鋰離子動力電池的性能選擇及安全性保護

郭芙琴

（延安職業技術學院 陜西 延安 716000）

在電子設備應用中，電池的關鍵指標是使用壽命。從表面上看，這只是一個簡單的規格，但它卻涉及到了許多因素，其中包括：系統負載（滿負荷電流的供電時間，部分電路或微安級電流供電時間）、電源效率、系統電源管理、電池類型和充電方式。根據電池的化學性質，電池和系統之間的相互制約是設計中不容忽視的問題，保證電池的容量與系統的需求相吻合非常關鍵。常用的電池類型有：堿性電池、鎳氫電池和鋰離子電池。它們之間是不可互換的，絕大多數產品都有一個最佳選擇方案。

堿性電池是不可充電電池，它們具有極低的自放電率和成本，對于功耗較低的應用，堿性電池將是一個很好的選擇，但需合理使用，靜態電流或休眠電流都必須很低。即在設計中，不僅要關注工作效率，還要注意“關閉或休眠”狀態下的電流損耗；當負載對于堿性電池而言過大時，需選用可充電電池，如鎳氫電池和鋰離子電池，這對于筆記本電腦，PDA和蜂窩電話等便攜式產品已經成為標準模式。可充電電池要盡可能少地“打擾”用戶，對產品有促進作用，至少不會降低產品的性能。

文中從鋰離子電池的選擇、成本、性能、制造和安全性等方面論述了鋰離子電池的選擇標準，分析改進制造技術及材料的性能，提出解決安全性保護的具體措施。

1 選擇動力鋰離子電池產品的基本標準

有著“終極能源和綠色能源”之稱的鋰離子電池，從電子類產品中的紐扣電池，手機、DC類數碼產品中的鋰電池，到電動汽車中的動力蓄電池，被日益廣泛應用在人們的生產和生活中。同其他電池相比，鋰離子電池不管是從體積上、重量上、還是性能上，都有著很大的優越性。

1）要使用在合理電壓容量范圍之內的鋰電池。片面地追求超大容量，超高電壓的做法是錯誤的。因為任何事物都要經過一個由簡單到復雜，由難到易的過程，就好比同樣是易燃氣體，有效保證打火機的安全是比較容易的，想有效保證汽車油箱的安全就要難得多，至今仍然沒有完全解決撞車時汽車起火爆炸的情況。在一個有限的體積內積聚的能量越多就越不好管理，目前蘇州星恒只能保證最大48 V10 Ah的電池組合的安全性。而且電壓越高，容量越大，保護電路和均衡電路的難度和故障率就越大，因此蘇州星恒不提倡、不支持超出48 V10 Ah的電池組合。

2）要看鋰電池的安全性測試認證。一是UL認證。UL標志已成為世界著名的安全認證標志之一。測試項目必須達到一定的標準，如：①殼體的強度與剛度不致引起著火、傷人；②電解質應無毒、防漏；③使用時應有正常的充電電流；④漏液或泄漏質量損失不超過lg0．5%；⑤機械試驗樣品按規格應不起火、不爆炸；⑥充放電試驗樣品應不出現任何安全性事件；⑦電池應標識warning，并有相應的描述。二是Extra Energy標準。Extra Energy認證是一個非營利性的組織，總部在德國坦拿，主要工作是集中全球的輕型電動車的中立性信息，并提供增值服務，其中相關鋰電池的安全性檢測非常嚴格、嚴謹，得到大部分歐洲客戶的認可。其主要是規范測試方法、校準試前狀態、確定測試標準，保證非正常充電、短路和重物擠壓時電池不起火、不爆炸。三是CE認證。近年來，在歐洲經濟區市場上銷售的商品中，CE認證標志的使用越來越多，加貼CE認證標志的商品表示其符合安全、衛生、環保和消費者保護等一系列歐洲指令所需表達的要求。

NiMH電池成本比鋰離子電池低，當產品的正規使用狀況對電池而言不安全時，這種選擇將變得很敏感。這一問題對于缺少復雜的充電設計的低成本產品更為重要。因為NiMH電池適于完全充滿和完全放電的過程，這對于常常會將電能完全耗盡的產品比較合適，如：電動工具。許多攜帶式產品需要定期充電，但它們只是偶爾消耗電能。這些產品最好選用鋰離子電池，除了重量密度外，這種電池還具有兩個重要優勢：低自放電率，對于短時間的充放電沒有限制。消費者不用考慮“電池管理”問題，簡化了產品使用[1]。

2 改革制造技術，提高電池性能、降低成本

1）日本PRIMIX公司開發出了大量生產鋰離子充電電池時使用的新制造技術。這就是可通過連續處理電極漿料來進行生產的 “CDM工藝”，與原來采用間歇式混合機的方式相比，可削減工場的占地面積，耗電量及人工費等，提高質量的同時降低成本。電極漿料即用于在電極板上涂布的電極流體材料，通過在粘合劑及溶劑等液體中混入電極活性物質及導電材料等粉末構成。其涂布技術會給產品的性能、質量及成本帶來巨大影響[2]。

在目前的鋰離子充電電池的制造工序中，電極漿料的混合工序還不是連續處理工藝，仍然以采用間歇式混合機的間歇處理為主流。在今后需求急劇擴大的車載用途方面，從最初起就進行大規模產量的計劃連續不斷，為此需要采用通過連續處理來制造電極漿料的工藝。

2）鋰電池雖已成為現代社會的便攜能源，但“有鋰有憂”[3]。盡管鋰電池很好，仍不能承擔艱巨任務，驅動一代電動汽車。主要是沒有足夠的電流，或者不能一遍又一遍地快速釋放電流。問題在于鋰電池的陰極，鋰電池中的陽極材料的單位容量，石墨和硅都是370mAh/g。相反，陰極的單位容量，磷酸鋰鐵是170mAh/g，層狀氧化物只有150mAh/g。因此，未來方向就是尋找一種方法，改善陰極的比容量，同時保持鋰電池所要求的其他特征，如令人滿意的能效和良好的充電循環壽命[4]。

日前，斯坦福大學的王海亮等為了這個目標，研究出硫作為所選陰極材料，使用少數靈巧的納米工程技術改變性能。他們的竅門是制作亞微米硫粒子，并且給它們涂上一種塑料，成為聚乙二醇或聚氧乙烯，這就絆住了多硫化物，防止它們被沖走。然后包裹在石墨烯籠中，通過碳和硫之間的相互作用，使粒子導電，也支持粒子，因為在每個放電周期，這些粒子都會膨脹和收縮。所產生的陰極，可保持的比容量大于600mAh/g，超過100個充電周期，很快使可充電鋰電池具有更高的能量密度。

3）提升電池性能，期待石墨烯納米材料[5]。石墨烯是從石墨材料中剝離出來的、由碳原子組成的二維晶體，只有一層碳原子的厚度，是迄今最薄也堅硬的材料，其導電、導熱性能超強，遠遠超過硅和其他傳統的半導體材料。很多人認為，石墨烯可能取代硅成為未來的電子元件材料，在超級計算機、觸摸屏和光子傳感器等多個領域“大顯身手”。美國科學家制造出了一種由石墨烯和錫層疊在一起組成的納米復合材料，這種可用來制造大容量能源存儲設備的輕質新材料可用于鋰離子電池中，其“三明治”結構也有助于提升電池的性能。

在最新研究中，他們將一層稀薄膜沉在石墨烯上，接著在稀薄膜上方放置另一層石墨烯，然后不斷重復這個過程制造出了這種復合材料。并對材料進行了熱處理，通過在一個充滿氫氣和氬氣的環境中將其加熱到300℃，錫薄膜轉變成很多柱子，增加了錫層的高度，最上層與最底層石墨烯之間的距離也會不斷變化以適應錫層高度的變化。新納米復合材料中石墨烯層之間高度變化會對電池的電化學循環有所改善，錫高度的變化也會改進電池的性能。另外，這種適應性也意味著電池能被快速地充電，而且重復充放電也不會降低其性能，這對電動汽車內的可充電電池來說非常重要。

3 鋰離子動力電池的安全性及保護措施

雖然，鋰離子二次電池的安全性相對于金屬鋰有了很大提高，但仍然存在著許多隱患，如：由于電池的比容量高，且電解液大多為有機易燃物等，當電池熱量產生速度大于散熱速度時，就有可能出現安全性問題。根據Ph．Biensan等的研究證明：鋰離子電池在濫用的條件下有可能產生使鋁集流體熔化的高溫（﹥700℃），從而導致電池出現冒煙、著火、爆炸、乃至人員受傷等情況。因此對鋰離子電池的研制和生產來說，電池的安全性不僅是指在各種測試條件下不出現以上意外現象，最重要的事確保人員在電池濫用的條件下不受傷害。

1）鋰離子電池的安全性由其自身特點決定的。①電池能量密度很高，如果發生熱失控反應，放出的很高的熱量容易導致不安全行為發生；②鋰離子電池由于采用有機電解質體系，有機溶劑是碳氫化合物，在4．6 V左右易發生氧化，并溶劑易燃，若出現泄露等情況，會引起電池著火，甚至燃燒、爆炸；③鋰離子電池過充電反應會是正極材料結構發生變化而使材料具有很強的氧化作用，使電解液中溶劑發生強烈氧化，并且這種作用是不可逆的，反應引發的熱量如果積累會存在引發熱失控的危險。因此，電池設計對安全性有很大的影響，要獲得可靠性與安全性好的鋰離子動力電池，設計時必須考慮時效性，尤其應考慮電池在使用后期的安全性[6]。

2）材料對鋰離子動力電池安全性的影響。一般而言，電池材料的熱穩定性是鋰離子動力電池安全性的重要因素。這主要與電池材料的熱活性有關，當電池溫度升高時，電池內部會發生許多放熱反應，如果產生的熱量超過了熱量的散失，就會發生熱溢潰。鋰離子電池材料之間主要放熱反應有：SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應、負極與粘合劑的反應，此外，由于電池存在電阻，使用時也產生少量熱量。

鋰離子電池正極材料一直是限制鋰離子電池發展的關鍵。和負極材料相比，正極材料能量密度和功率密度低，并且也是引發鋰離子電池安全隱患的主要原因。正負極材料的結構對鋰離子的嵌入和脫嵌有決定性影響，因而影響著電池的壽命。因此，尋找熱穩定性較好的正極材料是鋰離子動力電池的關鍵；鋰化過渡金屬氮化物及過度金屬磷族化合物有可能為鋰離子電池負極材料的發展注入新的活力；隔膜本身是電子的非良導體，但也允許電解質離子通過。此外，隔膜材料還必須具備良好的化學、電化學穩定性和機械性能，而有機電解液具有良好的熱穩定性。從根本上解決鋰離子電池安全性問題應為離子液體電解液。

3）制造工藝及制造過程與電池的安全性。鋰離子電池的制造工藝分為液態和聚合物鋰離子電池的制造工藝，無論是什么結構的鋰離子電池，電極制造、電池裝配等制造過程都會對電池的安全性產生影響。如正極和負極混料、涂布、輥壓、裁片或沖切、組裝、加注電解液的量、封口、化成等諸道工序的質量控制，無一不影響電池的性能和安全性。

4）電池使用安全與保護[7]。對于鋰離子動力電池，無論單體容量高低，必然采用電池的組合應用，如果不能精確控制，對某個單體來說，無異于濫用。鋰離子電池在實際應用中為了提高安全性，需要保護電路以防止單體的過充或過放，為此，各有關電源管理控制集成電路生產廠商都推出了自己的多節鋰電池（電池組）保護集成電路芯片，它可監控3、4節鋰離子電池的充放電狀態，并防止電池性能劣化。鋰離子電池的保護主要包括：①過充電保護。當充電器對鋰離子電池過充電時，為防止因溫度上升所導致的內壓上升，需終止充電狀態。為此，保護器件需監測電池電壓，當其達到電池過充電壓時，即激活過充電保護功能，中止充電；②過放電保護。為了防止鋰離子電池的過放電狀態，當鋰離子電池電壓低于其過放電電壓檢測點時，即激活過放電保護，中止放電，并將電池保持在低靜態電流的待機模式；③過電流及短路保護。當鋰離子電池的放電電流過大或短路情況產生時，保護器件將激活過電流保護功能。

4 結 論

鋰離子電池是最晚研究而商品化進程最快的一種高性能電池，它以其獨特的優勢目前已成為各個領域廣泛應用的新能源。鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環性能好等優點。此外，它還有自放電流小、無記憶效應和無環境污染等優點。鋰離子蓄電池經過近年來的發展，取得了長足的進步，而鋰離子動力電池雖已在市場上出現，但尚處于發展階段，越來越廣泛應用于3 G領域、電動車和混合型電動車市場領域。隨著電池體系、電池材料等安全性問題的深入研究，需從設計、生產、使用方的共同努力解決鋰離子電池安全性，避免不安全因素的發生，促進鋰離子動力電池的健康發展。

[1] 電池的合理選擇[EB/OL]．[2012-04-13]．http：//www．chinaaet．com/article/index．aspx?id=27487．

[2]王銘，李建軍，吳捍，等．鋰離子電池模型研究進展[J]．電源技術，2011（7）：862-865．

WANG Ming，LI Jian-jun，WU Han，et al．Advances on mathematical modeling of lithium-ion battery[J]．Chinese Journalof Power Sources，2011（7）：862-865．

[3]有鋰有憂，如何正確選擇動力鋰電池產品[EB/OL]．[2012-04-13]．http：//www．chinaaet．com/article/index．aspx?id=27761．

[4]李明月，陳科峰．新型鋰離子電池材料研究進展[J]．化工生產與技術，2010（4）：46-49．

LI Ming-yue，CHEN Ke-feng．Progress in new lithium ion battery ofmaterials[J]．Chemical Production and Technology，2010（4）：46-49．

[5]如何提升電池性能？期待石墨烯納米材料[EB/OL]．[2011-08-04]．http：//www．eeworld．com．cn/qcdz/2011/0804/article_4107 ．htm l．

[6]東莞貝爾實驗設備有限公司，鋰離子動力電池安全性研究進展[EB/OL]．[2011-06]．http：//www．bell0769．com．cn/bell0 769_Article_466796．html．

[7]吳凱，張耀，曾毓群，等．鋰離子電池安全性能研究[J]．化學進展，2011（2）：401-409．

WUKai，ZHANGYao，ZENG Liu-qun，etal．Research ofsafety performance ofLithium-ion battery[J]．Progress In Chemistry，2011（2）：401-409．