| 電池基礎知識(集全版) |
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? 電池基礎知識 <1>1、一次電池和充電電池有什么區別？ 電池內部的電化學性決定了該類型的電池是否可充，根據它們的電化學成分和電極的結構可知，真正的可充電電池的內部結構之間所發生反應是可逆的。 理論上，這種可逆性是不會受循環次數的影響，既然充放電會在電極體積和結構上引起可逆的變化，那么可充電電池的內部設計必須支持這種變化，既然，一次電池僅做一放電，它內結構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濟，如果需要反復使用，應有盡有選擇真正的循環次數在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別嗎？ 另一明顯的區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缺點是什么？ 充電電池壽命較長，可循環1000次以上，雖然價格比干電池貴，但如果經常使用的話，是比較劃算的。充電電池的容量比同規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束。當放電結束時，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它的能量轉換？ 每種電池都具有電化學轉換的能力，即將儲存的化學能直接轉換成電能，就二次電子（也叫蓄電池）而言（另一術語也稱可充電使攜式電池），在放電過程中，是將化學能轉換成電能；而在充電過程中，又將電能重新轉換成化學能。這樣的過程根據電化學系統不同，一般可充放電500次以上，而我司產品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，生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構，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。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——活性物質為氧化鋰鈷? ? ? ? （3）隔膜——一種特殊的復合膜 （4）負極——活性物質為碳? ? ? （5）有機電解液? ? ? ? ? ? ? （6）電池殼（分為鋼殼和鋁殼兩種） 7、Li-ion電池有哪些優點？哪些缺點？ ? Li-ion具有以下優點： 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）,未來隨著技術發展,比能量可高達150Wh/kg和400 Wh/L 3） 循環壽命長,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.作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發生短路,縮減了其應用領域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環境有污染的元素：部分工藝（如燒結式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”，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。主要表現在LiCoO2的價格高（Co的資源較?。?，電解質體系提純困難。 2） 不能大電流放電。由于有機電解質體系等原因，電池內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構而影響性能和壽命；同時過充電使電解液分解，內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混合，經高速攪拌均勻后，制成漿狀的正負極物質。 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，經卷繞制成電池極芯，在經注入電解液、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計，以達到電池安全考核指標。 1） 隔膜135℃自動關斷保護 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復合膜兩側的膜孔閉合，電池內阻增大，電池內部升溫減緩，電池升溫達到135℃時，PP膜孔閉合，電池內部斷路，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聚合，電池內阻大幅度增加，電池內部形成大面積斷路，電池不再升溫。 3） 電池蓋復合結構 電池蓋采用刻痕防爆球結構，電池升溫時，電池內部活化過程中所產生的部分氣體膨脹，電池內壓加大，壓力達到一定程度刻痕破裂、放氣。 4） 各種環境濫用測試 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 按生產廠家規定，電池由恒流充電轉入恒壓充電時的電壓值。 B、 額定容量 生產廠家標明的電池容量，指電池在環境溫度為20℃±5℃條件下，以5h率放電至終止電壓時所應提供的電量，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只數用“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，內部Li+的濃差極化在逐漸消除，離子的遷移數和速度表現為電流逐漸減少。 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計與制造電池時規定或保證電池在一定的放電條件下，應該放出最低限度的電量。Li-ion規定電池在常溫、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，電池容量應指明充放電條件）。容量常見單位有：mAh、Ah=1000mAh）。 12、什么是電池內阻？ ? ? 是指電池在工作時，電流流過電池內部所受到的阻力。有歐姆內阻與極化內阻兩部分組成。電池內阻大，會導致電池放電工作電壓降低，放電時間縮短。內阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結構等因素的影響。是衡量電池性能的一個重要參數。注：一般以充電態內阻為標準。測量電池的內阻需用專用內阻儀測量，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。 14、什么是工作電壓？ ? ? 又稱端電壓，是指電池在工作狀態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下，當電流流過電池內部時，不需克服電池的內阻所造成阻力，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？ ? ? 是指電池在規定的時間內放出其額定容量時所需要的電流值，它在數據值上等于電池額定容量的倍數，通常以字母C表 |
● 過充（放）電：指超過電池規定的充（放）電狀態，若繼續充（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量所釋放的能量，一般用體積能量密度（wh/l）和質量能量密度（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，往返穿梭電芯內部而沒有金屬鋰的存在，因此鋰離子電芯更加安全穩定。其反應示意圖及基本反應式如下所示：
二、 電芯的構造
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。
根據上述的反應機理，正極采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一種層結構很穩定的晶型，但當從LiCoO2拿走XLi后，其結構可能發生變化，但是否發生變化取決于X的大小。通過研究發現當X>0.5時Li1-XCoO2的結構表現為極其不穩定，會發生晶型癱塌，其外部表現為電芯的壓倒終結。所以電芯在使用過程中應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的晶型仍是穩定的。負極C6其本身有自己的特點，當第一次化成后，正極LiCoO2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。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計、材料及生產工藝生產過程的控制等因素密切相關。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，則會出現上述結果。相反，C/A太小，容量低，平臺低，循環特性差。這樣，在生產加工中如何保證設計好的C/A比成了生產加工中的關鍵。所以在生產中應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過度激烈而產生負反應的情況，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”的現象。
2)涂布時基材料與噴頭的間隙應控制在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)漿料應儲存6小時以上，漿料粘度保持穩定，漿料內部無自聚成團現象。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備
1)可以保證極片質量的穩定和一致性，大大提高電芯極片均一性，降低了不安全電芯的出現機率。
2)涂布機單片極板上面密度誤差值應小于±2%，極板長度及間隙尺寸誤差應小于2mm。
3)輥壓機的輥軸錐度和徑向跳動應不大于4μm，這樣才能保證極板厚度的一致性。設備應配有完善的吸塵系統，避免因浮塵顆粒而導致的電芯內部微短路，從而保證了電芯的自放電性能。
4)分切機應采用切刀為輥刀型的連續分切設備，這樣切出的極片不存在荷葉邊，毛刺等缺陷。同樣設備應配有完善的吸塵系統，從而保證了電芯的自放電性能。
4.先進的封口技術
目前國內外方形鋰離子電芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口技術，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）的激勵下發出一束單一頻率的光（λ=1.06mm）經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象，經過分析與研究，發現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，從而發生激烈的化學反應。反應產生的氣體造成電芯內壓升高，增加了電芯的膨脹行為。所以在生產中，除了應對極板嚴格除濕外，在注液過程中更應采用除濕設備，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而開始凝結時的溫度）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勢，以下是不同的壓力實驗：
注：壓力是電芯壓力為電芯內部之壓力（單位：Kg），表內數據為電芯之厚度(單位：mm)由此可見鋼殼對內壓反映十分遲鈍，而鋁殼對內壓反應卻十分敏銳。因此從厚度上就基本能判斷出電芯的內壓，而鋼殼電芯往往隱含著內壓帶來的不安全隱患。其中鋼殼電芯型號為063448。
第三節 鋰離子電池保護線路(PCM)
由第二節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,那么就應而產生了其保護線路,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壓上升，需終止充電狀態。此時，保護 IC 需檢測電池電壓，當到達 4.25V 時（假設電池過充點為 4.25V）即啟動過度充電保護，將功率 MOS 由開轉為切斷，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 由開轉變為切斷而截止放電，以避免電池過放電現象產生，并將電池保持在低靜態電流的待機模式，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，過放電檢測電路設有延遲時間以避免產生誤動作。
過放電保護及過充電保護IC主要生產廠家有:美上美(MITSUMI),精工,***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) 當成感應阻抗用以監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 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有延遲時間以防有突發電流流入時產生誤動作。
通常在過電流產生后，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，可以再進行正常的充放電動作。