電池基礎(chǔ)知識

1、一次電池和充電電池有什么區(qū)別？

電池內(nèi)部的電化學性決定了該類型的電池是否可充，根據(jù)它們的電化學成分和電極的結(jié)構(gòu)可知，真正的可充電電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間所發(fā)生反應(yīng)是可逆的。

理論上，這種可逆性是不會受循環(huán)次數(shù)的影響，既然充放電會在電極體積和結(jié)構(gòu)上引起可逆的變化，那么可充電電池的內(nèi)部設(shè)計必須支持這種變化，既然，一次電池僅做一放電，它內(nèi)結(jié)構(gòu)簡單得多且不需要支持這種變化，因此，不可以將一次電池拿來充電，這種做法很危險也很不經(jīng)濟，如果需要反復使用，應(yīng)有盡有選擇真正的循環(huán)次數(shù)在1000次左右的充電電池，這種電池也可稱為一次電池或蓄電池。

2、一次電池和二次電池還有其他的區(qū)別嗎？

另一明顯的區(qū)別就是它們能量和負載能力，以及自放電率，二次電池能量遠比一次電池高，然而他們的負載能力相對要小。

3、可充電便攜式電池的優(yōu)缺點是什么？

充電電池壽命較長，可循環(huán)1000次以上，雖然價格比干電池貴，但如果經(jīng)常使用的話，是比較劃算的。充電電池的容量比同規(guī)格的堿錳電池或鋅碳電池低，比如，他們放電較快。

另一缺點是由于他們幾近恒定的放電電壓，很難預測放電何時結(jié)束。當放電結(jié)束時，電池電壓會突然降低。假如在照相機上使用，突然電池放完了電，就不得不終止。

但另一方面可充電電池能提供的容量比太部分一次電池高。

但Li-ion電池卻可被廣泛地用照相器材中，因為它容量高，能量密度大，以及隨放電深度的增加而逐漸降低的放電電壓。

4、充電電池是怎樣實現(xiàn)它的能量轉(zhuǎn)換？

每種電池都具有電化學轉(zhuǎn)換的能力，即將儲存的化學能直接轉(zhuǎn)換成電能，就二次電子（也叫蓄電池）而言（另一術(shù)語也稱可充電使攜式電池），在放電過程中，是將化學能轉(zhuǎn)換成電能；而在充電過程中，又將電能重新轉(zhuǎn)換成化學能。這樣的過程根據(jù)電化學系統(tǒng)不同，一般可充放電500次以上，而我司產(chǎn)品li-ion可重復充放電1000次以上。Li-ion是一種新型的可充電便攜式電池。它的額定電壓為3.6V，它的放電電壓會隨放電的深度逐漸衰退，不象其他充電電池一樣，在放電未，電壓突然降低。

5、什么是Li-ion電池？

Li-ion是鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來講，以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是鋰金屬，負極是碳。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負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，當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極?；卣龢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。在Li-ion的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態(tài)。Li-ion就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在搖椅來回奔跑。所以Li-ion又叫搖椅式電池。

6、Li-ion電池有哪幾部分組成？

（1）電池上下蓋（2）正極——活性物質(zhì)為氧化鋰鈷（3）隔膜——一種特殊的復合膜

（4）負極——活性物質(zhì)為碳（5）有機電解液（6）電池殼（分為鋼殼和鋁殼兩種）

7、Li-ion電池有哪些優(yōu)點？哪些缺點？

Li-ion具有以下優(yōu)點：

1）單體電池的工作電壓高達3.6-3.8V：

2）比能量大，目前能達到的實際比能量為100-115Wh/kg和240-253Wh/L（2倍于Nl-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未來隨著技術(shù)發(fā)展,比能量可高達150Wh/kg和400Wh/L

3）循環(huán)壽命長,一般均可達到500次以上,甚至1000次.對于小電流放電的電器,電池的使用期限將倍增電器的競爭力.

4）安全性能好,無公害,無記憶效應(yīng).作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。

5）自放電小

室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。Li-ion也存在著一定的缺點，如：

1）電池成本較高。主要表現(xiàn)在LiCoO2的價格高（Co的資源較?。娊赓|(zhì)體系提純困難。

2）不能大電流放電。由于有機電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。

3）需要保護線路控制。

A、過充保護：電池過充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內(nèi)部壓力過高而導致漏液等問題；故必須在4.1V-4.2V的恒壓下充電；

B、過放保護：過放會導致活性物質(zhì)的恢復困難，故也需要有保護線路控制。

8、什么是鋰離子制造過程？

1）配料

用專門的溶液和粘接劑分別與粉末狀的正負極活性物質(zhì)混合，經(jīng)高速攪拌均勻后，制成漿狀的正負極物質(zhì)。

2）涂漠

將制成的漿料均勻地涂覆在金屬箔的表面，烘干，分別制成正負極極片。

3）裝配

按正極片——隔膜——負極片——隔膜自上而下的順序放好，經(jīng)卷繞制成電池極芯，在經(jīng)注入電解液、封口等工藝過程，即完成電池裝配過程。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。

9、鋰離子安全特性是如何實現(xiàn)的？

為了確保Li-ion安全可靠的使用，專家們進行了非常嚴格、周密的電池安全性能設(shè)計，以達到電池安全考核指標。

1）隔膜135℃自動關(guān)斷保護

采用國際先進的Celgars2300pE-pp-pE三層復合膜。在電池升溫達到120℃的情況下，pE復合膜兩側(cè)的膜孔閉合，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）向電解液中加入添加劑

在電池過充，電池電壓高于4.2V的條件下，電解液添加劑與電解液中其他物質(zhì)聚合，電池內(nèi)阻大幅度增加，電池內(nèi)部形成大面積斷路，電池不再升溫。

3）電池蓋復合結(jié)構(gòu)

電池蓋采用刻痕防爆球結(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)境濫用測試

進行各項濫用實驗，如外部短路、過充、針刺、沖擊、焚燒等，考察電池安全性能。同時對電池進行溫度沖擊實驗和振動、跌落、沖擊等力學性能實驗，考察電池在實際使用環(huán)境焉的性能情況。

9、什么充電限制電壓？額定容量？額定電壓？終止電壓？

A、充電限制電壓

按生產(chǎn)廠家規(guī)定，電池由恒流充電轉(zhuǎn)入恒壓充電時的電壓值。

B、額定容量

生產(chǎn)廠家標明的電池容量，指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，以5h率放電至終止電壓時所應(yīng)提供的電量，用C5表示，單位為Ah（安培小時）或mAh（毫安小時）。

C、標稱電壓

用以表示電池電壓的近似值。

D、終止電壓

規(guī)定放電終止時電池的負載電壓，其值為n*2.75V(鋰離子單體電池的串聯(lián)只數(shù)用“n”表示)。

10、為什么恒壓充電電流為逐漸減少？

因為恒流過程終止時，電池內(nèi)部的電化學極化然保持再整個恒流中相同的水平，恒壓過程，再恒定電場作用下，內(nèi)部Li+的濃差極化在逐漸消除，離子的遷移數(shù)和速度表現(xiàn)為電流逐漸減少。

11、什么是電池的容量？

電池的容量有額定容量和實際容量之分。電池的額定量是指設(shè)計與制造電池時規(guī)定或保證電池在一定的放電條件下，應(yīng)該放出最低限度的電量。Li-ion規(guī)定電池在常溫、恒流（1C）恒壓（4.2V）控制的充電條件下充電3h，電池的實際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實際電量，主要受放電倍率和溫度的影響（故嚴格來講，電池容量應(yīng)指明充放電條件）。容量常見單位有：mAh、Ah=1000mAh）。

12、什么是電池內(nèi)阻？

是指電池在工作時，電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻大，會導致電池放電工作電壓降低，放電時間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響。是衡量電池性能的一個重要參數(shù)。注：一般以充電態(tài)內(nèi)阻為標準。測量電池的內(nèi)阻需用專用內(nèi)阻儀測量，而不能用萬用表歐姆檔測量。

13、什么是開路電壓？

是指電池在非工作狀態(tài)下即電路無電流流過時，電池正負極之間的電勢差。一般情況下，Li-ion充滿電后開路電壓為4.1-4.2V左右，放電后開壓為3.0V左右，通過電池的開路電壓，可以判斷電池的荷電狀態(tài)。

14、什么是工作電壓？

又稱端電壓，是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流過時電池正負極之間電勢差。在電池放電工作狀態(tài)下，當電流流過電池內(nèi)部時，不需克服電池的內(nèi)阻所造成阻力，故工作電壓總是低于開路電池，充電時則與之相反。Li-ion的放電工作電壓在3.6V左右。

15、什么是放電平臺？

放電平臺是恒壓充到電壓為4.2V并且電電流小于0.01C時停充電，然后擱置10分鐘，在任何們率的放電電流下下放電至3.6V時的放電時間。是衡量電池好壞的重要標準。

16、什么是（充放電）倍率？時率？

是指電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量時所需要的電流值，它在數(shù)據(jù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)，通常以字母C表放電深度：與電池額定容量比較，放電量的比率。

●過充（放）電：指超過電池規(guī)定的充（放）電狀態(tài)，若繼續(xù)充（放）電可能造成電池漏液或劣化。

●能量密度：指單位體積或單位質(zhì)量所釋放的能量，一般用體積能量密度（wh/l）和質(zhì)量能量密度（wh/kg）表示。

●自放電：電池充滿電之后，在與外電路沒有接觸和常溫放置的條件下，其電容量會自然衰減。在儲存過程中，電池蓄電容量會逐漸下降，其減少的容量與額定容量的比例，稱為自放電率。通常，環(huán)境溫度對其影響較大，過高溫度會加速電池的自放電。電池容量衰減（自放電率）的表達方法為：%/月。鎳鎘、鎳氫電池的自放電率為20-25%/月，鋰電池的自放電率為2-5%/月。

對于鋰離子電池安全性能的考核指標，國際上規(guī)定了非常嚴格的標準，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）鋰離子電芯的反應(yīng)機理是隨著充放電的進行，鋰離子在正負極之間嵌入脫出，往返穿梭電芯內(nèi)部而沒有金屬鋰的存在，因此鋰離子電芯更加安全穩(wěn)定。其反應(yīng)示意圖及基本反應(yīng)式如下所示：

二、電芯的構(gòu)造

電芯的正極是LiCoO2加導電劑和粘合劑，涂在鋁箔上形成正極板，負極是層狀石墨加導電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上，目前比較先進的負極層狀石墨顆粒已采用納米碳。

根據(jù)上述的反應(yīng)機理，正極采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一種層結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定的晶型，但當從LiCoO2拿走XLi后，其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，但是否發(fā)生變化取決于X的大小。通過研究發(fā)現(xiàn)當X>0.5時Li1-XCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒終結(jié)。所以電芯在使用過程中應(yīng)通過限制充電電壓來控制Li1-XCoO2中的X值，一般充電電壓不大于4.2V那么X小于0.5，這時Li1-XCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。負極C6其本身有自己的特點，當?shù)谝淮位珊螅龢OLiCoO2中的Li被充到負極C6中，當放電時Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負極C6中，心以保證下次充放電Li的正常嵌入，否則電芯的壓倒很短，為了保證有一部分Li留在負極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實現(xiàn)。所以鋰電芯的安全充電上限電壓≤4.2V，放電下限電壓≥2.5V。

三、電芯的安全性

電芯的安全性與電芯的設(shè)計、材料及生產(chǎn)工藝生產(chǎn)過程的控制等因素密切相關(guān)。在電芯的充放電過程中，正負極材料的電極電位均處于動態(tài)變化中，隨著充電電壓的增高，正極材料（LixCoO2）電位不斷上升，嵌鋰的負極材料（LixC6）電位首先下降，然后出現(xiàn)一個較長的電位平臺，當充電電壓過高（>4.2V）或由于負極活性材料面密度相對于正極材料面密度(C/A)比值不足時,負極材料過度嵌鋰，負極電位則迅速下降，使金屬鋰析出(正常情況下則不會有金屬鋰的的析出)，這樣會對電芯的性能及安全性構(gòu)成極大的威脅。電位變化見下圖：

在材料已定的情況下，C/A太大，則會出現(xiàn)上述結(jié)果。相反，C/A太小，容量低，平臺低，循環(huán)特性差。這樣，在生產(chǎn)加工中如何保證設(shè)計好的C/A比成了生產(chǎn)加工中的關(guān)鍵。所以在生產(chǎn)中應(yīng)就以下幾個方面進行控制：

1.負極材料的處理

1)將大粒徑及超細粉與所要求的粒徑進行徹底分離，避免了局部電化學反應(yīng)過度激烈而產(chǎn)生負反應(yīng)的情況，提高了電芯的安全性。

2）提高材料表面孔隙率，這樣可以提高10%以上的容量，同時在C/A比不變的情況下，安全性大大提高。處理的結(jié)果使負極材料表面與電解液有了更好的相容性，促進了SEI膜的形成及穩(wěn)定上。

2.制漿工藝的控制

1)制漿過程采用先進的工藝方法及特殊的化學試劑，使正負極漿料各組之間的表面張力降到了最低。提高了各組之間的相容性，阻止了材料在攪拌過程“團聚”的現(xiàn)象。

2)涂布時基材料與噴頭的間隙應(yīng)控制在0.2mm以下，這樣涂出的極板表面光滑無顆粒、凹陷、劃痕等缺陷。

3)漿料應(yīng)儲存6小時以上，漿料粘度保持穩(wěn)定，漿料內(nèi)部無自聚成團現(xiàn)象。均勻的漿料保證了正負極在基材上分布的均勻性，從而提高了電芯的一致性、安全性。

3.采用先進的極片制造設(shè)備

1)可以保證極片質(zhì)量的穩(wěn)定和一致性，大大提高電芯極片均一性，降低了不安全電芯的出現(xiàn)機率。

2)涂布機單片極板上面密度誤差值應(yīng)小于±2%，極板長度及間隙尺寸誤差應(yīng)小于2mm。

3)輥壓機的輥軸錐度和徑向跳動應(yīng)不大于4μm，這樣才能保證極板厚度的一致性。設(shè)備應(yīng)配有完善的吸塵系統(tǒng)，避免因浮塵顆粒而導致的電芯內(nèi)部微短路，從而保證了電芯的自放電性能。

4)分切機應(yīng)采用切刀為輥刀型的連續(xù)分切設(shè)備，這樣切出的極片不存在荷葉邊，毛刺等缺陷。同樣設(shè)備應(yīng)配有完善的吸塵系統(tǒng)，從而保證了電芯的自放電性能。

4.先進的封口技術(shù)

目前國內(nèi)外方形鋰離子電芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口技術(shù)，它是利用YAG棒（釔鋁石榴石）激光諧振腔中受強光源（一般為氮燈）的激勵下發(fā)出一束單一頻率的光（λ=1.06mm）經(jīng)過諧振折射聚焦成一束，再把聚焦的焦點對準電芯的筒體和蓋板之間，使其熔化后親合為一體，以達到蓋板與筒體的密封熔合的目的。為了達到密封焊，必須掌握以下幾個要素：

1)必須有能量大、頻率高、聚焦性能好、跟蹤精度高的激光焊機。

2)必須有配合精度高的適用于激光焊的電芯外殼及蓋板。

3)必須有高統(tǒng)一純度的氮氣保護，特別是鋁殼電芯要求氮氣純度高，否則鋁殼表面就會產(chǎn)生難以熔化的Al2O3（其熔點為2400℃）。四、電芯膨脹原因及控制

鋰離子電芯在制造和使用過程中往往會有腫脹現(xiàn)象，經(jīng)過分析與研究，發(fā)現(xiàn)主要有以下兩方面原因：

1鋰離子嵌入帶來的厚度變化

電芯充電時鋰離子從正極脫出嵌入負極，引起負極層間距增大，而出現(xiàn)膨脹，一般而言，電芯越厚，其膨脹量越大。

2．工藝控制不力引起的膨脹

在制造過程中，如漿料分散、C/A比離散性、溫度控制都會直接影響電芯電芯的膨脹程度。特別是水，因為充電形成的高活性鋰碳化合物對水非常敏感，從而發(fā)生激烈的化學反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體造成電芯內(nèi)壓升高，增加了電芯的膨脹行為。所以在生產(chǎn)中，除了應(yīng)對極板嚴格除濕外，在注液過程中更應(yīng)采用除濕設(shè)備，保證空氣的干燥度為HR2%，露點（大氣中的濕空氣由于溫度下降,使所含的水蒸氣達到飽和狀態(tài)而開始凝結(jié)時的溫度）小于-40℃。在非常干燥的條件下，并采取真空注液，極大地降低了極板和電解液的吸水機率。

五、鋁殼電芯與鋼殼電芯安全性比較

鋁殼相對于鋼殼具有很高的安全優(yōu)勢，以下是不同的壓力實驗：

注：壓力是電芯壓力為電芯內(nèi)部之壓力（單位：Kg），表內(nèi)數(shù)據(jù)為電芯之厚度(單位：mm)由此可見鋼殼對內(nèi)壓反映十分遲鈍，而鋁殼對內(nèi)壓反應(yīng)卻十分敏銳。因此從厚度上就基本能判斷出電芯的內(nèi)壓，而鋼殼電芯往往隱含著內(nèi)壓帶來的不安全隱患。其中鋼殼電芯型號為063448。

第三節(jié)鋰離子電池保護線路(pCM)

由第二節(jié)鋰離子電芯的知識我們可以看出,鋰離子電池至少需要三重保護-----過充電保護,過放電保護,短路保護,那么就應(yīng)而產(chǎn)生了其保護線路,那么這個保護線路針對以上三個保護要求而言:

過充電保護:過充電保護IC的原理為：當外部充電器對鋰電池充電時，為防止因溫度上升所導致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時，保護IC需檢測電池電壓，當?shù)竭_4.25V時（假設(shè)電池過充點為4.25V）即啟動過度充電保護，將功率MOS由開轉(zhuǎn)為切斷，進而截止充電。

過放電保護:過放電保護IC原理：為了防止鋰電池的過放電，假設(shè)鋰電池接上負載，當鋰電池電壓低于其過放電電壓檢測點（假定為2.5V）時將啟動過放電保護，使功率MOSFET由開轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹?，以避免電池過放電現(xiàn)象產(chǎn)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機模式，此時的電流僅0.1uA。當鋰電池接上充電器，且此時鋰電池電壓高于過度放電電壓時，過度放電保護功能方可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過放電檢測電路設(shè)有延遲時間以避免產(chǎn)生誤動作。

過放電保護及過充電保護IC主要生產(chǎn)廠家有:美上美(MITSUMI),精工,臺灣富晶(DW01,FS301,302),理光,MOTOROLA等封裝形式主要為SOT26,SOT6

過電流及短路電流

因為不明原因（放電時或正負極遭金屬物誤觸）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IC原理為，當放電電流過大或短路情況產(chǎn)生時，保護IC將啟動過（短路）電流保護，此時過電流的檢測是將功率MOSFET的Rds(on)當成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測其電壓的下降情形，如果比所定的過電流檢測電壓還高則停止放電，運算公式為:

V-=I×Rds(on)×2（V-為過電流檢測電壓，I為放電電流）。

假設(shè)V-=0.2V，Rds(on)=25mΩ，則保護電流的大小為I=4A。

同樣地，過電流檢測也必須設(shè)有延遲時間以防有突發(fā)電流流入時產(chǎn)生誤動作。

通常在過電流產(chǎn)生后，若能去除過電流因素(例如馬上與負載脫離)，將會恢復其正常狀態(tài)，可以再進行正常的充放電動作。