二次保護元件基礎知識 – 保護鋰離子電池免受火災的SCP是什么？

鋰離子電池的優(yōu)異特性

鋰離子電池是智能手機和筆記本電腦等設備的電源。隨著科技進步，這些電池變得體積更小、容量更大，現(xiàn)在也被用于無人機和電動自行車。鋰離子電池在我們的日常生活中可以說是不可或缺。由于以下三個主要優(yōu)勢，它們被廣泛應用于各個領域：

高電壓與高能量密度

鋰離子電池的電壓（標稱電壓為3.7 V）約為相同尺寸鎳鎘（NiCd）或鎳氫（NiMH）電池（兩者的標稱電壓均為1.2 V）的三倍。這意味著與傳統(tǒng)電池相比，它們可以用更少的電池單元產(chǎn)生相同的電壓。此外，鋰離子電池的能量密度也高于其他電池，這使得產(chǎn)品可以更小、更輕。

自放電特性

鋰離子電池的自放電率約為每月5%，這僅是鎳鎘電池或鎳氫電池自放電率的五分之一以下。這意味著即使電池閑置數(shù)個月，其仍能保留與傳統(tǒng)電池閑置一個月后相近的能量。

無記憶效應

在傳統(tǒng)的鎳鎘和鎳氫電池中，反復進行部分充電會減少整體電池壽命，這種現(xiàn)象被稱為“記憶效應”。而鋰離子電池則沒有這種記憶效應，因此可以反復充電。

鋰離子電池的安全性

下圖說明了電池的分類。本篇文章討論的電池是可充電電池（可以重復充電和使用的電池），這類電池屬于化學電池的范疇。鋰離子電池是一種高性能、可小型化及輕量化的電池，其性能遠遠超越傳統(tǒng)用于電子設備的電池。盡管鋰離子電池具有許多優(yōu)勢，但仍然存在一些問題，例如過度充電的危險性。

舉個代表例，以下是構成可充電電池（鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池）的正極和負極的活性材料及電解質(zhì)。電解質(zhì)中，除了鋰離子電池使用有機溶劑外，所有電池的電解質(zhì)均以水作為溶劑。此目的是為了實現(xiàn)將標稱電壓超過水電解的電壓（1.23 V）。

當鎳氫電池或鎳鎘電池充電時，電池電壓會逐漸上升，在接近充滿電時達到峰值，隨后穩(wěn)定下來。同時，電池的溫度也會持續(xù)上升，但幅度不大。雖相較于體積，其電池容量較小，但由于電解液是水溶液（不可燃），因此這類電池相對安全。

相比之下，如果鋰離子電池在沒有任何保護措施的情況下持續(xù)充電，即使電池已經(jīng)完全充滿，電池電壓和電池溫度仍會繼續(xù)上升（見下圖）。

在狹小的空間內(nèi)封存大量能量，并處于高溫狀態(tài)的情況下，再加上內(nèi)部含有易燃的有機溶劑（易燃性液體），從這些條件來看，確實是一種“過度充電會有危險”的電池。盡管如此，這類電池由于擁有高能量密度等優(yōu)異特性，其優(yōu)勢不可否認。經(jīng)過多年的技術改良與安全性提升，促使它在市場上得到了廣泛普及。

鋰離子電池的二級保護

可充放電的電池均配備電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System），它位于電池與設備（或充電器）之間，負責充放電的過程。一級保護通常通過半導體持續(xù)監(jiān)控電流、電壓和溫度，并通過電子電路進行保護控制。大部分的異常情況均可通過一級保護來防止。

然而，在極少數(shù)情況下，半導體可能因異?；蚬收隙鵁o法正常運作，導致保護功能失效。鋰離子電池的異?？赡軐е缕屏?、起火等嚴重后果，因此必須預先考慮“萬一故障時”的保護措施，因此設置了二級保護，并對其可靠性提出更高的要求，確保在任何情況下都能發(fā)揮保護作用。

自我控制保護器 (SCP)

由Dexerials開發(fā)的“自我控制保護器”（SCP）是一種保險絲元件，能夠在鋰離子電池的二級保護中，不可逆地以物理方式斷開充放電電路。

當SCP啟動時，通常意味著一級保護（BMS）已經(jīng)失效，鋰離子電池的整體狀態(tài)也已異常。因此，SCP的作用在于主動切斷電路，防止不穩(wěn)定的鋰離子電池持續(xù)運行，確保安全。

一般來說，傳統(tǒng)保險絲通過焦耳熱熔化保險絲元件來物理斷開電路，防止設備因過電流受損。然而鋰離子電池除了過電流保護外，還需要考慮過充電的情況，而SCP正是為了解決這一需求而開發(fā)的產(chǎn)品。自1994年推出以來，SCP已被公認為鋰離子電池二級保護的標準元件，截至2020年3月，出貨量已超過20億個。

SCP 的結(jié)構和電路圖如下所示。

SCP在過電流時的運作方式類似于傳統(tǒng)的保險絲，當保險絲元件熔化時會斷開電路。然而，SCP在過充電時的啟動方式則具有獨特性。當檢測到過充電時，SCP在保險絲元件下方設置的加熱器會啟動并熔化保險絲元件，從而切斷電流。

下圖A為過電流時SCP的運行狀況，圖B為過充電時SCP的運行狀況。

SCP的潛力與未來

約30年來，Dexerials一直致力于鋰離子電池保護的研究與開發(fā)。獨家技術SCP已廣泛用作鋰離子電池的二級保護裝置，在筆記本電腦市場上占有60~70%的市場份額，成為行業(yè)的重要基準。

智能手機或平板電腦等設備：

SCP在這些設備中發(fā)揮關鍵作用，防止電池過充電或過放電，延長電池壽命并提升安全性，從而大幅改善用戶體驗。

電動工具等動力工具：

在對耐用性與安全性要求極高的動力工具領域，SCP作為重要安全元件，確保電池在嚴苛環(huán)境下仍能穩(wěn)定運行，同時維持高效能作業(yè)。

無人機：

隨著市場擴大與技術創(chuàng)新，無人機對輕量化與高效率的電池管理需求日益提高。SCP在確保飛行安全的同時，也有助于最大化飛行時間。

電動車與電動摩托車：

在電動車領域，SCP提高了電池的安全性，實現(xiàn)了更長距離的行駛。同時具備應對高電流的能力，促進了快速充電技術的普及。

SCP的技術仍在不斷進化，未來將持續(xù)朝著“小型化”和“高電流化”方向發(fā)展，以打造更安全、高效的鋰離子電池。

原文：轉(zhuǎn)自大大通 Dexerials 原廠頻道：https://www.wpgdadatong.com.cn/reurl/vyyUzu