高性能锂离子电池

上世纪90年代初，锂离子电池走出实验室，并很快实现商业化生产。以锂离子化学为基础的电池，其输出电压通常是镍镉电池或镍氢电池的三倍，输出电能总量是同样大小镍镉电池的两倍。锂离子电池储存的电功率目前已经能够达到2200毫安-小时，所以设计人员经常选用锂离子电池作为便携式设备的电源。

锂离子电池与镍氢电池或镍镉电池相比有两个明显的优点：重量轻和储能密度高(见图1)。每个锂离子电池可以提供的能量密度大约为100瓦特-小时/公斤或200瓦特-小时/升，输出电压可在4.2V~3.7V。由于这类电池的自放电率很低，所以比较适合在使用期限长，但不经常使用的设备中作为电源使用。

Kamen Nechev说：“使用者应该知道锂离子电池有两种类型：一种是普通的锂离子电池，另一种是新型锂聚合物电池。”Kamen Nechev是Saft公司Cockeysville医学设备部的高级科学家。 锂聚合物电池使用固态的聚合材料作为电解质。“这种电解质在室温下导电性能不好，”Kamen Nechev接着说，“因此锂聚合物电池需要高温(80℃~100℃)环境才能正常工作，所以锂聚合物电池的用处很有限。”

“所以现在当人们谈论起锂聚合物电池时，通常是指采用有机电解质的电池，在电池的两个电极之间充满了冻胶状聚合物材料，”Kamen Nechev接着说。“这种不含水份的电解质在聚合体内能保持稳定。在小型电池中(电容量< 500毫安-小时)，这种电池结构可以提供比较高的安全性，但功率密度会因此而稍微减小一些。但对尺寸大的电池来说，并不能因此而提高安全性。”

软封装和冻胶状电解质提高了安全性。当充电超过规定的容量时，软封装的电池比采用金属外壳封装的液体电解质的锂离子电池发散压力容易得多，因而也就更加安全。这种冻胶状电解质天生就能减缓离子的传送，因此就能防止电池电流的急剧增大，从而减少电池内部在短时间内聚集起过多的热量。

图1  锂离子电池的化学机理使其与其他类型的电池相比性能

更杰出(即提供高的能量密度)。

 

图2 典型锂离子电池的放电曲线，显示在不同的放电速率下，输出电压随时间的改变。2.0C那条曲线(放电速率为正常放电时间为一个小时时的放电速率的两倍)表示一个30分钟的放电过程。

 

 

图3  Saft公司的大号电池，能够在很短的放电时间内提供很大的电流。而且需要长期供应电能的应用场合也可以使用大号电池。

 

能量和功率

锂离子电池制造商让用户来选择需要电池能量还是功率。Valence Technology公司的工程部主任Rick Thompson说：“电池以规则的、适当的速率给诸如笔记本电脑之类的设备提供电力。一块标准的电能容量为2200毫安-小时的‘18650’圆柱型电池，如果以1100毫安电流放电，可以维持两个小时。”图2中的C表示的是电池的电荷，不是库仑。

随着电池放电速率的增加，电池的能量效率就逐步降低。请看一个例子：标称电能容量为2000毫安-小时的电池，如果以2000毫安电流放电，应该可以维持一个小时，但实际上如按照此速率放电，只能提供1900毫安-小时的能量，即只有9 5%的储存电能。若用更大的电流放电，假设在20分钟内把电池的能量放完，则电池只能供应1600毫安-小时的电能，即能量效率只有80%。有些应用需要较大的功率，即必须在较短的时间内给出较大的电流，为此制造厂商提供了功率型电池，这种电池为了提高输出的功率，必须以牺牲一部分储存的能量作为代价。功率电池可以规定只允许充入1700毫安-小时的电能，它可以在很宽的放电速率范围内输出1700毫安电流。

 “人们存在一个错误观念，认为锂离子电池只能做成小号电池，储存的电能也不多，” Kamen Nechev说，“我们制造了可以以500安培电流放电20秒的电池。这种电池可以用在诸如激光或微波干扰台等定向能量系统。锂离子电池也能在很低的温度下工作，最低可以达到 -40℃，可用于飞机或各种车辆。当然，这种电池需要特殊的构造，与移动电话中所使用的锂电池构造不同。”(见图3)

为在锂离子电池中储存更多电能，许多电池制造商付出了很大努力，英特尔公司可能会给他们一些帮助。用在笔记本电脑上的英特尔Centrino芯片(1.7GHz)，采用自动关掉部分电路电源的方法，即不使用某功能时就切断这部分的电源，只有当必需接通这部分电源时才启动的管理方法，以节省电能，使电池可以持续使用长达400分钟。标准配置的奔腾4(2.6GHz)笔记本电脑，若使用同样电能容量的电池，则只能维持290分钟。

随着制造商不断地在移动电话产品中增加新的功能和特色，电池的使用周期却越来越短。根据《华尔街》杂志报道，日本生产了一款新手机，可以接收电视和广播节目，但是电池只能维持手机运行一个小时。

 

两种形状电池满足大部分需要

虽然薄片电池可以在一些应用场合找到用武之地，但大多数锂离子电池只采用两种形状：圆柱状和矩形块状，也称为棱柱状。通常圆柱状的电池可以提供较高的电能密度，而随着棱柱状电池的尺寸减小，其电能密度也随之减小。

圆柱型电池的横截面看起来象是一个由导体、绝缘体和电解质组成的果冻卷。最常用的棱柱型电池看起来象是一个压扁的果冻卷，因为它是环绕着一个扁平的心轴，而不是环绕着一个针状物卷起来而形成的。除了提供圆柱型和棱柱型电池外，Valence Technology公司也提供由Bellcore公司开发的叠板技术(stacked plate technology)。“我们可以在电极上冲孔，把它们堆叠起来，然后放在一个柔性的包装内形成电池。”Valence Technology公司的Rick Thompson说(见图4)。

多层电极构造在几年前就受到众多关注，当时工程师们正在思考如何设计特殊形状的电池。由于定做特殊形状的电池价格比较高，因此迫使厂商提供标准尺寸的系列电池。但客户仍然可以定做特殊形状的电池，只是需要付一笔相当可观的定制(NRE)费。

 

电池尺寸

通常在指定电池尺寸的规格时，很容易搞错。例如18650这个数表示直径为18毫米，高为65毫米的圆柱型电池。棱柱型电池的尺寸规格也使用类似的数字表示方法，例如，383555表示3.8mm×35mm×55mm的棱柱形电池。十进制小数点的随意浮动很容易造成混乱，所以还需要查看数据手册，进一步核实不同标号电池的尺寸大小。

仔细阅读有关充电信息的说明书也很重要。大多数锂离子电池并不需要复杂的充电线路—只要能提供恒定的电流(速率为C/2)并能保持4.2V的恒定电压就可以了。当电池电压达到4.2V时，电流应该降到100毫安，表示电池已充满。有些电路还可以继续施加很小的电流或者浮动的电荷。充电通常需要花一到三个小时。加拿大的Cadex公司是一家电池测试器和充电器的制造厂，建议用户最好用4.1V电压充电，这样可以延长锂离子电池的使用寿命。但是为了延长电池的使用寿命，代价是减少了10%的电能容量。

产品大规模上市后，我们将会看到锂离子电池的电容量在其使用寿命期间，会出现某种程度的下降，一般可以进行300到500次充/放电过程(见图5)。这一类电池寿命从出厂时算起，而不是从第一次充电算起，大约为两到三年。

“制造厂家可以提供寿命长达10到15年的锂离子电池”Saft公司的Nechev先生说。 “有些放电彻底的电池，可以经得起5000次充放电循环，还有一些放电不彻底的电池，例如用在汽车里的锂离子电池，每次放电只占总容量的2%到3%，可以经得起一百万次充放电循环。”

 

电池需要保护

锂离子电池的内部需要有监视温度、电压和电流的保护电路，以保证电池在规定的工作极限条件下运行。使用者不得改变这些电路，但是必须知道电路的存在和作用。如果电池变得很热，其保护电路就会把线路断开。如果电压降至预先设定的极限下(一般降到3.2V 至 3.0V)，电池也会断开。如果放电的电流太大，电池内部的保险丝也会开路。

有些保护电路具有可编程性，特别在充电期间，它们可以监视电池运行。电池技术指标说明书还提供了内部保护电路的 *** 作说明。

图4  Valence Technology公司等制造厂商可以为特殊应用提供多种尺寸的锂离子电池。电池结构可以采用多层电极和电解质材料的方式或卷轴方式。

 

图5  批量上市的锂离子电池在其使用寿命期间一般只能经得起几百次充放电循环，而且电池所储存的电量每次充放电后都有所下降。

 

电池技术的进步

不同类型的锂离子电池化学原理也有些不同。许多电池采用锂-钴阴极，但是其化学原理要求当输出电压降到大约3.2V时，就关闭电池。Saft公司采用了基于锂-镍氧化物的阴极，可以使锂离子电池能提供更高的能量和更大的功率。“虽然基于钴的电池很容易制造，” Saft公司的Nechev先生说。“但是我们正在市场上积极促销基于镍化学原理的大号锂离子电池，这类电池能提供很高的能量和很大的功率。”

Saft公司最近与美国国防部签订了一个合同，为美国陆军改进的目标采集系统(ITAS)替换老式的银-锌电池。老式的电池需要使用有腐蚀性的电解液。Saft公司不只提供电池，而是提供了一套完整的系统，其中包括坚固结实的外壳、电池和包括自测试能力在内的控制电子设备。老式银-锌电池的有效使用期限一般只有一年，而替换后的锂离子电池可以使用许多年。

Valence Technology公司还提供另一种基于磷酸盐的阴极材料。磷酸盐本质上就很安全，经得起过充电、短路和高温。若确实发生上述情况，磷酸盐不会燃烧也不易发生热量的失控。

Valence Technology公司宣布，该公司目前的Saphion技术使锂离子化学性能在输出电压为3.2V时能量密度方面只有少量的降低，而锂-钴阴极的电池此时的输出电压为3.7V。据Valence Technology公司的Rick Thompson说，“下一代Saphion电池应该达到或者超过目前锂离子技术的能量密度，并且输出电压将与锂-钴电池相同。”