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1、 14 锂离子电池 141 锂离子电池特性自20世纪90年代初锂离子电池上市以来，锂离子电池以其高比能密度和使用寿命长而受到重视，采用聚合物（高分子材料）做电极和电解质材料的研究开发尤为引人注目。目前市面上所使用的二次电池主要有镍氢与锂离子电池两种，而且随着便携式电子设备的应用越来越广、市场需求越来越多，这些电池的需求量也随之增加。基于如此广阔的市场，世界各大电池公司为了在这个市场领域中取得领先的地位，无不致力于开发具有更高能量密度、小型化、薄型化、轻量化、高安全性、长循环寿命与低成本的新型电池。其中，聚合物锂离子因为具有上述各项优点，更是各家厂商致力研发的目标。聚合物锂离子电池基于安全、轻薄
2、等特性，符合便携、移动产品的要求，因此，在未来23年内，聚合物锂离子电池取代锂离子电池市场的份额将达 50，被称为21世纪移动设备的最佳电源解决方案。 1锂离子电池锂是一种金属元素，其化学符号为Li（其英文名为lithium）, 是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属，在金属中是最轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃（电视机上用的荧光屏玻璃）及锂离子电池。在锂离子电池中它用做电池的阳极。 以聚合物固体电解质代替液体电解质来制造聚合物锂离子蓄电池（LIP）是锂离子蓄电池（LIB）的一个重大进步，其主要优点是具有高的可靠性和加工性，可以做成全塑结构，从而使制造超薄及自由度大
3、的电池的愿望得以实现。1992年，锂离子蓄电池实现商品化，1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。它标志着锂离子蓄电池发展的一个新高潮的到来。 锂离子电池有各种形状（圆柱形、长方形等）, 以适合不同产品的需要，其容量一般有几百毫安时到几安时。另外，有将几个锂离子电池串联在一起，并与电池保护器封装在一起的电池组。锂离子电池的额定电压为36V（有的公司的产品为37V）, 电池充满电时的电压（称为终止充电电压）与电池的阳极材料有关：阳极材料为石墨时为42V；阳极材料为焦炭时为4IV。另外，它们的内阻也不相同，焦炭阳极的略大，故其放电曲线也略有差别。锂离子电池终止放电电压为25V（各电池制造厂的参数略
4、有不同）, 如果锂离子电池在使用过程中电压已降到25V后还继续使用，则称为过放电（或过放）, 对电池是有损害的。锂离子电池不适合大电流放电，过大的电流放电会降低放电的时间。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。一种容量为3 Ah的锂离子电池，在 07 5 A电流放电时，工作时间为4h。若以2A电流放电，本应工作l5h，但实际为125h(相当于25 Ah了）；若以3 A电流放电，本应工作1H，但实际为06 h,(相当于18 Ah了) 这是因为大电流放电时，内部有较大损耗的缘故。因此，不同容量的电池由电池制造厂给出允许最大的放电电流值。现代电池的基本构造包括正极、负极与电解
5、质三项要素。作为电池的一种，锂离子电池同样具有这三个要素。一般锂离子电池使用液体或无机胶体电解液，因此需要坚固的外壳来容纳可燃的活性成分，这就增加了电池的质量和成本，也限制了尺寸大小和造型的灵活性。一般而言，液体锂离子二次电池的最小厚度是6 mm，再减少就比较困难。而所谓聚合物锂离子电池，是在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为其主要的电池系统。新一代的聚合物锂离子电池在聚合物化的程度上已经很高，所以形状上可做到薄型化（最薄05mm）任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性，从而可以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池。同时，聚合物拥离子电池的单位能量比目前的
6、一般锂离子电池提高了50 其容量、充放电特性、安全性、工作温度范围、循环寿命与环保性能等方面都较馊离子电池有大幅度的提高。目前市面上所销售的液体锂离子(LiB）电池在过度充电的情形下，容易造成安全阀破裂而起火的情形，这是非常危险的，所以必须加装保护IC线路以确保电池不会发生过度充电。而高分子聚合物锂离子电池相对液体锂离子电池而言具有较好的耐充放电特性，因此对外加保护IC线路方面的要求可以适当放宽。此外在充电方面，聚合物锂离子电池可以利用IC定电流充电，与锂离子电池所采用的 CCCV（Constant Current-Constant Voltage）充电方式所需的时间比较起来，可以缩短许多的等
7、待时间。未来小型二次电池的市场趋势如下。 (1）在若干年内，锂离子电池(非水溶济电解质及聚合物固体电解质类型）将成为各类便携式电子设备的首选电源。 (2）镍镉电池的应用范围将逐渐减小。(3）目前广泛使用的镍氢电池的市场份额也将减小，而让位于锂离子电池（特别是聚合物锂离子蓄电池）.锂电池充电要求随着便携式电子设备的迅猛发展及电池技术的进步，现已开发出多种新型电池，其中发展最快的是可充电电池。在镍镉电池后相继开发出镍氢电池、锂离子电池及最新发展的锂聚合物电池。锂离子电池镍镉电池镍氢电池在主要性能上的比较见表1- 1。由表1-1可看出，锂离子电池的单位质量能量密度及单位体积能量密度都是最高的，即同样
8、的电池质量、同样的电池体积，在同样的负荷电流时，锂离子电池的两次充电的时间间隔是最长的，并且它的自放电率最低，也无记忆效应。由于有这些优点，虽然目前它的价格较贵，但仍然是便携式电子设备，如移动电话、PDA、掌上电脑等产品的最佳选择。锂离子电池在充电过程中充电电压高于规定电压，充电电流超过规定电流；或在放电过程中有过大的放电电流；放电到终止放电电压还继续放电，就会损坏电池或使之报废。因此各半导体器件公司纷纷开发出各种安全、高效的锂离子电池充电器IC及锂离子电池保护器IC，这保证了银离子电池充电、放电的安全。MAXIM公司、TI公司、LT公司、ADI公司、MICREL公司、沛亨公司等近年来开发了多
9、种新型锂离子电池充电器IC，其中沛亨公司生产了系列锂离子电池保护器IC。锂离子电池需要精密的充电电路以保证充电的安全及充满，另外也要使用方便及低价。锂离子电池充电的要求如下。(1）终止充电电压精度在额定值的1之内（过电压充电可能对锂离子电池造成永久性损坏）(2）锂离子电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用，虽然某些电池充电率可达2C(C为电池的容量),但常用的充电率为(05l）C。采用05C充电率时，因充电过程的电化学反应会产生热，有一定的能量损失。(3）锂离子电池充电并非全部采用恒流充电，还有恒压充电，所以实际充电时间为25h左右。(4）锂离子电池充电的温度在0600C之间。如果
10、充电电流过大会使温度过高，不仅会损坏电池，而且可能引起爆炸。因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时能停止充电以保证安全。(5）充电器电路中有设定的限流电阻，保证充电电流不超过设定的限制电流。锂离子电池对温度有一定的要求，电池生产厂给出了电池充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。锂离子电池对充电的要求是很高的，它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的士1（例如，充42 V的锂离子电池，其允差为士0042V）,过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流（过热）一般常用的充电
11、率为0251C(C是电池的容量，如 C800mAh，1C充电率即充电电流为 800mA), 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。 锂离子电池终止放电电压为25V，若电池中没有电池保护器或电子产品中没有电池终止电压检测电路，则可能造成过放（低于25V）, 严重的过放会造成电池失效。 完善的充电器可对过放的电池进行挽救修复，即在充电前进行预处理。充电前检测电池的电压：若电池电压大于25V，则按正常方式充电；若电池电压低于25V，则用小电流（约110 C的电流）充电，充到电池电压力25V后再按正常方式充电。这种预充电的方式称为预处理。 目前锂离子电池充电器常采用三段充电法
12、，即预处理、恒流充电（快充）、 恒压充电（充满）。开始以设定的恒流充电，电池电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低，充到接近42V时，恒流充电阶段结束。接着以42V恒压充电，在恒压阶段充电时，电压几乎不变（或稍有增加）， 充电电流不断下降。当充电电流下降到110C时，表示电池已充满，终止充电。 锂离子电池的充电过程与镍镉、镍氢电池的充电过程是完全不同的。因此，锂离子电池不能借用一般的镍镉、镍氢电池充电器来充电。一般的通用充电器（既能充镍镉、镍氢电池，也能充锂离子电池）的性能不如锂离子电池专用充电器的好。即使是锂离子电池充电器，也必须分清楚是充 41V电池的还是充 42V电池的。 142
13、 聚合物锂离子电池结构及性能 1聚合物锂离子电池结构 聚合物锂离子电池的正极活性物质为钴酸理，负极活性物质为碳，含在电极及隔膜里的电解质是聚合物胶体电解质，为确保锂离子电池组的安全性，同时还要满足所要求的性能，聚合物锂离子电池又做了如下的开发。 （1）把负极材料碳变更为石墨，使放电电压更平稳。 （2）改进了负极板的制造方法，使活性物质达到了高填充密度。 （3）探讨了电解质的种类和浓度，使之能长期抑制薄铝片的分层，同时提高了电池的性有。 （4）通过聚合物与溶质比率的最佳化，改善了耐漏液性能。 锂聚合物电池的优点如下。 （1）形状的自由度高。 （2）薄型、轻量。是因采用薄铝片做电池外壳的结果，在以
14、前的技术基础上对使用各种构成、新接方法的薄片材料进行了试验。最后采用以铝箔为基村、外层用PET膜、内层用聚丙烯膜（密封胶）的薄片材料。 （3）各种构成材料的厚度是PET膜12 m、铝5 0m、聚丙烯膜50m。各种材料之间隔新合方法采用独立开发的新合方法，从而提高了耐电解液性，同时又保持了自身的强度。便携式电子设备电源设计需要系统的思维，在开发由电池供电的设备时，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的结构、产品的特性、元件的选择、软件的设计和功率分配等。同样，在便携式电子设备设计中，也要充分考虑采取节省电池能量和提高电源效率的电源管理技术。例如，现在便携式电子设备的处理器一般都设有几个不同
15、的工作状态，通过不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可降低功耗。在开发一个高效电源管理系统时，必须先从理解电源的特性和要求着手，高效电源管理技术的应用需要具备有关负荷类型和特性。在便携式电子设备中，有两种需要电源管理的应用：数字子系统（核心与 IO）和信号路径（模拟或射频）, 两者对性能的折衷要求也各不相同，只有采取不同的设计方法才能保证系统的最佳性能。 （1）微处理器与IO电源管理。在大多数便携式电子设备中，数字子系统（微处理器与数字I/O）的耗电量在总功耗中占有很大的比例，许多子系统中的处理器必须一直有电源供应，包括处于等待状态下。在现代的数字子系统中，这种对高效率的需求变得更加复杂，并且电源电压UCC，比输入电压低得多，最低可达1V。这些因素结合在一起，促进了对高精度变换器的需求。 开关式DCDC变换器可以避开线性变换器效率低的问题，通过使用低电阻开关和电感器实现了高达9 6的效率，极大地降低了转换过程中的功率损失。由于开关式DCDC变换器工作在超过1MHZ的高开关频率上，所以外部电感器和电容器的尺寸可以缩小。开关式DCDC变换器的主要优势是稳压效率非常高，而与输出电压与输入电压（UOUTUIN）比无关。但是，开关式DCDC变换器也有不利的一面，主要是需采用电感器，电感值越小，纹波电流越大，当系统要求使用极小型元
