鋰電池的基本知識(shí)
便攜式電子產(chǎn)品以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，各種電池的用量大增，并且開發(fā)出許多新型電池。除大家較熟悉的高性能堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來開發(fā)的鋰電池。本文主要介紹有關(guān)鋰電池的基本知識(shí)。這包括它的特性、主要參數(shù)、型號(hào)的意義、應(yīng)用范圍及使用注意事項(xiàng)等。
鋰是一種金屬元素，其化學(xué)符號(hào)為L(zhǎng)i(其英文名為lithium)，是一種銀白色、十分柔軟、化學(xué)性能活潑的金屬，在金屬中是最輕的。它除了應(yīng)用于原子能工業(yè)外，可制造特種合金、特種玻璃(電視機(jī)上用的熒光屏玻璃)及鋰電池。在鋰電池中它用作電池的陽極。
鋰電池也分成兩大類：不可充電的及可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池，它只能將化學(xué)能一次性地轉(zhuǎn)化為電能，不能將電能還原回化學(xué)能(或者還原性能極差)。而可充電的電池稱為二次性電池(也稱為蓄電池)。它能將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲(chǔ)存起來，在使用時(shí)，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，它是可逆的，如電能化學(xué)能鋰電池的主要特點(diǎn)：靈巧型便攜式電子產(chǎn)品要求尺寸小、重量輕，但電池的尺寸及重量與其它電子元器件相比往往是最大的及最重的。例如，想當(dāng)年的“大哥大”是相當(dāng)“粗大、笨重”，而今天的手機(jī)是如此的輕巧。其中電池的改進(jìn)是起了重要作用的：過去是鎳鎘電池，現(xiàn)在是鋰離子電池。
鋰電池的最大特點(diǎn)是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h是小時(shí)；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。這里舉一個(gè)例來說明：5號(hào)鎳鎘電池的額定電壓為1.2V，其容量為800mAh，則其能量為0.96Wh(1.2V×0.8Ah)。同樣尺寸的5號(hào)鋰－二氧化錳電池的額定電壓為3V，其容量為1200mAh，則其能量為3.6Wh。這兩種電池的體積是相同的，則鋰－二氧化錳電池的比能量是鎳鎘電池的3.75倍!
一節(jié)5號(hào)鎳鎘電池約重23g，而一節(jié)5號(hào)鋰－二氧化錳電池約重18g。一節(jié)鋰－二氧化錳電池為3V，而兩節(jié)鎳鎘電池才2.4V。所以采用鋰電池時(shí)電池?cái)?shù)量少(使便攜式電子產(chǎn)品體積減小、重量減輕)，并且電池的工作壽命長(zhǎng)。
另外，鋰電池具有放電電壓穩(wěn)定、工作溫度范圍寬、自放電率低、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、無記憶效應(yīng)及無公害等優(yōu)點(diǎn)。
鋰電池的缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，所以目前尚不能普遍應(yīng)用，主要應(yīng)用于掌上計(jì)算機(jī)、PDA、通信設(shè)備、照相機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、魚雷、儀器等。隨著技術(shù)的發(fā)展、工藝的改進(jìn)及生產(chǎn)量的增加，鋰電池的價(jià)格將會(huì)不斷地下降，應(yīng)用上也會(huì)更普遍。
不可充電的鋰電池
不可充電的鋰電池有多種，目前常用的有鋰－二氧化錳電池、鋰—亞硫酰氯電池及鋰和其它化合物電池。本文僅介紹前兩種最常用的。
1?鋰－二氧化錳電池(Li?MnO2)
鋰－二氧化錳電池是一種以鋰為陽極、以二氧化錳為陰極，并采用有機(jī)電解液的一次性電池。該電池的主要特點(diǎn)是電池電壓高，額定電壓為3V(是一般堿性電池的2倍)；終止放電電壓為2V；比能量大(見上面舉的例子)；放電電壓穩(wěn)定可靠；有較好的儲(chǔ)存性能(儲(chǔ)存時(shí)間3年以上)、自放電率低(年自放電率≤2％)；工作溫度范圍－20℃～＋60℃。
該電池可以做成不同的外形以滿足不同要求，它有長(zhǎng)方形、圓柱形及紐扣形(扣式)。圓柱形的也有不同的直徑及高度尺寸。
2?鋰－亞硫酰氯電池(Li?SOCl2)
鋰－亞硫酰氯電池是比能量最高的一種，目前可達(dá)到500Wh/kg或1000Wh/L的水平。它的額定電壓是3?6V，以中等電流放電時(shí)具有極其平坦的3?4V放電特性(可在90％容量范圍內(nèi)平坦地放電，保持不大的變化)。電池可以在－40℃～＋85℃范圍內(nèi)工作，但在－40℃時(shí)的容量約為常溫容量的50％。自放電率低(年自放電率≤1％)、儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)達(dá)10年以上。
應(yīng)用注意事項(xiàng)
上述兩種鋰電池是一次性電池，不可充電(充電時(shí)有危險(xiǎn)!)；電池正負(fù)極之間不可短路；不可以過大電流放電(超過最大放電電流放電)；電池使用至終止放電電壓時(shí)，應(yīng)從電子產(chǎn)品中及時(shí)取出；用完的電池不可擠壓、焚燒及拆卸；不可超過規(guī)定溫度范圍使用。
由于鋰電池的電壓高于普通電池或鎳鎘電池，使用時(shí)不要搞錯(cuò)以免損壞電路。通過熟悉型號(hào)中的CR、ER就可以知道它的種類及額定電壓。在購(gòu)買新電池時(shí)，一定要按原來的型號(hào)來買，否則會(huì)影響電子產(chǎn)品性能。
可充電的鋰電池
可充電的鋰電池有多種，如鋰-釩氧化物電池，鋰離子電池及國(guó)外新開發(fā)的鋰-聚合物電池等。這里僅介紹前兩種，重點(diǎn)介紹鋰離子電池。
可充電鋰離子電池是目前手機(jī)中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢)。因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。
鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在1%之內(nèi)，目前各大半導(dǎo)體器件廠已開發(fā)出多種鋰離子電池充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。
現(xiàn)在手機(jī)已十分普遍，手機(jī)中一部分是鎳氫電池，但靈巧型的手機(jī)則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對(duì)延長(zhǎng)電池壽命是十分重要的。
1. 鋰-釩氧化物電池(Li-V6O13)
鋰-釩氧化物電池以鋰為陽極、釩氧化物為陰極、無機(jī)鹽的有機(jī)溶劑為電解質(zhì)組成。它的特點(diǎn)是可以充電。以2號(hào)電池為例，將鋰-釩氧化物電池與鋰-二氧化錳電池及鋰-亞硫酰氯電池相比較如表5所示。
由表5可知，由于鋰-釩氧化物電池的額定電壓僅為2.8V，而且額定容量也小，故與其它兩種鋰電池相比，其比能量是最小的。該類圓柱形電池的主要參數(shù)如表6所示。從表6可看出，其充電次數(shù)(循環(huán)壽命)也不長(zhǎng)，所以這種可充電電池不久就由鋰離子電池替代了。
2. 鋰離子電池(Li-Ion)
鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰電池，它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長(zhǎng)方形、圓柱形、長(zhǎng)方形及扣式，并且有由幾個(gè)電池串聯(lián)在一起組成的電池組。
鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產(chǎn)品為3.7V)。充滿電時(shí)的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)：陽極材料為石墨的4.2V；陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內(nèi)阻也不同，焦炭陽極的內(nèi)阻略大，其放電曲線也略有差別，如圖1所示。一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池。鋰離子電池的終止放電電壓為2.5V～2.75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同)。低于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過放，過放對(duì)電池會(huì)有損害。
鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時(shí)會(huì)降低放電時(shí)間(內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)。因此電池生產(chǎn)工廠給出最大放電電流，在使用中應(yīng)小于最大放電電流。
鋰離子電池對(duì)溫度有一定要求，工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍。
鋰離子電池對(duì)充電的要求是很高的，它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%(例如，充4.2V的鋰離子電池，其允差為±0.042V)，過壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議，并要求有限流電路以免發(fā)生過流(過熱)。一般常用的充電率為0.25C～1C（C是電池的容量，如C=800mAh，1C充電率即充電電流為800mA）。在大電流充電時(shí)往往要檢測(cè)電池溫度，以防止過熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。
鋰離子電池充電分為兩個(gè)階段：先恒流充電，到接近終止電壓時(shí)改為恒壓充電，其充電特性如圖2所示。這是一種800mAh容量的電池，其終止充電電壓為4.2V。電池以800mA(充電率為1C)恒流充電，開始時(shí)電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí)，改成4.2V恒壓充電，電流漸降，電壓變化不大，到充電電流降為1/10C(約80mA)時(shí)，認(rèn)為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到1/10C后啟動(dòng)定時(shí)器，過一定時(shí)間后結(jié)束充電)。
各種鋰離子電池的性能如表7所示。
表7(a)型號(hào)中的6位數(shù)字，前兩位為高度尺寸，中間兩位為寬度尺寸，后兩位為長(zhǎng)度尺寸(mm)。例如LIS063048，其高為6.7mm，寬為29.9mm，長(zhǎng)度為48mm。
表7(b)型號(hào)的四位數(shù)字中，前兩位為直徑，后兩位為帶一位小數(shù)點(diǎn)的高度尺寸。例如LIR2025，它的直徑為20mm，高度為2.5mm。
鋰離子電池保護(hù)元件及保護(hù)電路
鋰離子電池在充電或放電過程中若發(fā)生過充、過放或過流時(shí)，會(huì)造成電池的損壞或降低使用壽命。為此，開發(fā)出各種保護(hù)元件及由保護(hù)IC組成的保護(hù)電路。它安裝在電池或電池組中，使電池獲得完善的保護(hù)。
1. 正溫度系數(shù)聚合物保護(hù)元件
Tyco公司最近推出了VLR230(5×12mm)及VLR170(3.6×10mm)自復(fù)式條狀保護(hù)元件，它專門用于鋰離子電池或鎳氫電池組作過流或過熱保護(hù)。它在正常溫度時(shí)自身電阻極低(如VLR230的阻值為0.015Ω)，一旦超過閾值電流或閾值溫度，電阻會(huì)急劇升高而起到保護(hù)作用(該保護(hù)元件串聯(lián)在電池電路中，有的安裝在電池中)。元件的特性如圖3所示，電路如圖4所示。這種保護(hù)元件在有短路及過充或過放情況發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生大量的熱使電池溫度升高，由于保護(hù)元件的高阻抗而得到保護(hù)。當(dāng)故障排除或斷開電路時(shí)，它有自復(fù)作用(即回到低阻抗)。
在60℃以下VLR170可提供700mA、VLR230可提供900mA充電或放電電流。兩元件耐壓均為12V。
2. 鋰離子保護(hù)器IC
Texas公司最近開發(fā)出內(nèi)部集成了MOSFET開關(guān)的鋰離子電池保護(hù)器IC，其尺寸僅為4.55×3.44×0.88mm(型號(hào)為VCC3952A)，它適用于4mm厚的手機(jī)鋰離子電池作保護(hù)用。它外部?jī)H需要一個(gè)0.1μF的表面貼裝式電容。器件工作電流5μA，可通過3A電流，有4.2V～4.35V四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)過壓電壓。它還可用于單鋰離子電池中。
本刊2000年第5期發(fā)表了“鋰-離子電池保護(hù)器IC—AIC1811”一文。該文較詳細(xì)地介紹了它的工作原理及有關(guān)電路，這里不再介紹。
最近Dallas公司開發(fā)了高精度鋰離子電池監(jiān)控器DS2760。它包括一個(gè)鋰離子電池保護(hù)電路及一個(gè)25mΩ的電流敏感電阻(電流檢測(cè)電阻)，該器件是3.25×2.75mm管芯封裝。其中有10位電流A/D變換器、10位電壓A/D變換器、一個(gè)正負(fù)10位溫度傳感器及EEPROM等。它采用單線與主系統(tǒng)通信來控制電池的充、放電，全面地保護(hù)鋰離子電池。
應(yīng)用注意事項(xiàng)
鋰離子電池應(yīng)用注意事項(xiàng)除與上述不可充電的鋰電池相同外，在充電方面還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1. 鋰離子電池有4.1V及4.2V終止充電的不同品種，因此在充電時(shí)注意的是4.1V的電池不能用4.2V的充電器充電，否則會(huì)有過充的危險(xiǎn)(4.1V與4.2V的充電器用的充電器IC是不同的!)。
2. 對(duì)電池充電時(shí)，其環(huán)境溫度不能超過產(chǎn)品特性表中所列的溫度范圍。
3. 不能反向充電。
4. 不能用充鎳鎘電池的充電器(充三節(jié)鎳鎘電池的)來充鋰離子電池(雖然額定電壓一樣，都是3.6V)，但充電方式不同，容易造成過充。
在放電方面應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：
1. 鋰離子電池放電電流不能超過產(chǎn)品特性表中給出最大放電電流。放電電流較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較高的溫度(損耗能量)，減少放電時(shí)間，若電池中無保護(hù)元件會(huì)產(chǎn)生過熱而損壞電池。
2. 不同溫度下放電曲線是不同的，如圖5所示。從圖中可以看出，在不同的溫度下，其放電電壓及放電時(shí)間也不同。在-20℃放電時(shí)情況最差。
在貯存方面：
1. 電池若長(zhǎng)期貯存，要保持在50%放電態(tài)。
2. 電池應(yīng)保存在低溫、干燥壞境中。
3. 要遠(yuǎn)離熱源，也不要置于陽光直射的地方。