鋰離子電池常見問題與技術(shù)研究

王維佳 龍澤 高申

【摘要】鋰離子電池如今的應(yīng)用范圍很廣，手機(jī)、筆記本等便攜式電器中都可以見到。對(duì)人們的生活產(chǎn)生越來越重要的影響。鋰離子電池容量大、體積小、價(jià)格低、無污染，可以應(yīng)用的范圍和空間是無可限量的。因此，對(duì)鋰離子電池的技術(shù)研究是非常必要的，研究鋰離子電池的使用中的問題和常見的解決措施，關(guān)注鋰離子電池技術(shù)的最新發(fā)展，意義重大。

【關(guān)鍵詞】鋰離子電池;技術(shù);常見問題;保護(hù)

1.鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池中并沒有金屬鋰的存在，而是以含鋰離子的化合物為正極，以碳素材料為負(fù)極的蓄電池。鋰離子嵌入和脫離正極化合物的過程就是蓄電池充電和放電的過程，這個(gè)過程同時(shí)伴隨著與鋰離子等量電子的嵌入和脫離。一般情況下，人們用嵌入表示充電，用脫插表示放電。鋰離子在正、負(fù)極之間來回嵌入和脫插的過程就是充電和放電的過程，也因此鋰離子電池也被稱為“搖椅電池”。

充電的過程就是鋰離子生成和運(yùn)動(dòng)的過程，電池正極的化合物產(chǎn)生大量的鋰離子，進(jìn)過電解液之后，鋰離子由正極運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而鋰離子電池的負(fù)極是由碳素材料構(gòu)成的，到達(dá)負(fù)極的鋰離子會(huì)嵌入在碳素材料的小孔中，碳素材料能夠容納的鋰離子越多，電池能夠容納的電量就越大。

放電的過程與充電的過程相反，負(fù)極的鋰離子脫離碳素材料的小孔，返回正極。回到正極的鋰離子的數(shù)量越多，電池的電量使用的就越多。

2.鋰離子電池的常見問題

鋰離子電池在使用過程中最應(yīng)該注意的是以下問題：過充電問題、過放電問題、過流問題、充電不均衡問題以及環(huán)境溫度影響電池壽命等。這些問題會(huì)對(duì)電池造成比較嚴(yán)重的傷害，甚至可能引起電池的爆炸。因此，鋰離子電池在使用中要預(yù)防和解決這些問題。

2.1 過充電問題

鋰離子電池的單節(jié)電芯的電壓超過規(guī)定值時(shí)，會(huì)引起電池內(nèi)電解質(zhì)的分解。而電解質(zhì)的分解會(huì)造成電池溫度的上升，降低電芯的使用壽命，分解嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生的氣體還可能會(huì)引起電池的爆炸。

因此，鋰離子電池在使用和研發(fā)過程中必須高度重視過充電問題，以免造成安全隱患和資源浪費(fèi)。應(yīng)該在充電時(shí)對(duì)電池設(shè)置保護(hù)設(shè)施，當(dāng)電壓超過電芯的承受值時(shí)，設(shè)置的保護(hù)電路要自動(dòng)切斷充電回路，而當(dāng)電壓回歸到電芯能夠承受的范圍內(nèi)時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)終止工作，進(jìn)行正常充電。

不同的鋰離子電池的構(gòu)成材料是不盡相同的，因此能夠承受的電壓值也是不一樣的，設(shè)置保戶電路時(shí)要根據(jù)具體的電池材料來進(jìn)行。

除此之外，在設(shè)置保護(hù)電路時(shí)，還應(yīng)該注意因?yàn)樵肼暥a(chǎn)生的錯(cuò)誤判斷和操作。在設(shè)置保護(hù)電路時(shí)，應(yīng)該設(shè)置過充保護(hù)延時(shí)，也就是說電壓超過電芯承受值一定時(shí)間之后才會(huì)觸發(fā)保護(hù)電路的保護(hù)工作。

2.2 過放電問題

過放電問題也會(huì)造成鋰離子電池壽命縮短的結(jié)果。尤其需要注意的是，鋰離子電池的過放電對(duì)電池造成的傷害是不可逆轉(zhuǎn)的，也就是說，一旦因?yàn)檫^放電問題對(duì)電池造成了損害，采用任何措施都不能讓電池恢復(fù)健康的狀態(tài)。

為了對(duì)鋰離子電池進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，需要對(duì)過放電問題進(jìn)行預(yù)防，設(shè)置放電保護(hù)裝置。當(dāng)鋰離子電池的電壓低于放電電壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)，放電保護(hù)裝置可以自動(dòng)發(fā)揮作用，終止電池的放電過程。

2.3 過電流、短路問題

過電流問題是指放電時(shí)過大的電流也會(huì)造成對(duì)電池的損害，而且這種損害同樣是不可逆轉(zhuǎn)的。鋰離子電池對(duì)放電電流有一定的限制，當(dāng)放電電流超過這個(gè)臨界值時(shí)，電池的壽命就會(huì)受到影響。

過流保護(hù)也需要設(shè)置一定的時(shí)間延遲，一般在至少要幾百微秒至毫秒，這樣做也同樣是為了避免誤操作對(duì)電池使用過程的影響。但是延遲時(shí)間過長(zhǎng)，針對(duì)過電流問題的保護(hù)作用就起不到效果，仍然會(huì)造成對(duì)電池的損害，所以延遲的時(shí)間要有一個(gè)比較準(zhǔn)確的空間。

過流問題中的一個(gè)特殊表現(xiàn)就是短路問題，生活中常見到這樣的場(chǎng)景，在插座上插入大功率的電器時(shí)，就會(huì)容易引起電路的短路，這就是由大電流放電引起的損害。而與過流問題不同的是，短路問題幾乎沒有保護(hù)線路時(shí)間延遲的問題，而是應(yīng)該在短路問題發(fā)生的瞬間就切斷回路，否則會(huì)對(duì)電池和電器造成嚴(yán)重的損失。

2.4 電池均衡問題

動(dòng)力鋰離子電池有時(shí)候需要幾串、幾十串甚至幾百串以上，而這些電池在使用中可能發(fā)現(xiàn)不均衡的狀況。這是因?yàn)殡姵氐纳a(chǎn)需要經(jīng)過很多道工序，雖然在最后都經(jīng)過了非常嚴(yán)格的檢測(cè)，但畢竟在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種各樣的差異，使用一段時(shí)間之后，這些差異就會(huì)開始慢慢顯現(xiàn)。

這時(shí)，如果是多個(gè)電池組成的電池組，那么整個(gè)電池組的容量就取決于整個(gè)電池組中容量最差的那個(gè)電池的電芯容量。這就是著名的木桶理論。

面對(duì)這樣的問題，應(yīng)該對(duì)電池設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)線路，從較高電壓的電池中抽取多余的電量，這樣可以使得整個(gè)電池組的電量比較均衡。常用的均衡方法有兩種：儲(chǔ)能均衡和電阻均衡。

3.實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的技術(shù)研究

保護(hù)鋰離子電池的方法一般有以下兩種：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制和集成電路保護(hù)芯片。下面先來介紹第一種——IC控制。

3.1 IC控制

IC就是指電池的芯片，目前市場(chǎng)上芯片的類型有很多，技術(shù)和設(shè)置比較成熟的類型也不少，只是價(jià)格會(huì)比較昂貴。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)要注意對(duì)IC的選擇，不同的芯片對(duì)過充電保護(hù)的電壓是不一樣的，要選擇最適當(dāng)?shù)谋容^容易控制的類型。另外還要考慮IC的自身功耗如何，外圍電路是否夠簡(jiǎn)單，保護(hù)IC的各參數(shù)精確到什么程度，體積是否夠小等。

鋰離子電池工作或充電時(shí)瞬間可能會(huì)產(chǎn)生高壓，因此IC應(yīng)具備耐高壓的特點(diǎn)。

如圖1所示為以精工S-8254A為保護(hù)IC的4串應(yīng)用原理圖。S-8254系列的IC內(nèi)部有精度較高的電壓檢測(cè)電路和延遲電路，可保護(hù)3節(jié)或4節(jié)串聯(lián)電池進(jìn)行充電。

圖1 以精工S-8254A為保護(hù)IC的4串應(yīng)用原理圖

3.2 MCU控制

當(dāng)前的集成電路對(duì)芯片的保護(hù)一般是針對(duì)4節(jié)以下串聯(lián)的電池組，而對(duì)于4節(jié)以上的電池組所采用的方法是完全不同的。具體可以包括多個(gè)單級(jí)保護(hù)芯片串聯(lián)或幾個(gè)多級(jí)保護(hù)芯片串聯(lián)等方式。為了節(jié)約成本和增加靈活性，很多時(shí)候鋰離子電池采用以MCU（微處理器）為核心的設(shè)計(jì)方案。

微處理器作為核心，不但可以解決過充、過放、過流等問題，同時(shí)可以提供如容量預(yù)測(cè)、通訊、身份識(shí)別等功能。

鋰離子電池的技術(shù)研究是一個(gè)較新的課題，對(duì)電池進(jìn)行過充、過放、過流＼短路和均衡等方面的保護(hù)，是鋰離子電池在使用中必須解決的問題，也會(huì)使鋰離子電池使用起來更加安全、可靠。

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