锂电池基础知识
目 录
一、前 言 二、锂离子电池的分类及性能指标 三、锂离子电池的优缺点 3.1 锂离子电池的优点 3.2 锂离子电池的缺点 四、锂离子电池工作原理 4.1 锂离子电池的工作原理 4.2 保护电路工作原理 五、锂离子电池的发展方向
一、前 言
自 1958 年美国加州大学的一名研究生提出了锂、钠等活泼金属做电池负极的设想后，人们开始了对锂电池的研究。锂离子电池的工业化革命在锂电极被碳材料取代时开始。锂离子电池的研究始于 1990 年日本 Nagoura 等人开发了以石油焦为负极，以钴酸锂为正极的锂离子电池；同年日本 Sony 和加拿大Moli 两大电池公司声称将推出以碳为负极的锂离子电池。与其他充电电池相比，锂离子电池具有电压高、能量高、充放电寿命长、无记忆效应、环境污染小、充电快、自放电率低等优点。锂离子电池作为一种重要的化学电池，由手机、笔记本电脑、数码相机和便携式小型电器和潜艇、航空航天和航空电池逐渐进入电动汽车领域。在全球能源和环境问题日益严重的情况下，交通工具以储能电池为主要动力源，锂离子电池被认为是高容量、大功率电池的理想选择。 二、锂离子电池的分类及性能指标 锂离子电池可应用于各个领域，因此其类型也是多样化的。根据外观，市场上主要有三种锂离子电池，即纽扣、方形和圆柱形，如下图所示： 
使用圆柱形型号 5 前两位数表示直径，第三、四位数表示高度。 例如：18650 型电池的直径是 18mm，高度为 65mm。方形型号 6 位数表示前两个是电池的厚度，中间两个是电池的宽度，最后两个是电池的长度，比如 083448 类型，表示厚度为 8mm，宽度为 34mm，长度为 48mm。
根据锂离子电池的电解质形态，锂离子电池有液态锂离子电池和固态(或干态)锂离子电池。固体锂离子电池，通常称为聚合物锂离子电池，是在液体锂离子电池的基础上开发的新一代电池，比液体锂离子电池具有更好的安全性能，液体锂离子电池通常称为锂离子电池。 锂离子电池的外观尺寸和重量是直接影响电池特性的重要指标。锂离子电池的电化学特性主要包括以下几个方面： 额定电压：商品化的锂离子电池额定电压一般为 3.7V，工作时电压范围一般 4.2V～3.0V，也有下限终止电压设置为其他值，如 3.1V。 额定容量：指按 0.2C 恒流放电到终止电压时获得的容量。 1C 容量：指按 1C 从恒流放电到终止电压获得的容量。1C 容量一般小于额定容量，载能力越强，容量一般小于额定容量。 高低温性能：锂离子电池高温可达 55℃，低温可达-20℃。在这个环境温度范围内，电池容量可以达到额定容量 70%以上。 充满电后，电池开路搁置 28 天，然后按 0.2C 放电容量与额定容量的百分比。值越大，荷电保持能力越强，自放电率越小。锂离子电池的荷电维持能力在于 85%以上。 循环寿命：锂离子电池充放电，电池容量降低到额定容量 70%时，充放电次数称为循环寿命。 三、锂离子电池的优缺点
3.1 锂离子电池的优点： ①容量大，工作电压高。容量是同一镍镉电池的两倍，更能适应长时间的通信联系；单个锂离子电池的电压通常是 3.7V，镍镉和镍氢电池 3 倍。 ②荷电保持能力强，允许工作温度范围宽。±5）℃下，以开路形 式贮存 28 天后，电池的常温放电容量大于额定容量 85%。锂离子电池具有优异的高低温放电性能，可达-20℃～ 55℃高温放电性能优于其他电力 池。 ③回收寿命长。目前，国产电池正在连续放电 300 其次，电池的容量仍然不低于额定容量 80%远高于其他电池，具有长期使用的经济性。
④无环境污染。电池不含镉、铅、汞等有害物质，是一种干净的绿色 化学能源。 ⑤无记忆效应。可随时反复充放。 ⑥体积小，重量轻，比能量高。锂离子电池的比能量通常可以达到镍镉电池 2倍以上，与相同容量的镍氢电池相比，体积可以减小 重量可降低30% 50%有利于便携式电子设备的小型轻量化 。
3.2 锂离子电池的缺点： ①锂离子电池具有较高的内部阻抗性。由于锂离子电池的电解质是一种有机溶剂，其电导率远低于镍镉电池和镍氢电池，因此锂离子电池的内部阻抗大于镍镉和镍氢电池 11 倍。 ②工作电压变化很大。电池放电到额定容量 80%时，镍镉电池的电压变化很小(约 20%)锂离子电池电压变化较大(约20%) 40%）。对电池供电的设备来说，这是严重的缺点，但是由于锂离子电池的放电电压变化较大，也很容易据此检测电池的剩余电量。 ③成本高，主要是正极材料 LiCoO2 原材料价格高。 ④必须有特殊的保护电路，以防止其过充。 ⑤与普通电池相容性差，由于工作电压高，普通电池只能用三节锂离子电池代替。
四、锂离子电池工作原理
锂离子电池是锂离子电池离子电池和保护电路的组合，以下是锂离子电池和保护电路的工作原理： 4.1 锂离子电池的工作原理： 锂离子电池是一种将化学能转化为电能的装置，其正极一般采用插锂化合物 物，如 LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4 等等，负极使用锂-碳层间化合物 LixC6.电解质溶解锂盐(如 LiPF6、LiAsF6、LiClO4 等)有机溶剂。碳酸乙烯酯溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二甲酯（DMC）和氯碳酸酯（ClMC）等。在充电过程中，Li 两个电池之间的往返嵌入被生动地称为摇椅电池（rocking chair batteries，缩写为 RCB）。
其总化学反应为： LiMxOy nC Li1-xMxOy LixCn 锂离子二次电池实际上是一种锂离子厚差电池，充电时，Li 脱离正极，通过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态，电子补偿电荷从外部电路提供到碳负极，以确保电荷平衡。相反，放电时，Li 从负极脱离，通过电解质嵌入正极材料，正极处于富锂状态。以钴酸锂为正极的锂离子电池为例。充电时，锂离子从 LiCoO2 在晶胞中脱离离子 Co3 氧化为 Co4 ；放电时嵌入锂离子 LiCoO2 晶胞，其中 Co4 变成 Co3 。
4.2 保护电路工作原理： 由于锂离子电池的化学特性，在正常使用过程中，其内部电能和化学反应，但在某些情况下，如过充电、过放电、过电流等会导致电池内部副反应，副反应加剧，会严重影响电池的性能和使用寿命，并可能产生大量气体，因此，所有锂离子电池都需要一个保护电路来有效地监测电池的充放电状态，并在某些条件下关闭充放电电路，以防止损坏电池。 下图是锂离子电池保护电路的典型原理图： 图片
如上图所示，保护回路由两个 MOSFET（V1、V2)和控制 IC（U1)由一些阻容元件组成。控制 IC 监测电池电压和电路电流，控制两者MOSFET 的栅极；MOSFET 开关在电路中起作用，分别控制充电电路和放电电路的导通和关闭。工作原理分析如下： a.正常状态： 正常情况下，电路中 U1 的“CO”与“DO”脚都输出高电平，两个 MOSFET电池处于导通状态，可自由充放电。为了有效利用放电电流或充电电流，MOSFET 采用导电阻小的功率管。 图中二极管是 V1 和 V2 寄生二极管的存在使系统在过放电状态下充电电池，在过充电状态下放电负载。 b.过充电保护： 锂离子电池要求的充电方式为恒流/恒压，充电初期为恒流充电。 随着充电过程的不断进行，电池电压将上升到 4.2V，然后转向恒压充电，直到电流越来越小。 如果充电器电路在充电过程中失去控制，电池电压将超过 4.2V 当电池电压超过时，恒流充电将继续上升 4.3V 电池的化学副作用会加剧，导致电池损坏或安全问题。 当控制电池中有保护电路时 IC 检测到电池电压达到 4.28V(该值由控制 IC 决定，不同的 IC 当有不同的值时，它的CO脚由高电平转为低电平 V2 从导通到关闭，从而切断充电电路，充电器不能再给电池充电，起到过充电保护的作用。而此时由于 V2 随着自带体二极管的存在，电池可以通过二极管放电外部负载。在控制 IC 检测到电池电压超过 4.28V 至发出关断 V2 信号之间还有一段延迟时间(具体延迟时间由控制) IC 决定，不同的 IC 有不同的值)，以避免因干扰而造成误判。
c.过放电保护： 当电池电压降至外部负载放电过程时，其电压会随着放电过程逐渐降低 2.7V 此时，其容量已完全抛光，如果电池继续放电负载，将对电池造成永久性损坏。 控制电池放电时 IC 检测到电池电压低于 3.0V(该值由控制 IC 决定，不同的 IC 当有不同的值时，它的DO脚由高电平转为低电平 V1 从导通到关闭，从而切断放电电路，电池不能再放电负载，发挥过放电保护的作用。此时，由于 V1 充电器可以通过自带体二极管给电池充电。 由于电池电压在过放电保护状态下不能再降低，因此保护电路的消耗电流非常小，此时控制 C 会进入低功耗状态或休眠状态，整个保护电路耗电会极小（具体的耗电流值由控制 IC 决定，不同的 IC 有不同的值）。 在控制 IC 检测到电池电压低于 3.0V 至发出关断 V1 信号之间，也有一段延时时间（具体的延迟时间由控制 IC 决定，不同的 IC 有不同的值），以避免因干扰而造成误判断。
d.过流保护
由于锂离子电池的化学特性，电池生产厂家规定了其放电电流最大不能超过1.5C（C=电池容量/小时），当电池超过 1.5C 电流放电时，将会导致电池的永久性损坏或出现安全问题。
电池在对负载正常放电过程中，放电电流在经过串联的 2 个 MOSFET 时，由于 MOSFET 的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，该电压值 U=I×RDS×2，RDS 为单个 MOSFET 的导通阻抗，控制 IC 上的“VM”脚对该电压值进行检测，若负载因某种原因导致异常，使回路电流增大，当回路电流大到使 U＞0.1V（该值由控制 IC 决定，不同的 IC 有不同的值）时，其“DO”脚将由高电平转变为低电平，使 V1 由导通转为关断，从而切断了放电回路，使回路中电流为零，起到过电流保护的作用。
在控制 IC 检测到过电流发生至发出关断 V1 信号之间，也有一段延时时间（具体的延迟时间由控制 IC 决定，不同的 IC 有不同的值），以避免因干扰而造成误判断。
由上述控制过程可知，其过电流检测值大小不仅取决于控制 IC 的控制值，还取决于 MOSFET 的导通阻抗，当 MOSFET 导通阻抗越大时，对同样的控制 IC，其过电流保护值越小。
e.短路保护：
电池在对负载放电过程中，若回路电流大到使 U＞0.9V（该值由控制 IC 决定，不同的 IC 有不同的值）时，控制 IC 则判断为负载短路，其“DO”脚将迅速由高电压转变为零电压，使 V1 由导通转为关断，从而切断放电回路，起到短路保护作用。短路保护的延时时间极短，通常小于 7 微秒。其工作原理与过电流保护类似，只是判断方法不同，保护延时时间也不一样。
下表是对以上原理的一个简单总结：
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五、锂离子电池的发展方向
锂离子电池作为一种新型能源的典型代表，有十分明显的优势，
但同时有一些缺点需要改进。近年来，锂离子电池中正负极活性材料、功能电解液的研究和开发应用在国际上相当活跃，并已取得很大的进展。总的来说，目前锂离子电池行业的发展呈两个趋势：一、聚合物锂离子电池（即新型电解液的研究与应用）；二、新型正负极活性物质。
一、聚合物锂离子电池：
所谓聚合物锂离子电池，是在正极、负极和电解质这三种主要构造中，至少有一种或一种以上采用高分子材料的电池。目前整个行业的聚合物锂离子电池都只是更改了电解质，即聚合物锂离子电池与液态锂离子电池的区别，就是采用了高分子的电解质（固态或凝胶态）。行业内还没有真正使用固态电解质的聚合物锂离子电池，日本 Sony 公司（聚合物锂离子电池行业排名第一）采用的是凝胶态的电解质。
聚合物锂离子电池具有比较多的优点：轻、薄、容量大、安全性能好、形状可任意化，因此，聚合物锂离子电池的发展比较迅猛，特别是在大容量电池领域，更加体现出其优势 。
二、新型正负极活性物质：
由于聚合物锂离子电池的封装需要占用比较大的尺寸空间，且目前聚合物锂离子电池的价格偏高，因此，在小容量电池（≤1500mAh）领域，液态锂离子电池仍然占据着主导地位。
液态锂离子电池的研究方向，重点在于保持体积不变的情况下，如何提高电池的容量。目前整个行业都在从新型正负极活性物质方面着手研究。
在正极活性物质钴酸锂中添加一定量 NCA（Lithium Nickel Cobalt AluminumOxide，锂镍钴铝氧化物）的产品已经开始批量生产，使用此种活性物质的锂离子比单一使用钴酸锂活性物质的锂离子电池，容量能够提升 3%以上。
以 NCM（Lithium Nickel Cobalt Manganese Oxide，锂镍钴锰氧化物）作为正极活性物质的锂离子电池，以钴酸锂+NCM 作为活性物质的锂离子电池，不久也将开始量产。测试表明，前者与现在的锂离子电池相比，容量能够提升 6%以上；而后者的容量则能提升 10%以上。
另外，负极活性物质的研究也在进行之中，以 C+SiO 作为负极活性物质的锂离子电池也即将投入批量生产，一改锂离子电池负极采用单一碳材料的局面。值得一提的是，以 NCM 作为正极活性物质、以 C+SiO 作为负极活性物质的锂离子电池体系，其最低放电电压能够做到 2.5V（目前的锂离子电池放电到 3.0V 之后基本没有电量了），这样就能够使得待机时间相对延长（这个还要配套使用可以低电压工作的电子元器件，即在 2.5V 的时候，整个用电器具例如手机等的系统还能正常开机使用，目前低电压工作的电子元器件的研究也是一个热门方向，因为电压低了，元器件的功耗也相对减小了）。