鋰離子電池知識(shí)簡(jiǎn)介

第一節(jié)鋰離子電池基礎(chǔ)知識(shí)

一般而言,鋰離子電池有三部分構(gòu)成:

1.鋰離子電芯

2.保護(hù)電路(pCM)

3.外殼即膠殼

電池的分類(lèi)

從鋰離子電池與手機(jī)配合情況來(lái)看,一般分為外置電池和內(nèi)置電池,這種叫法很容易理解,外置電池就是直接裝在手上背面,如:MOTOROLA191,SAMSUNG系列等;而內(nèi)置電池就是裝入手機(jī)后,還另有一個(gè)外殼把其扣在手機(jī)電池內(nèi),如:MOTOROLA998,8088,NOKIA的大部分機(jī)型

1.外置電池

外置電池的封裝形式有超聲波焊接和卡扣兩種:

1.1超聲波焊接

外殼

這種封裝形式的電池外殼均有底面殼之分,材料一般為ABS+pC料,面殼一般噴油處理,代表型號(hào)有:MOTOROLA191,SAMSUNG系列,原裝電池的外殼經(jīng)噴油處理后長(zhǎng)期使用一般不會(huì)磨花,而一些品牌電池或水貨電池用上幾天外殼噴油就開(kāi)始脫落了.其原因?yàn)?手機(jī)電池的外殼較便宜,而噴油處理的成本一般為外殼的幾倍(好一點(diǎn)的),這樣處理一般有三道工序:噴光油(打底),噴油(形成顏色),再?lài)娏劣?順序應(yīng)該是這樣的,如果我沒(méi)記錯(cuò)的話(huà)),而一些廠商為了降低成本就省去了第一和第三道工序,這樣成本就很低了.

超聲波焊塑機(jī)

其作用為:

行業(yè)內(nèi)比較好的國(guó)產(chǎn)超聲波焊塑機(jī)應(yīng)該是深圳科威信機(jī)電公司生產(chǎn)的.

焊接

有了好的超聲波焊塑機(jī)不夠的,是否能夠焊接OK,還與外殼的材料和焊塑機(jī)參數(shù)設(shè)置有很大關(guān)系,外殼方面主要與生產(chǎn)廠家的水口料摻雜情況有關(guān),而參數(shù)設(shè)置則需自己摸索,由于涉及到公司一些技術(shù)資料,在這里不便多講.

1.2卡扣式

卡扣式電池的原理為底面殼設(shè)計(jì)時(shí)形成卡扣式,其一般為一次性,如果卡好后用戶(hù)強(qiáng)行折開(kāi)的話(huà),就無(wú)法復(fù)原,不過(guò)這對(duì)于生產(chǎn)廠家來(lái)講不是很大的難度(卡好后再折開(kāi)),其代表型號(hào)有:愛(ài)立信788,MOTOROLAV66.

2.內(nèi)置電池

內(nèi)置電池的封形式也有兩種,超聲波焊接和包標(biāo)(使用商標(biāo)將電池全部包起)

超聲波焊接的電池主要有:NOKIA8210,8250,8310,7210等.

包標(biāo)的電池就很多了,如前兩年很滸的MOTO998,8088了.

第二節(jié)鋰離子電芯的基本知識(shí)

鋰離子電芯是一種新型的電池能源，它不含金屬鋰，在充放電過(guò)程中，只有鋰離子在正負(fù)極間往來(lái)運(yùn)動(dòng)，電極和電解質(zhì)不參與反應(yīng)。鋰離子電芯的能量容量密度可以達(dá)到300Wh/L，重量容量密度可以達(dá)到125Wh/L。

一、電芯原理

鋰離子電芯的反應(yīng)機(jī)理是隨著充放電的進(jìn)行，鋰離子在正負(fù)極之間嵌入脫出，往返穿梭電芯內(nèi)部而沒(méi)有金屬鋰的存在，因此鋰離子電芯更加安全穩(wěn)定。其反應(yīng)示意圖及基本反應(yīng)式如下所示：

二、電芯的構(gòu)造

電芯的正極是LiCoO2加導(dǎo)電劑和粘合劑，涂在鋁箔上形成正極板，負(fù)極是層狀石墨加導(dǎo)電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上，目前比較先進(jìn)的負(fù)極層狀石墨顆粒已采用納米碳。

根據(jù)上述的反應(yīng)機(jī)理，正極采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一種層結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定的晶型，但當(dāng)從LiCoO2拿走XLi后，其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，但是否發(fā)生變化取決于X的大小。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)X>0.5時(shí)Li1-XCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的壓倒終結(jié)。所以電芯在使用過(guò)程中應(yīng)通過(guò)限制充電電壓來(lái)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(shí)Li1-XCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。負(fù)極C6其本身有自己的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)谝淮位珊螅龢OLiCoO2中的Li被充到負(fù)極C6中，當(dāng)放電時(shí)Li回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li留在負(fù)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(fù)極C6中，一般通過(guò)限制放電下限電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(shè)計(jì)、材料及生產(chǎn)工藝生產(chǎn)過(guò)程的控制等因素密切相關(guān)。在電芯的充放電過(guò)程中，正負(fù)極材料的電極電位均處于動(dòng)態(tài)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(fù)極材料（LixC6）電位首先下降，然后出現(xiàn)一個(gè)較長(zhǎng)的電位平臺(tái)，當(dāng)充電電壓過(guò)高（>4.2V）或由于負(fù)極活性材料面密度相對(duì)于正極材料面密度(C/A)比值不足時(shí),負(fù)極材料過(guò)度嵌鋰，負(fù)極電位則迅速下降，使金屬鋰析出(正常情況下則不會(huì)有金屬鋰的的析出)，這樣會(huì)對(duì)電芯的性能及安全性構(gòu)成極大的威脅。電位變化見(jiàn)下圖：

在材料已定的情況下，C/A太大，則會(huì)出現(xiàn)上述結(jié)果。相反，C/A太小，容量低，平臺(tái)低，循環(huán)特性差。這樣，在生產(chǎn)加工中如何保證設(shè)計(jì)好的C/A比成了生產(chǎn)加工中的關(guān)鍵。所以在生產(chǎn)中應(yīng)就以下幾個(gè)方面進(jìn)行控制：

1.負(fù)極材料的處理

1)將大粒徑及超細(xì)粉與所要求的粒徑進(jìn)行徹底分離，避免了局部電化學(xué)反應(yīng)過(guò)度激烈而產(chǎn)生負(fù)反應(yīng)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(shí)在C/A比不變的情況下，安全性大大提高。處理的結(jié)果使負(fù)極材料表面與電解液有了更好的相容性，促進(jìn)了SEI膜的形成及穩(wěn)定上。

2.制漿工藝的控制

1)制漿過(guò)程采用先進(jìn)的工藝方法及特殊的化學(xué)試劑，使正負(fù)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(guò)程“團(tuán)聚”的現(xiàn)象。

2)涂布時(shí)基材料與噴頭的間隙應(yīng)控制在0.2mm以下，這樣涂出的極板表面光滑無(wú)顆粒、凹陷、劃痕等缺陷。

3)漿料應(yīng)儲(chǔ)存6小時(shí)以上，漿料粘度保持穩(wěn)定，漿料內(nèi)部無(wú)自聚成團(tuán)現(xiàn)象。均勻的漿料保證了正負(fù)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(jìn)的極片制造設(shè)備

1)可以保證極片質(zhì)量的穩(wěn)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(xiàn)機(jī)率。

2)涂布機(jī)單片極板上面密度誤差值應(yīng)小于±2%，極板長(zhǎng)度及間隙尺寸誤差應(yīng)小于2mm。

3)輥壓機(jī)的輥軸錐度和徑向跳動(dòng)應(yīng)不大于4μm，這樣才能保證極板厚度的一致性。設(shè)備應(yīng)配有完善的吸塵系統(tǒng)，避免因浮塵顆粒而導(dǎo)致的電芯內(nèi)部微短路，從而保證了電芯的自放電性能。

4)分切機(jī)應(yīng)采用切刀為輥刀型的連續(xù)分切設(shè)備，這樣切出的極片不存在荷葉邊，毛刺等缺陷。同樣設(shè)備應(yīng)配有完善的吸塵系統(tǒng)，從而保證了電芯的自放電性能。

4.先進(jìn)的封口技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外方形鋰離子電芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口技術(shù)，它是利用YAG棒（釔鋁石榴石）激光諧振腔中受強(qiáng)光源（一般為氮燈）的激勵(lì)下發(fā)出一束單一頻率的光（λ=1.06mm）經(jīng)過(guò)諧振折射聚焦成一束，再把聚焦的焦點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)電芯的筒體和蓋板之間，使其熔化后親合為一體，以達(dá)到蓋板與筒體的密封熔合的目的。為了達(dá)到密封焊，必須掌握以下幾個(gè)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(jī)。

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(tǒng)一純度的氮?dú)獗Ｗo(hù)，特別是鋁殼電芯要求氮?dú)饧兌雀撸駝t鋁殼表面就會(huì)產(chǎn)生難以熔化的Al2O3（其熔點(diǎn)為2400℃）。

四、電芯膨脹原因及控制

鋰離子電芯在制造和使用過(guò)程中往往會(huì)有腫脹現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)分析與研究，發(fā)現(xiàn)主要有以下兩方面原因：

1鋰離子嵌入帶來(lái)的厚度變化

電芯充電時(shí)鋰離子從正極脫出嵌入負(fù)極，引起負(fù)極層間距增大，而出現(xiàn)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(guò)程中，如漿料分散、C/A比離散性、溫度控制都會(huì)直接影響電芯電芯的膨脹程度。特別是水，因?yàn)槌潆娦纬傻母呋钚凿囂蓟衔飳?duì)水非常敏感，從而發(fā)生激烈的化學(xué)反應(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)生的氣體造成電芯內(nèi)壓升高，增加了電芯的膨脹行為。所以在生產(chǎn)中，除了應(yīng)對(duì)極板嚴(yán)格除濕外，在注液過(guò)程中更應(yīng)采用除濕設(shè)備，保證空氣的干燥度為HR2%，露點(diǎn)（大氣中的濕空氣由于溫度下降,使所含的水蒸氣達(dá)到飽和狀態(tài)而開(kāi)始凝結(jié)時(shí)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(jī)率。

五、鋁殼電芯與鋼殼電芯安全性比較

鋁殼相對(duì)于鋼殼具有很高的安全優(yōu)勢(shì)，以下是不同的壓力實(shí)驗(yàn)：

注：壓力是電芯壓力為電芯內(nèi)部之壓力（單位：Kg），表內(nèi)數(shù)據(jù)為電芯之厚度(單位：mm)由此可見(jiàn)鋼殼對(duì)內(nèi)壓反映十分遲鈍，而鋁殼對(duì)內(nèi)壓反應(yīng)卻十分敏銳。因此從厚度上就基本能判斷出電芯的內(nèi)壓，而鋼殼電芯往往隱含著內(nèi)壓帶來(lái)的不安全隱患。其中鋼殼電芯型號(hào)為063448。

第三節(jié)鋰離子電池保護(hù)線路(pCM)

由第二節(jié)鋰離子電芯的知識(shí)我們可以看出,鋰離子電池至少需要三重保護(hù)-----過(guò)充電保護(hù),過(guò)放電保護(hù),短路保護(hù),那么就應(yīng)而產(chǎn)生了其保護(hù)線路,那么這個(gè)保護(hù)線路針對(duì)以上三個(gè)保護(hù)要求而言:

過(guò)充電保護(hù):過(guò)充電保護(hù)IC的原理為：當(dāng)外部充電器對(duì)鋰電池充電時(shí)，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。此時(shí)，保護(hù)IC需檢測(cè)電池電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)4.25V時(shí)（假設(shè)電池過(guò)充點(diǎn)為4.25V）即啟動(dòng)過(guò)度充電保護(hù)，將功率MOS由開(kāi)轉(zhuǎn)為切斷，進(jìn)而截止充電。

過(guò)放電保護(hù):過(guò)放電保護(hù)IC原理：為了防止鋰電池的過(guò)放電，假設(shè)鋰電池接上負(fù)載，當(dāng)鋰電池電壓低于其過(guò)放電電壓檢測(cè)點(diǎn)（假定為2.5V）時(shí)將啟動(dòng)過(guò)放電保護(hù)，使功率MOSFET由開(kāi)轉(zhuǎn)變?yōu)榍袛喽刂狗烹姡员苊怆姵剡^(guò)放電現(xiàn)象產(chǎn)生，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式，此時(shí)的電流僅0.1uA。當(dāng)鋰電池接上充電器，且此時(shí)鋰電池電壓高于過(guò)度放電電壓時(shí)，過(guò)度放電保護(hù)功能方可解除。另外，考慮到脈沖放電的情況，過(guò)放電檢測(cè)電路設(shè)有延遲時(shí)間以避免產(chǎn)生誤動(dòng)作。

過(guò)放電保護(hù)及過(guò)充電保護(hù)IC主要生產(chǎn)廠家有:美上美(MITSUMI),精工,臺(tái)灣富晶(DW01,FS301,302),理光,MOTOROLA等封裝形式主要為SOT26,SOT6

過(guò)電流及短路電流

因?yàn)椴幻髟颍ǚ烹姇r(shí)或正負(fù)極遭金屬物誤觸）造成過(guò)電流或短路，為確保安全，必須使其立即停止放電。過(guò)電流保護(hù)IC原理為，當(dāng)放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí)，保護(hù)IC將啟動(dòng)過(guò)（短路）電流保護(hù)，此時(shí)過(guò)電流的檢測(cè)是將功率MOSFET的Rds(on)當(dāng)成感應(yīng)阻抗用以監(jiān)測(cè)其電壓的下降情形，如果比所定的過(guò)電流檢測(cè)電壓還高則停止放電，運(yùn)算公式為:

V-=I×Rds(on)×2（V-為過(guò)電流檢測(cè)電壓，I為放電電流）。

假設(shè)V-=0.2V，Rds(on)=25mΩ，則保護(hù)電流的大小為I=4A。

同樣地，過(guò)電流檢測(cè)也必須設(shè)有延遲時(shí)間以防有突發(fā)電流流入時(shí)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

通常在過(guò)電流產(chǎn)生后，若能去除過(guò)電流因素(例如馬上與負(fù)載脫離)，將會(huì)恢復(fù)其正常狀態(tài)，可以再進(jìn)行正常的充放電動(dòng)作