài)時(shí)的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保護(hù)電路IC、貼片電阻、貼片電容、場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET) 、有的還有熱敏電阻(NTC) 、識(shí)別電阻( ID) 、保險(xiǎn)絲( FUSE) 等構(gòu)成。其電路圖如圖1所示。
　

　　其中集成保護(hù)電路IC 用來檢測(cè)保護(hù)電路當(dāng)前的電壓、電流、時(shí)間等參數(shù)以此來控制場(chǎng)效應(yīng)管的開關(guān)狀態(tài);場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET) 則根據(jù)保護(hù)IC 來控制回路中是否有需開或關(guān); 貼片電阻用作限流; 貼片電容作用為濾波、調(diào)節(jié)延遲時(shí)間;熱敏電阻用來檢測(cè)電池塊內(nèi)的環(huán)境溫度; 保險(xiǎn)絲防止流過電池的電流過大,切斷電流回路。
　　1.2 電路原理及參數(shù)確定
　　1.2.1 過度充電保護(hù)
　　當(dāng)充電器對(duì)鋰電池過度充電時(shí),鋰電池會(huì)因溫度上升而導(dǎo)致內(nèi)壓上升,需終止當(dāng)前充電的狀態(tài)。此時(shí),集成保護(hù)電路IC 需檢測(cè)電池電壓,當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V 時(shí)(假設(shè)電池過充電壓臨界點(diǎn)為4.25 V) 即激活過度充電保護(hù),將功率MOS 由開轉(zhuǎn)為切斷,進(jìn)而截止充電。另外,為防止由于噪音所產(chǎn)生的過度充電而誤判為過充保護(hù),因此需要設(shè)定延遲時(shí)間,并且延遲時(shí)間不能短于噪音的持續(xù)時(shí)間以免誤判。過充電保護(hù)延時(shí)時(shí)間tvdet1計(jì)算公式為:
　　t vdet1 = { C3 ×( Vdd - 0. 7) }/ (0. 48 ×10 - 6 ) (1)
　　式中: Vdd為保護(hù)N1 的過充電檢測(cè)電壓值。
　　簡(jiǎn)便計(jì)算延時(shí)時(shí)間: t = C3/ 0. 01 ×77 (ms) (2)
　　如若C3 容值為0.22 F ,則延時(shí)值為:0. 22 /0. 01 ×77 = 1694 (ms)
　　1.2.2 過度放電保護(hù)
　　在過度放電的情況下,電解液因分解而導(dǎo)致電池特性劣化,并造成充電次數(shù)的降低。過度放電保護(hù)IC 原理:為了防止鋰電池的過度放電狀態(tài),假設(shè)鋰電池接上負(fù)載,當(dāng)鋰電池電壓低于其過度放電電壓檢測(cè)點(diǎn)(假定為2.3 V) 時(shí)將激活過度放電保護(hù),使功率MOS FET 由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?以避免電池過度放電現(xiàn)象產(chǎn)生,并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式,此時(shí)的電流僅0.1μA 。當(dāng)鋰電池接上充電器,且此時(shí)鋰電池電壓高于過度放電電壓時(shí),過度放電保護(hù)功能方可解除。另外,考慮到脈沖放電的情況,過放電檢測(cè)電路設(shè)有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。
　　1.2.3 過電流及短路電流保護(hù)
　　因?yàn)椴幻髟?放電時(shí)或正負(fù)極遭金屬物誤觸) 造成過電流或短路,為確保安全,必須使其立即停止放電。過電流保護(hù)IC 原理為,當(dāng)放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時(shí),保護(hù)IC 將激活過(短路) 電流保護(hù),此時(shí)過電流的檢測(cè)是將功率MOSFET 的Rds (on) 當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測(cè)其電壓的下降情形,如果比所定的過電流檢測(cè)電壓還高則停止放電,運(yùn)算公式為:
　　V_ = I ×Rds ( on) ×2 ( V_為過電流檢測(cè)電壓, I 為放電電流) (3)假設(shè)V_ = 0. 2V , Rds (on) = 25 mΩ,則保護(hù)電流的大小為I = 4 A 。
　　同樣,過電流檢測(cè)也必須設(shè)有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。通常在過電流產(chǎn)生后,若能去除過電流因素(例如馬上與負(fù)載脫離) ,將會(huì)恢復(fù)其正常狀態(tài),可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)作。
　　2 結(jié)束語
　　在進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)時(shí)使電池充電到飽滿的狀態(tài)是使用者很關(guān)心的問題,同時(shí)兼顧到安全性問題,因此需要在達(dá)到容許電壓時(shí)截止充電狀態(tài)。要同時(shí)符合這兩個(gè)條件,必須有高精密度的檢測(cè)器,目前檢測(cè)器的精密度為25 mV 。另外還必須考慮到集成保護(hù)電路IC 功耗、耐高電壓?jiǎn)栴}。此外為了使功率MOSFET的Rds ( on) 在充電電流與放電電流時(shí)有效應(yīng)用, 需使該阻抗值盡量低, 目前該阻抗約為20～30 mΩ,這樣過電流檢測(cè)電壓就可較低。