移動(dòng)電話用電池測試

【摘要】本文主要介紹了移動(dòng)電話用電池的測試，通過本篇文章，可以對移動(dòng)電話用電池有一個(gè)比較全面的了解。

【關(guān)鍵詞】電池；鋰離子電池；充電；放電

引言

隨著移動(dòng)電話應(yīng)用范圍越來越廣，功能越來越強(qiáng)大，對具有良好適用性的電池的需求也應(yīng)運(yùn)而生。如何選擇良好的移動(dòng)電話用電池作為一部高品質(zhì)的移動(dòng)電話的附配件，同樣是保證移動(dòng)電話可靠性的重要著稱部分。

1.電池基本介紹

1.1 電池的定義

電池是一種能量轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的裝置，它通過反應(yīng)將化學(xué)能或物理能轉(zhuǎn)化為電能。電池是一種化學(xué)電源，它由兩種不同成分的電化學(xué)活性電極分別組成正負(fù)極，兩電極浸泡在能提供媒體傳導(dǎo)作用的電解質(zhì)中，當(dāng)連接在某一外部載體上時(shí)，通過轉(zhuǎn)換其內(nèi)部的化學(xué)能來提供能。

1.2 電池的分類

電池可以分類為一次電池和二次電池。一次電池的化學(xué)成分有Zn/NH4Cl，ZnCl2/MnO2、Zn/KOH/HgO、Zn/KOH/Ag2O，二次電池的化學(xué)成分有Pb/H2SO4/PbO2、Cd/KOH/NiOOH、Fe/KOH/NiOOH。

品種繁多的各種化學(xué)電池被廣泛用于移動(dòng)電話應(yīng)用中，包括鋰離子電池（Li-ion）、鎳氫電池（NiMH）、鎳鎘電池（NiCd）和鉛酸電池。在所有電池類型中，鋰離子電池的能量密度最高，從而成為所有可再充電電池中最便于攜帶的電池。鎳氫電池因?yàn)榫哂辛己玫陌踩院铜h(huán)保性能，其應(yīng)用也很普及。

1.3 電池的工作原理

手機(jī)鋰電池主要由：上下蓋、鋰電芯和保護(hù)線路板（PCB）組成。有的電芯上有保險(xiǎn)絲/可恢復(fù)保險(xiǎn)絲；有的廠家還配置了NTC識(shí)別電阻、或充電電路等元件。而作為電池的重要組成部分的電池電芯主要由正極片、負(fù)極片、隔膜紙、蓋帽、外殼、絕緣片和電解液組成。

1.4 聚合物鋰離子電池

一般電池的主要構(gòu)造包括正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素。按目前定義， 所謂聚合物鋰離子電池是在這三種主要構(gòu)造中至少有一項(xiàng)或一項(xiàng)以上使用高分子材料作為其主要基材的電池系統(tǒng)。聚合物鋰離子電池采用軟包裝材料（鋁泊）包裝。目前世界上已量產(chǎn)的軟包裝電池按結(jié)構(gòu)區(qū)分， 主要可分為兩大類。

卷繞式：使用與液態(tài)鋰離子電池生產(chǎn)一樣的卷繞工藝，將正極、負(fù)極與電解質(zhì)膜片卷繞起來，用包裝鋁泊包裝。（ALB，液態(tài)系統(tǒng)軟包裝）

疊片式：使用熱壓工藝，將分切成一定形狀與尺寸的正極、負(fù)極與電解質(zhì)膜片熱壓在一起，用包裝鋁泊包裝。（聚合物電池，圖二）

聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化（最薄0.5毫米）、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設(shè)計(jì)的靈活性。工藝中沒有多余的電解液，因此它更穩(wěn)定，具有良好的環(huán)保特性，無泄漏、無重金屬、無污染。具有較高的能量密度。可制造大容量單體電池以免除并聯(lián)產(chǎn)生的影響。優(yōu)異的安全特性，遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的液態(tài)鋰離子電池（不存在爆炸的危險(xiǎn)）。

但由于聚合物鋰離子電池采用軟包裝工藝， 對后續(xù)工序的加工要求及電芯的穩(wěn)定性提出了更高的要求，容易由于后續(xù)工序（主要是PCM焊接、塑殼封裝）的不良而損壞電芯， 導(dǎo)致電芯漲氣。

隨著聚合物鋰離子電池越來越廣泛被各種移動(dòng)設(shè)備使用，如何界定聚合物鋰離子電池的優(yōu)劣日益重要。由于電池是一個(gè)平衡系統(tǒng)，不同的設(shè)備對電池的性能會(huì)有不同的需求，在電池設(shè)計(jì)時(shí)須根據(jù)不同的需要調(diào)整配方以滿足一些特殊要求。

國家在移動(dòng)電話用電池和充電器的測試上也出具了相關(guān)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，作為測試工程師測試的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)。具體可以參見標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18287-2000蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》、《GB/T 18288-2000蜂窩電話用金屬氫化物鎳電池總規(guī)范》等。

2.電池充放電過程

2.1 充電概念介紹

充電或放電速率與電池容量有關(guān)。充電速率（即C倍率）即為充電或放電電流，定義為I=M ×CN。其中，I為充電或放電電流（安培），M為C的整數(shù)倍或分?jǐn)?shù)倍，C為額定容量的數(shù)值（安培小時(shí)），N為定義C的時(shí)間（小時(shí)）。

一個(gè)放電速率為1C的電池會(huì)在1個(gè)小時(shí)內(nèi)放完其標(biāo)稱額定容量。例如，如果額定容量為1000 mAh，放電速率為1C，則相應(yīng)的放電電流為1000mA。類似地，如果放電速率為0.1C，則相應(yīng)的放電電流為100mA。

2.2 首選的充電技術(shù)

鋰離子化學(xué)電池采用恒定或受控制的電流和恒壓充電算法，分成涓流充電、恒流充電、恒壓充電和充電終止四個(gè)階段（圖三）。鎳氫電池的首選充電算法由涓流充電、恒流充電、top-off充電和充電終止組成（圖四）。

第一階段：涓流充電。涓流充電為深度耗竭的電池恢復(fù)電荷。對于鋰離子電池，當(dāng)電池電壓在大約3V以下時(shí)，電池就會(huì)以最大0.1C的恒定電流充電。對于鎳氫電池，當(dāng)每個(gè)電池的電壓低于0.9V時(shí)便進(jìn)入涓流充電狀態(tài)。

第二階段：恒流充電。對于鋰離子電池和鎳氫電池，當(dāng)電池電壓超過涓流充電閾值后，充電電流增加，進(jìn)入恒流充電狀態(tài)。恒流充電電流應(yīng)在0.1C到0.2C的范圍內(nèi)。

第三階段：恒壓充電。此過程僅適用于鋰離子電池。當(dāng)電池電壓上升到4.2V時(shí)，恒流充電結(jié)束并進(jìn)入開始恒壓充電狀態(tài)。為獲得最佳性能，電壓調(diào)節(jié)容差應(yīng)小于1%。

第四階段：充電終止。不建議對鋰離子電池繼續(xù)進(jìn)行涓流充電，而最好選擇充電終止。對于鎳氫電池，一定時(shí)間的涓流充電可確保達(dá)到100%的電池容量利用率。當(dāng)一定時(shí)間的top-off加足充電過程完成后，就需要終止充電。

2.3 需系統(tǒng)考慮的因素

輸入電源：許多應(yīng)用使用非常便宜的墻上電源插座作為輸入電源。其輸出電壓極大地取決于寬范圍的交流輸入電壓以及從墻上電源汲取的負(fù)載電流。通過汽車電源適配器充電的許多應(yīng)用也可能會(huì)遇到同樣的問題。汽車電源適配器的輸出電壓范圍一般為9V～18V。

輸出電壓調(diào)節(jié)精度：對鋰離子電池而言，輸出電壓調(diào)節(jié)精度對實(shí)現(xiàn)電池容量利用率最大化非常關(guān)鍵。輸出電壓調(diào)節(jié)精度稍微降低一點(diǎn)，電池容量就會(huì)下降很多（圖五）。但是，出于安全和可靠性考慮，不能設(shè)置一個(gè)任意高的輸出電壓。

充電終止的方法：過充是鋰離子電池和鎳氫電池致命的弱點(diǎn)。精確的充電終止方法對安全可靠的充電系統(tǒng)是必不可少的。

電池溫度監(jiān)視：可再充電電池的典型溫度范圍為0℃～45℃。在這個(gè)溫度范圍之外的溫度下充電可能導(dǎo)致電池過熱。在充電周期內(nèi)，電池內(nèi)部的壓力會(huì)增加，從而引起電池膨脹。由于溫度和壓力是直接相關(guān)的，所以電池內(nèi)部高壓和高溫的綜合作用會(huì)導(dǎo)致電池發(fā)生機(jī)械性破裂或漏液。在0℃～45℃的溫度范圍之外進(jìn)行充電也可能損壞電池的性能，或者縮短電池壽命。

“電池放電電流”或“反向漏電流”：在許多應(yīng)用中，即使沒有輸入功率，充電系統(tǒng)仍然與電池保持連接。當(dāng)沒有輸入功率時(shí)，充電系統(tǒng)可讓電池的電流消耗減至最少。最大的電流消耗應(yīng)小于幾微安，理想情況下應(yīng)小于1μA。

3.電池性能測試

3.1 電性能的測試_充放電性能

電池的充電測試：在環(huán)境溫度20℃±5℃的條件下，以0.2C5A充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電制電壓時(shí)（4.2V），改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于0.01C5A，停止充電。

電池的放電測試：在20℃±5℃的條件下 以0.2C5A放電到終止電壓（3.0V）。

這里需要說明的是，不同的廠家可能有不同的充電截止電流與模式，部分廠家還可能測試GSM、CDMA模式下的放電容量。

3.2 電性能的測試_容量

額定容量：生產(chǎn)廠標(biāo)明的電池容量指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，以5h率放電至終止電壓時(shí)所應(yīng)提供的容量，用C5表示，單位為Ah（安培小時(shí)）或mAh（毫安小時(shí)）。

容量比率：電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下，用不同倍率電流放電至終止電壓時(shí)所應(yīng)提供的不同容量的比值為容量比率（0.2C為100%）。

3.3 電性能的測試_電壓/內(nèi)阻

標(biāo)稱電壓（Nominal Voltage），用以表示電池電壓的近似值。終止電壓（Cut-Off Voltage），規(guī)定充放電終止時(shí)電池的負(fù)載電壓。內(nèi)阻（Impedance），電芯在AC 1kHz下的阻抗。電池內(nèi)阻主要由電芯內(nèi)阻與保護(hù)板電阻組成，其中電芯內(nèi)阻由三部分組成，即內(nèi)部材料的歐姆電阻、離子擴(kuò)散電阻和界面電阻。

正常使用時(shí)要求電阻越小越好，同時(shí)內(nèi)阻與電池的性能息息相關(guān)，故可根據(jù)內(nèi)阻的變化來評估電池性能有否發(fā)生變化。

3.4 電性能的測試_循環(huán)壽命

電池循環(huán)壽命是電池測試中非常重要的一項(xiàng)指標(biāo)，循環(huán)壽命的好壞直接影響到用戶電池實(shí)際使用的長短。因此在國標(biāo)中要求，在環(huán)境溫度20℃±5℃的條件下，以1C5A充電，當(dāng)電池端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于20mA，停止充電。擱置0.5h～1h，然后以1C5A電流放電至終止電壓，放電結(jié)束后，擱置0.5h～1h，再進(jìn)行下一個(gè)充放電循環(huán)，直至連續(xù)兩次放電時(shí)間小于36min（60%），則認(rèn)為壽命終止。

經(jīng)過以上循環(huán)充放電測試，電池必須達(dá)到300次循環(huán)，則才定義該塊電池是循環(huán)壽命合格的電池。不同廠商會(huì)根據(jù)具體情況定義不同的測試要求，如模擬具體的充電器與手機(jī)的用電狀態(tài)，在循環(huán)測試過程中采用0.7C充電，0.5C或0.2C放電，并將相應(yīng)的要求提高。如400次循環(huán)，容量剩80%以上等等。

3.5 環(huán)境適應(yīng)能力_高溫性能/低溫性能

高溫性能：電池充電結(jié)束后，將電池放入55℃±2℃的高溫箱中恒溫2h， 然后以1C5A電流放電至終止電壓。該試驗(yàn)結(jié)束后，將電池取出在環(huán)境溫度20℃±5℃的條件下擱置2h，然后目測電池外觀。電池放電時(shí)間應(yīng)不低于51min（85%），電池外觀應(yīng)無變形、無爆裂。

低溫性能：電池充電結(jié)束后，將電池放入-10℃±2℃的低溫箱中恒溫16h～24h后，以0.2C5A電流放電至終止電壓。該試驗(yàn)結(jié)束后，將電池取出在環(huán)境溫度20℃±5℃的條件下擱置2h，然后目測電池外觀。電池放電時(shí)間應(yīng)不低于3.5h（70%），電池外觀應(yīng)無變形、無爆裂。

電池的高低溫性能跟電芯的材料，配方及結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系，可通過對電芯內(nèi)部的傳導(dǎo)率的調(diào)整來滿足一些特殊環(huán)境溫度使用的要求。

3.6 環(huán)境適應(yīng)能力_振動(dòng)

電池充電結(jié)束后，將電池直接安裝或通過夾具安裝在振動(dòng)臺(tái)的臺(tái)面上，按下面的振動(dòng)頻率和對應(yīng)的振幅調(diào)整好試驗(yàn)設(shè)備，X、Y、Z三個(gè)方和每個(gè)方向上從10Hz～55Hz循環(huán)掃頻振動(dòng)30min，掃頻速率為1oct/min；

振動(dòng)頻率：10Hz～30Hz 位移幅值（單振幅）：0.38min

振動(dòng)頻率：30Hz～55Hz 位移幅值（單振幅）：0.19min

試驗(yàn)后，電池外觀應(yīng)無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，電池電壓應(yīng)不3.6V。

3.7 環(huán)境適應(yīng)能力_恒定濕熱

電池充電結(jié)束后，將電池放入40℃±2℃，相對濕度為90%～95%的恒溫恒濕箱中擱置48h后，將電池取出在環(huán)境溫度20℃±5℃的條件下擱置2h，目測電池外觀；再以電流放電至終止電壓。

試驗(yàn)后，電池外觀應(yīng)無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸，放電時(shí)間應(yīng)不低于36min。

3.8 環(huán)境適應(yīng)能力_碰撞

電池充電結(jié)束后，將電池平均按X、Y、Z三個(gè)互相垂直軸向直接或通過夾具堅(jiān)固在臺(tái)面上，按下述要求調(diào)好加速度、脈沖持續(xù)時(shí)間，進(jìn)行碰撞試驗(yàn)。

脈沖峰值加速度100m/s2，每分鐘碰撞次數(shù)40～80，脈沖持續(xù)時(shí)間16ms，碰撞次數(shù) 1000±10。

試驗(yàn)后，電池外觀應(yīng)無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸，電池電壓應(yīng)不低于3.6V。

3.9 環(huán)境適應(yīng)能力_跌落

電池充電結(jié)束后，將電池樣品由高度（最低點(diǎn)高度）為1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的18mm～20mm厚的硬木板上，從X、Y、Z正負(fù)方向（六個(gè)方向）每個(gè)方向自由跌落1次。

自由跌落結(jié)束后，將電池以1C5A電流放電至終止電壓。試驗(yàn)后，電池應(yīng)不漏液、不冒煙、不爆炸，能插入設(shè)備，鎖扣可靠；放電時(shí)間應(yīng)不低于51 min。（針對包裝后的成品電池）

3.10 安全保護(hù)性能

電池必須安全保護(hù)性能，即過充電保護(hù)、過放電保護(hù)以及短路保護(hù)。

過充電保護(hù)：電池充電結(jié)束后，用恒流恒壓源持續(xù)給電池加載8h，恒流恒壓源電壓設(shè)定為2倍標(biāo)稱電壓，電流設(shè)定為2C5A的外接電流。電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液。（針對帶保護(hù)板的電池）

過放電保護(hù)：電池在環(huán)境溫度20℃±5℃條件下，以0.2C5A放電至終止電壓后，外接（30×n）Ω負(fù)載放電24h。電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏。（針對帶保護(hù)板的電池）

短路保護(hù)：電池充電之后，將正負(fù)極用0.1Ω電阻器短路1h。電池應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙或漏液；將正負(fù)極斷開，電池以1C5A電流瞬時(shí)充電5s后用電壓表測量電池電壓。瞬時(shí)充電后，電池電壓應(yīng)不小于n×3.6V。（針對帶保護(hù)板的電池）

而針對電芯的安全性能，目前較多采用美國的UL1642安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試與論證，其主要包括：Short Circuit/Heating /Abnormal Changing/force Discharge/ Crush/ Impact/ Shock/ Vibration/ Humidity/ Drop/ Temperature Cycling/Low Pressure （Altitude simulation） 等12項(xiàng)常規(guī)測試。必須注意的是使用的電芯必須通過安全性能測試。

3.11 存儲(chǔ)性能

存儲(chǔ)性能主要包括，荷電保持能力、高溫高濕存儲(chǔ)能力和高溫存儲(chǔ)能力。

荷電保護(hù)能力：電池充電結(jié)束后，在環(huán)境溫度為10℃±2℃的條件下，將電池開路擱置28d，再以0.2C5A電流放電至終止電壓，放電時(shí)間應(yīng)不低于4.25h（85%）。

高溫高濕存儲(chǔ)能力：電池在充滿電后， 置于65℃，95%RH的環(huán)境中48小時(shí)，取出后在常溫下靜置2小時(shí)，再以0.2C5A電流放電至終止電壓。對比前后的容量、內(nèi)阻及外觀。電芯厚度增加應(yīng)小于10%，內(nèi)阻增加應(yīng)小于10%，放電時(shí)間應(yīng)不低于4.5h。電芯應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙、漏液或氣漲。

高溫存儲(chǔ)能力：電池在充滿電后，置于85C的環(huán)境中4小時(shí)，取出后在常溫下靜置2小時(shí)，再以0.2C5A電流放電至終止電壓。對比前后的容量、內(nèi)阻及外觀。電芯厚度增加應(yīng)小于10%，內(nèi)阻增加應(yīng)小于10%，放電時(shí)間應(yīng)不低于4.5h。電芯應(yīng)不爆炸、不起火、不冒煙、漏液或氣漲。

4.總結(jié)

隨著移動(dòng)電話設(shè)計(jì)在外形上越來越趨向于超薄、輕巧，在功能上越來越智能化等需求，對于給移動(dòng)電話供電的電池來說，也面臨著嚴(yán)重的考驗(yàn)。如何研究出新型的電池能夠提供移動(dòng)電話以上需求已經(jīng)是刻不容緩的問題。因此，在我們的電池認(rèn)證測試方面，相信也會(huì)面臨更多的測試手段和測試平臺(tái)，會(huì)在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]GB/T 18287-2000蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范.

[2]GB/T 18288-2000蜂窩電話用金屬氫化物鎳電池總規(guī)范.