隨著鋰離子電動(dòng)車在北京、上海、蘇州、杭州等國內(nèi)大中城市的熱銷，越來越多的電動(dòng)車廠商開始上馬鋰電池項(xiàng)目,然而，選擇什么樣的鋰電池成為他們面臨的首要問題。雖然鋰電池的保護(hù)電路已經(jīng)比較成熟，但對(duì)動(dòng)力電池而言，要真正保證安全，正極材料的選擇十分關(guān)鍵。目前，在鋰離子電池中使用量最多的正極材料有以下幾種：鈷酸鋰（LiCoO2），錳酸鋰（LiMn2O4），鎳鈷錳酸鋰（LiCoxNiyMnzO2）以及磷酸鐵鋰（LiFePO4）。究竟選擇哪種正極材料的鋰電池？下文會(huì)做詳細(xì)地分析。

測(cè)試鋰離子電池的安全問題，過充（指充電電壓超過其充電截止電壓，對(duì)鋰離子電池來說，一般可以將10V/節(jié)定為過充電壓）是一個(gè)很好的方法。談到過充，我們應(yīng)該首先了解一下鋰離子電池的充電原理（如圖1所示）。鋰離子電池的充電過程是Li 從正極跑出來，通過電解液游到負(fù)極并得到電子，嵌入到負(fù)極材料中，而放電的過程則相反。
衡量正極材料安全性主要考驗(yàn)：
A：容不容易在充電時(shí)形成枝晶。
鋰離子電池的充電過程就是Li 從正極跑出來，通過電解液游到負(fù)極被還原并嵌入到負(fù)極材料中；放電的過程則相反，負(fù)極材料中的鋰被氧化，通過電解液，嵌入正極材料。
基于循環(huán)性地考慮，鈷酸鋰（LiCoO2 ）材料的實(shí)際使用容量只有其理論容量的二分之一，即使用鈷酸鋰作為正極材料的鋰離子電池在正常充電結(jié)束后（即充電至截止電壓4.2 V左右），LiCoO2正極材料中的Li 將還有剩余?？捎靡韵碌暮?jiǎn)式表示：LiCoO2→0.5Li Li0.5CoO2 （正常充電結(jié)束）。此時(shí)如果充電電壓繼續(xù)升高，那么LiCoO2正極材料中的剩余的Li 將會(huì)繼續(xù)脫嵌，游向負(fù)極，而此時(shí)負(fù)極材料中能容納Li 的位置已被填滿，Li 只能以金屬的形式在其表面析出。一方面，金屬鋰的表面沉積非常容易聚結(jié)成枝杈狀鋰枝晶，從而刺穿隔膜，造成正負(fù)極直接短路；另外，金屬鋰非?；顫?，會(huì)直接和電解液反應(yīng)放熱；同時(shí)，金屬鋰的熔斷相當(dāng)?shù)?，即使表面金屬鋰枝晶沒有刺穿隔膜，只要溫度稍高，比如由于放電引起的電池升溫，金屬鋰將會(huì)熔解，從而將正負(fù)極短路，造成安全事故?？傊?，鈷酸鋰材料在充電電壓過高的時(shí)候，比如說保護(hù)板失效的情況下，存在極大的安全隱患，而動(dòng)力鋰離子電池的容量高，造成的破壞性將非常大。
鎳鈷錳酸鋰（LiCoxNiyMnzO2）和鈷酸鋰一樣，為保證其循環(huán)性，實(shí)際的使用容量也遠(yuǎn)低于其理論容量，在充電電壓過高的情況下，存在內(nèi)部短路的安全隱患。
與之不同的是，錳酸鋰（LiMn2O4 ）電池在正常充電結(jié)束后，所有的Li 都已經(jīng)從正極嵌入了負(fù)極。反應(yīng)式可寫作：LiMn2O4→Li 2MnO2 。此時(shí)，即使電池進(jìn)入了過充狀態(tài)，正極材料已沒有Li 可以脫嵌，因此完全避免了金屬鋰的析出進(jìn)而減少了電池內(nèi)部短路的隱患，增強(qiáng)了安全性。

B：氧化-還原溫度。
氧化溫度是指材料發(fā)生氧化還原放熱反應(yīng)的溫度，是衡量材料氧化能力的重要指標(biāo)，溫度越高表明其氧化能力越弱。下表列出了主要的四種正極材料的氧化放熱溫度：
從表中可以看出，鈷酸鋰（包括鎳鈷錳酸鋰）很活潑，具有很強(qiáng)的氧化性。由于鋰離子電池的電壓高，因此使用的是非水的有機(jī)電解質(zhì)，這些有機(jī)電解質(zhì)具有還原性，會(huì)和正極材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)并釋放熱量，正極材料的氧化能力越強(qiáng)，其發(fā)生反應(yīng)就越劇烈，越容易引起安全事故。而錳酸鋰和磷酸鐵鋰具有較高的氧化還原放熱穩(wěn)定，其氧化性弱，或者說熱穩(wěn)定要遠(yuǎn)優(yōu)于鈷酸鋰和鎳鈷酸鋰，具有更好的安全性。
由上述綜合表現(xiàn)可知：鈷酸鋰（LiCoO2）是極不適合用在動(dòng)力型鋰離子電池領(lǐng)域的；錳酸鋰（LiMn2O4）和磷酸鐵鋰（LiFePO4）為正極材料的鋰電池的安全性是國內(nèi)外公認(rèn)的。
蘇州星恒電源有限公司使用經(jīng)過表面納米包覆處理的錳酸鋰作為正極材料，表面改性后的錳酸鋰的氧化性降低，從而能進(jìn)一步提高安全性。
磷酸鐵鋰不是主流的正極材料動(dòng)力型鋰離子電池要求能夠高倍率充放電，即大電流、短時(shí)間放出電能；動(dòng)力鋰離子電池的另一個(gè)要求是低溫性能。從材料本身看來，磷酸鐵鋰目前還不能兼顧大電流放電、低溫性能和輕便小巧的要求。
1. 從材料特性上看1)磷酸鐵鋰的能量密度比較低，導(dǎo)致生產(chǎn)出來的電池體積較大，重量較沉；2)磷酸鐵鋰材料的電子電導(dǎo)低，必須加入碳黑或進(jìn)行改性才能夠提高電導(dǎo)率，但這樣又會(huì)導(dǎo)致體積變大，增加電解液；3)磷酸鐵鋰材料在低溫情況下電子電導(dǎo)更低，其低溫性能是其應(yīng)用于動(dòng)力電池的另一障礙。
目前，美國Valence科技、A123公司和加拿大Phostech公司等國際級(jí)大公司能夠提供磷酸鐵鋰的樣品和電池，但這些樣品與目前成熟的錳酸鋰相比，電壓、密度、大電流和低溫性能都相差較多。有一數(shù)據(jù)可表明，以磷酸鐵鋰為正極的18650電池的容量僅能達(dá)到1300mAh/g ；2. 從技術(shù)成熟度上看由于安全性過關(guān)，磷酸鹽是鋰電池正極材料的發(fā)展趨勢(shì)。但由于磷酸鐵鋰與鋰離子電池的應(yīng)用時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于鈷酸鋰和錳酸鋰，還停留在產(chǎn)品應(yīng)用的初級(jí)階段，需要經(jīng)歷一個(gè)由小到大的發(fā)展過程，所以目前不可能成為動(dòng)力型鋰離子電池的主流正極材料。
3. 從電池成本上看磷酸鐵鋰的制造需要碳酸鋰做主要材料，還需要?dú)鍤馀c氮?dú)獾缺Ｗo(hù)氣，制造成本很大。目前國際市場(chǎng)最好的磷酸鐵鋰價(jià)格是30多萬元/噸，但產(chǎn)量很小，批量不穩(wěn)定；國內(nèi)的價(jià)格是在15-16萬元/噸，在未來的3-5年之內(nèi)，磷酸鐵鋰的價(jià)格會(huì)居高不下，目前，錳酸鋰的價(jià)格是8-10萬元/噸。
4. 從實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的可行性上看正極材料的成本只是電池成本的一部分，正極材料的價(jià)格下降不會(huì)給電池整體成本帶來本質(zhì)的影響。在電池的生產(chǎn)制造中，正極材料僅占原材料中的15%-20%，還需要考慮電解液、制造工藝，良品率低等問題，其中，磷酸鐵鋰電池制造工藝問題還有待解決。目前，從試驗(yàn)室中是能夠做出動(dòng)力磷酸鐵鋰電池，但磷酸鐵鋰的材料穩(wěn)定性差，材料工藝比較復(fù)雜，涂膜難，制備過程難，進(jìn)入批量生產(chǎn)尚需時(shí)日。
綜上所述，磷酸鐵鋰無論在技術(shù)成熟度、性能、成本、制造工藝方面都存在缺陷，盡管不失為未來研發(fā)的一個(gè)選擇，但不適合現(xiàn)階段的市場(chǎng)應(yīng)用。
錳酸鋰得到國內(nèi)外領(lǐng)先制造商的一致認(rèn)同1. 技術(shù)成熟，安全有保障。
錳酸鋰的安全性已經(jīng)毋庸置疑，蘇州星恒電源有限公司開發(fā)的改性錳酸鋰在容量和循環(huán)性能上表現(xiàn)更優(yōu)異。同時(shí)，采用錳酸鋰作為正極材料的星恒產(chǎn)品還是國內(nèi)第一個(gè)應(yīng)用于電動(dòng)汽車的高功率鋰離子電池。在國家“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)組的統(tǒng)一測(cè)試中，星恒的安全性、循環(huán)、高低溫性能等測(cè)試全部過關(guān)，成為唯一的入選單位。
下圖為55℃時(shí)，星恒改性錳酸鋰電池的容量循環(huán)衰減圖，此圖表明：星恒的改性錳酸鋰在高溫55℃下仍具有良好的循環(huán)性能。充放電循環(huán)200次后，容量保持率仍達(dá)到90％以上，顯示出優(yōu)異的高溫循環(huán)穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，可以滿足電動(dòng)自行車用動(dòng)力型鋰離子電池高溫環(huán)境下的使用要求

上圖為兩種錳酸鋰鋰離子電池的倍率特性比較圖。此圖表明：星恒改性錳酸鋰顯著提高了材料的充放電倍率，幾乎接近100％。
實(shí)驗(yàn)還表明：星恒改性錳酸鋰降低了材料由于溫度升高而引起的與電解液的氧化反應(yīng)，具有更好的熱穩(wěn)定性。
由此可見，星恒的改性錳酸鋰耐過充性更好，高倍率放電承受能力更強(qiáng)，安全性能更好，而且還克服了一般的錳酸鋰所具有的諸多缺點(diǎn)，非常適合在動(dòng)力型大容量鋰離子電池中應(yīng)用。
2. 銷量第一，市場(chǎng)檢驗(yàn)應(yīng)用。
在國內(nèi)市場(chǎng)，蘇州星恒的錳酸鋰電池已經(jīng)大批量生產(chǎn)，應(yīng)用在電動(dòng)自行車領(lǐng)域已經(jīng)超過4萬組，海外銷售突破了1萬組，占國內(nèi)電動(dòng)自行車鋰電池市場(chǎng)份額的80%以上。而通過1年多的市場(chǎng)檢驗(yàn)，星恒錳酸鋰電池的綜合客訴率不超過3%，無一例安全性問題，顯示了星恒錳酸鋰電池穩(wěn)定的性能和過硬的質(zhì)量。
3. 錳酸鋰是國際高水平廠商共同的選擇。
國際上，日本的動(dòng)力鋰電池技術(shù)研發(fā)最早，技術(shù)水平最高。以三洋、日立為代表鋰電池廠商全部選擇錳酸鋰作為動(dòng)力型鋰離子電池正極材料，并廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車及電動(dòng)汽車上。這說明，只有錳酸鋰才是目前主流的正極材料。

鋰電池產(chǎn)品在充放電過程中的過充電、過放電、放電過電流及其它異常狀態(tài)（例如負(fù)載短路），將會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱，可能引起電池或其它器件的損害，嚴(yán)重影響到電池使用的安全性。因此，鋰電池產(chǎn)品保護(hù)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用必不可少。本文基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，設(shè)計(jì)了一種全功能電池保護(hù)電路。通過過放電檢測(cè)輸出端、過充電檢測(cè)輸出端的CMOS輸出電平控制外接的兩個(gè)N溝道場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)晶體管的關(guān)斷，從而達(dá)到對(duì)電池實(shí)施保護(hù)的目的。具有高檢測(cè)電壓精度、低功耗、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于移動(dòng)電話、筆記本電腦、PDA電路具有過充電保護(hù)、過放電保護(hù)、過電流保護(hù)與短路保護(hù)功能，其工作原理分析如下：

1  正常狀態(tài)

在正常狀態(tài)下電路中N1的“CO"與“DO"腳都輸出高電壓，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，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30毫歐，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。 此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于7μA。

2  過充電保護(hù)

鋰離子電池作為可充電池的一種，要求的充電方式為恒流/恒壓，在充電初期，為恒流充電，隨著充電過程，電壓會(huì)上升到4.2V（根據(jù)正極材料不同，有的電池要求恒壓值為4.1V），轉(zhuǎn)為恒壓充電，直至電流越來越小。 電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會(huì)使電池電壓超過4.2V后繼續(xù)恒流充電，此時(shí)電池電壓仍會(huì)繼續(xù)上升，當(dāng)電池電壓被充電至超過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"腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對(duì)電池進(jìn)行充電，起到過充電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V2自帶的體二極管VD2的存在，電池可以通過該二極管對(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，該延時(shí)時(shí)間的長短由C3決定，通常設(shè)為1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

3  過放電保護(hù)

電池在對(duì)外部負(fù)載放電過程中，其電壓會(huì)隨著放電過程逐漸降低，當(dāng)電池電壓降至2.5V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。

在電池放電過程中，當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO"腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，起到過放電保護(hù)作用。而此時(shí)由于V1自帶的體二極管VD1的存在，充電器可以通過該二極管對(duì)電池進(jìn)行充電。

由于在過放電保護(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)，整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1μA。

在控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V至發(fā)出關(guān)斷V1信號(hào)之間，也有一段延時(shí)時(shí)間，該延時(shí)時(shí)間的長短由C3決定，通常設(shè)為100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

4  過電流保護(hù)

由于鋰電池的化學(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2C（C=電池容量/小時(shí)），當(dāng)電池超過2C電流放電時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致電池的永久性損壞或出現(xiàn)安全問題。

電池在對(duì)負(fù)載正常放電過程中，放電電流在經(jīng)過串聯(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導(dǎo)通阻抗，控制IC上的“V-"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?，使回路電流增大，?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"腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使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，起到過電流保護(hù)作用。

在控制IC檢測(cè)到過電流發(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，該延時(shí)時(shí)間的長短由C3決定，通常為13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。

在上述控制過程中可知，其過電流檢測(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，其過電流保護(hù)值越小。

5  短路保護(hù)

電池在對(duì)負(fù)載放電過程中，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?，使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。

以上詳細(xì)闡述了單節(jié)鋰離子電池保護(hù)電路的工作原理，多節(jié)串聯(lián)鋰離子電池的保護(hù)原理與之類似，在此不再贅述，上面電路中所用的控制IC為日本理光公司的R5421系列，在實(shí)際的電池保護(hù)電路中，還有許多其它類型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺(tái)灣富晶的FS312和FS313系列、臺(tái)灣類比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數(shù)上有所差別，有些控制IC為了節(jié)省外圍電路，將濾波電容和延時(shí)電容做到了芯片內(nèi)部，其外圍電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。 除了控制IC外，電路中還有一個(gè)重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關(guān)的作用，由于它直接串接在電池與外部負(fù)載之間，因此它的導(dǎo)通阻抗對(duì)電池的性能有影響，當(dāng)選用的MOSFET較好時(shí)，其導(dǎo)通阻抗很小，電池包的內(nèi)阻就小，帶載能力也強(qiáng)，在放電時(shí)其消耗的電能也少。

隨著科技的發(fā)展，便攜式設(shè)備的體積越做越小，而隨著這種趨勢(shì)，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)電路體積的要求也越來越小，在這兩年已出現(xiàn)了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護(hù)IC的產(chǎn)品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠家甚至將整個(gè)保護(hù)電路封裝成一顆小尺寸的IC，如MITSUMI公司的產(chǎn)品。

綜上所述，雖然磷酸鐵鋰有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，但就目前的技術(shù)水平來說，還不是動(dòng)力型鋰離子電池正極材料的首選，它的成熟還需要更長時(shí)間的研究投入，所以錳酸鋰還是目前動(dòng)力鋰離子電池正極材料的首選。