深入一點再談鋰電池

最近幾年電池技術(shù)的革新主要體現(xiàn)在鋰電池技術(shù)上。鋰電池的容量比目前大批量生產(chǎn)的任何可充電電池（如?NiCd?NiMH?電池）的容量都大。雖然以體積為度量尺度時鋰電池的容量僅比同樣體積大小的NiMH?電池容量僅大10%~30%，但是對于便攜式設(shè)?備體積大小并非其唯一重要指標(biāo)，設(shè)備的輕重度同樣很重要。當(dāng)以單位重量計算儲能多少時鋰電池的優(yōu)勢一下體現(xiàn)出來了。NiMH?電池相對鋰而言要重些，同等質(zhì)量的容量相比鋰電池將近是NiMH?電池的?兩倍。?

????當(dāng)然，鋰電池也有許多不足或局限，如對過充電和過放電十分敏感。為了最大限度的給電池儲能，必須將電池充電至其最大電壓，但是過壓充電可能對鋰電池造成永久性損壞。同樣也不能過流充放電。同時亦有放電警告：重復(fù)放電到一個太低的電壓可能降低鋰電池的容量。?

????因此，為了保護(hù)鋰電池免遭損壞，對其充放電時必須限定電流電壓。大多數(shù)鋰電池內(nèi)部都具有某種類型的欠壓和過壓斷路電路。除此之外，典型的鋰電池內(nèi)部還包括防止過流的保險絲和當(dāng)高壓出現(xiàn)時斷開電池的開關(guān)，防止電池被損壞。NiCd?NiMH?電池需要電流源充電，而鋰電池與之不同它需要以電流源結(jié)合電壓源方式充電。鋰電池對壓充電電壓很敏感，因此為了獲得最大限度的儲能又不至損壞電池，大多數(shù)鋰電池充電器充電電壓維持在鋰電池額定輸出值?1?%容限范圍內(nèi)。采用更小的容限充電可獲得稍多一點儲能，考慮到其額外開銷和實現(xiàn)難度，這通常是得不償失。?

????鋰電池封裝內(nèi)常常包含有保護(hù)作用的MOSFET開關(guān)，當(dāng)過壓或欠壓時斷開電池回路。這些保護(hù)MOSFET?開關(guān)使鋰電池實現(xiàn)了交替充電模式，既當(dāng)采用無電壓限制的恒流源對其充電時MOSFET?開關(guān)根據(jù)需要自動閉合，自動斷開使電池電壓維持在適當(dāng)值。電池的電容有助于減慢電池電壓上升，但必須注意：當(dāng)頻率變化時其容值變化很大，并且每一個電池的電容值都不一致。?

????間歇式負(fù)載在某些應(yīng)用場合其工作電流超出了主電池負(fù)載能力。一種解決方法是配置一附加的可充電電池在大電流工作期間提供額外電流。之后主電池對輔助電池又充電以備下一個用電高峰期使用。雙向?qū)ず魴C對這種處理應(yīng)用提供了一個很好的范例。通常情形下，尋呼機靠單獨一個AA?型堿性蓄電池供電，然而當(dāng)機器工作于發(fā)射期時，單獨一個堿性電池提供的電流太小，不能滿足系統(tǒng)電流要求。因此系統(tǒng)又配備了一個?NiCd?電池在機器發(fā)射期?間向系統(tǒng)供電，在發(fā)射過程結(jié)束后（占絕大部分時間）它又被主電池充電。

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。這包括它的特性、主要參數(shù)、型號的意義、應(yīng)用范圍及使用注意事項等。
　　鋰是一種金屬元素，其化學(xué)符號為Li(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)能儲存起來，在使用時，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
　　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；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。這里舉一個例來說明：5號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號鎳鎘電池約重23g，而一節(jié)5號鋰－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。所以采用鋰電池時電池數(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。
　　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、儲存壽命長、無記憶效應(yīng)及無公害等優(yōu)點。
　　鋰電池的缺點是價格昂貴，所以目前尚不能普遍應(yīng)用，主要應(yīng)用于掌上計算機、PDA、通信設(shè)備、照相機、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，鋰電池的價格將會不斷地下降，應(yīng)用上也會更普遍。
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，并采用有機電解液的一次性電池。該電池的主要特點是電池電壓高，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；有較好的儲存性能(儲存時間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。這里列舉大家較熟悉的1＃(尺寸代碼D)、2＃(尺寸代碼C)及5＃(尺寸代碼AA)電池的主要參數(shù)，如表1所示。
　　型號中的CR表示為圓柱形鋰－二氧化錳電池；五位數(shù)字中，前兩位表示電池的直徑,后三位表示帶一位小數(shù)的高度。例如，CR14505，其直徑為14mm，高度為50?5mm(這種型號是通用的)。
　　這里要指出的是不同工廠生產(chǎn)的同型號的電池其參數(shù)可能有些差別。另外，表1中的標(biāo)準(zhǔn)放電電流值是較小的，實際放電電流可以大于標(biāo)準(zhǔn)放電電流，并且連續(xù)放電及脈沖放電的允許放電電流也不同，由電池廠提供有關(guān)數(shù)據(jù)。例如，力興電源公司生產(chǎn)的CR14505給出最大連續(xù)放電電流為1000mA，最大脈沖放電電流可達(dá)2500mA。
　　照相機中用的鋰電池多半是鋰－二氧化錳電池。這里將照相機中常用的鋰－二氧化錳電池列入表2，供參考。
　　紐扣式(扣式)電池尺寸較小，其直徑為12?5～24?5mm，高度為1?6～5?0mm。幾種較常用的扣式電池如表3所示。
　　表3中的型號CR為圓柱形鋰－二氧化錳電池，后四位數(shù)字中前兩位為電池的直徑尺寸，后兩位為帶小數(shù)點的高度尺寸。例如，CR1220的直徑為12?5mm(不包括小數(shù)點后的數(shù))，其高度為2?0mm。這種型號表示方法是國際通用的。
　　這種扣式電池常用于時鐘、計算器、電子記事本、照相機、助聽器、電子游戲機、IC卡、備用電源等。
　　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℃時的容量約為常溫容量的50％。自放電率低(年自放電率≤1％)、儲存壽命長達(dá)10年以上。
　　常見的1＃、2＃及5＃圓柱形鋰－亞硫酰氯電池的參數(shù)如表4所示。
　　以1＃(尺寸代碼D)鎳鎘電池與1＃鋰－亞硫酰氯電池的比能量作一個比較：1＃鎳鎘電池的額定電壓為1?2V，容量為5000mAh；1＃鋰－亞硫酰氯的額定電壓為3?6V，容量為10000mAh，則后者的比能量比前者大6倍!
應(yīng)用注意事項
　　上述兩種鋰電池是一次性電池，不可充電(充電時有危險!)；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，應(yīng)從電子產(chǎn)品中及時取出；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，使用時不要搞錯以免損壞電路。通過熟悉型號中的CR、ER就可以知道它的種類及額定電壓。在購買新電池時，一定要按原來的型號來買，否則會影響電子產(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，鋰離子電池及國外新開發(fā)的鋰-聚合物電池等。這里僅介紹前兩種，重點介紹鋰離子電池。
　　可充電鋰離子電池是目前手機中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過充、過放(會損壞電池或使之報廢)。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)在手機已十分普遍，手機中一部分是鎳氫電池，但靈巧型的手機則是鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對延長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、無機鹽的有機溶劑為電解質(zhì)組成。它的特點是可以充電。以2號電池為例，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，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方形、圓柱形、長方形及扣式，并且有由幾個電池串聯(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，過放對電池會有損害。
　　鋰離子電池不適合用作大電流放電，過大電流放電時會降低放電時間(內(nèi)部會產(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）。在大電流充電時往往要檢測電池溫度，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階段：先恒流充電，到接近終止電壓時改為恒壓充電，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，開始時電池電壓以較大的斜率升壓，當(dāng)電池電壓接近4.2V時，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，認(rèn)為接近充滿，可以終止充電(有的充電器到1/10C后啟動定時器，過一定時間后結(jié)束充電)。
　　各種鋰離子電池的型號中的6位數(shù)字，前兩位為高度尺寸，中間兩位為寬度尺寸，后兩位為長度尺寸(mm)。例如LIS063048，其高為6.7mm，寬為29.9mm，長度為48mm。
　　型號的四位數(shù)字中，前兩位為直徑，后兩位為帶一位小數(shù)點的高度尺寸。例如LIR2025，它的直徑為20mm，高度為2.5mm。

　　應(yīng)用注意事項
　　鋰離子電池應(yīng)用注意事項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：
1. 鋰離子電池有4.1V及4.2V終止充電的不同品種，因此在充電時注意的是4.1V的電池不能用4.2V的充電器充電，否則會有過充的危險(4.1V與4.2V的充電器用的充電器IC是不同的!)。
2. 對電池充電時，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：
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，會產(chǎn)生較高的溫度(損耗能量)，減少放電時間，若電池中無保護(hù)元件會產(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間也不同。在-20℃放電時情況最差。
在貯存方面：
1. 電池若長期貯存，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。