锂离子蓄电池及其安全保护性能的检测

2014-05-20郑俊钦

海峡科学 2014年8期

关键词：工步恒压电池组

郑俊钦

锂离子蓄电池及其安全保护性能的检测

郑俊钦

福建省电子产品监督检验所

该文主要阐述移动电话用锂离子蓄电池的充放电工作原理及其存在的优缺点，并介绍为了确保电池使用安全而设置的安全保护电路的工作原理，以实例说明安全保护性能的检测过程。

锂离子蓄电池安全保护性能检测实例

随着手机的普及使用，手机电池便成为众人关注的对象。锂离子蓄电池因其重量轻、容量大等优点而备受推崇，是目前市场上应用最广泛的手机电池。但是，在锂电池给人们的生活带来便利的同时，锂离子蓄电池爆炸伤人事件也时常见诸于报端。因此，对锂离子蓄电池的了解及其安全保护性能检测，显得尤为重要。

1 锂离子蓄电池及其工作原理

1.1 锂离子蓄电池的组成

锂离子蓄电池主要由正负极、隔膜、有机电解液、电池壳、盖板等组成。正极材料在改善电池容量方面起着非常重要的作用，应具有与电解质溶液良好的电化学相容性，温和的电极过程动力学和高度的可逆性。正极通常采用锂化合物，负极采用锂—碳层间化合物。电解质为锂盐的有机电解液。

1.2 锂离子蓄电池的工作原理

锂离子蓄电池是一种可充电电池，它没有金属锂存在，只有锂离子，主要依靠锂离子在电池正极和负极之间移动来工作。锂离子蓄电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌。充电时，锂离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态。同时,电子的补偿从外电路供给到碳负极,保证负极的电荷平衡，而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。放电时则相反。当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，经过电解质，又运动回正极，正极处于富锂状态。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

在锂离子蓄电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。锂离子蓄电池就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以锂离子蓄电池又叫摇椅式电池。

1.3 锂离子蓄电池的充放电模式

锂离子蓄电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。在恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的充电限制电压4.2V (根据正极材料不同，有的电池要求限制电压值为4.1V)，随后在控制芯片作用下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减小到预先设定值（0.02 ItA）为止，而最终完成充电。

1.4 锂离子蓄电池的优点

（1）电池电压高。商品锂离子蓄电池的工作电压为3.6V~3.9V，是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。

（2）比能量大。比能量指的是单位重量或单位体积的能量。锂离子蓄电池的比能量已经达到了180Wh/kg，是Ni-Cd电池的3倍，是Ni-MH电池的1.5倍，为手机的微型化转变提供了基础。

（3）循环寿命长。锂电子电池属充电电池，其充电次数与放电深度有关，在10%DOD（放电深度）时，通常具有大于1000次的循环寿命，在低放电深度下可以达到几万次，超过其他二次电池。

（4）安全性能好。锂离子蓄电池充放电过程中没有金属锂的出现，避免了锂电池中金属锂造成的安全问题，且不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素。

（5）自放电率低(荷电保持能力强)。锂离子蓄电池在首次充电（化成）过程中，在碳负极材料表面形成一层具有离子导电性而对电子绝缘的固体电解质中间相膜（SEI），可较好地阻止自放电的发生。在室温下，充满电的锂离子蓄电池的月自放电率为2%~3%。

（6）无记忆效应。

（7）具有快速充电能力，输出功率大。

（8）密封良好，无泄露现象。

（9）工作温度范围宽，工作温度为-20℃~45℃。随着电解质和正极的改进，期望能扩宽到-40℃~70℃.

（10）锂离子蓄电池具有放电电压稳定、较好的储存性能。

1.5 锂离子蓄电池的缺点

（1）不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大，故要求较小的放电电流密度。过大电流放电时会降低放电时间（内部会产生较高的温度而损耗能量），因此电池制造商给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流，一般放电电流在0.5 ItA以下。

（2）不能大电流充电。充电量等于充电电流乘以充电时间，在充电控制电压一定的情况下，充电电流越大，充电速度就越快。大电流充电容易造成以下情况：

①电池发热量大，内部压力骤增，极易诱发热失控，有可能对电池造成永久性的损害，甚至导致电池起火爆炸。一般常用的充电率为0.2ItA~1ItA，在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止过热损坏电池或产生爆炸。

②过大的电流充电容易造成容量不足，因为电池内部的电化学反应需要时间，充电速度过快，时间太短，则电池电极的部分活性物质没有得到充分反应就停止充电，导致生成的锂离子数量变少，即电池容量不足。这种充电不足现象随着循环次数的增加而加剧。

③由于电池存在内阻，如果电流很大，那么在电阻上消耗的电压随之增大，电池的实际电压变小。

（3）需要保护线路控制

①过充保护。电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命，过度充电使过多的锂离子插入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。过充电使电解液分解，产生大量气体，内部压力过高而导致漏液爆炸等问题。故必须恒压下充电，具体充电限制电压由制造商根据电池的材料规定，一般负极材料为石墨，限制电压为4.2V。

②过放保护。过放会导致活性物质的恢复困难，负极碳片层结构出现坍塌，而坍塌会造成充电过程中锂离子无法插入，正负极活性物质可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量也会有明显衰减。电池过放可能会给电池带来灾难性的后果，特别是大电流过放，或反复过放对电池影响更大。故也需要保护线路控制，放电终止电压由制造商规定，一般为2.5V~2.75V。

1.6 锂离子蓄电池安全保护电路的工作原理

为了保证锂离子蓄电池能够正常工作，在电池内部，一般都装有安全保护电路。

图1为一典型的锂离子蓄电池保护电路原理图。

图1 锂离子蓄电池保护电路原理图

该电路主要由两个MOSFET（V1、V2）、一个控制IC外加一些阻容元件构成。控制IC负责监测电池电压与回路电流，并控制两个MOSFET的栅极。MOSFET在电路中起开关作用，分别控制着充电回路与放电回路的导通与关断，C3为延时电容。该电路具有过充电保护、过放电保护和短路保护功能。

（1）正常状态。正常状态下，电路中IC的“CO”与“DO”脚都输出高电压，两个MOSFET 都处于导通状态，电池可以自由地进行充电和放电，由于MOSFET的导通阻抗很小，通常小于30 mΩ，因此其导通电阻对电路的性能影响很小。此状态下保护电路的消耗电流为μA级，通常小于7μA。

（2）过充电保护。锂离子蓄电池要求的充电方式为先恒流充电后恒压充电。在恒流充电阶段，随着充电过程，电压会上升到充电限制电压4.2V(根据电池电极材料不同，有的电池要求充电限制电压值为4.1V)，需转为恒压充电阶段，直至电流越来越小。若此时电池控制IC检测到电压仍继续上升，其“CO”脚将由高电压转变为零电压，使V2由导通转为关断，锂离子蓄电池立即停止充电，从而防止锂离子蓄电池因过充电而损坏，起到过充电保护作用。

（3）过放电保护。电池在对外部负载放电过程中，其电压会随着放电过程逐渐降低。当控制IC检测到电池电压低于2.3V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，其“DO”脚将由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断了放电回路，使电池无法再对负载进行放电，从而防止锂离子蓄电池因过放电而损坏，起到过放电保护作用。

（4）短路保护。电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使U>0.9V（该值由控制IC决定，不同的IC有不同的值）时，控制IC 则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使V1由导通转为关断，从而切断放电回路，起到过电流或短路保护作用。