鋰離子動(dòng)力電池的性能選擇及安全性保護(hù)

郭芙琴

（延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 延安 716000）

在電子設(shè)備應(yīng)用中，電池的關(guān)鍵指標(biāo)是使用壽命。從表面上看，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的規(guī)格，但它卻涉及到了許多因素，其中包括：系統(tǒng)負(fù)載（滿(mǎn)負(fù)荷電流的供電時(shí)間，部分電路或微安級(jí)電流供電時(shí)間）、電源效率、系統(tǒng)電源管理、電池類(lèi)型和充電方式。根據(jù)電池的化學(xué)性質(zhì)，電池和系統(tǒng)之間的相互制約是設(shè)計(jì)中不容忽視的問(wèn)題，保證電池的容量與系統(tǒng)的需求相吻合非常關(guān)鍵。常用的電池類(lèi)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(shù)產(chǎn)品都有一個(gè)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(duì)于功耗較低的應(yīng)用，堿性電池將是一個(gè)很好的選擇，但需合理使用，靜態(tài)電流或休眠電流都必須很低。即在設(shè)計(jì)中，不僅要關(guān)注工作效率，還要注意“關(guān)閉或休眠”狀態(tài)下的電流損耗；當(dāng)負(fù)載對(duì)于堿性電池而言過(guò)大時(shí)，需選用可充電電池，如鎳氫電池和鋰離子電池，這對(duì)于筆記本電腦，PDA和蜂窩電話(huà)等便攜式產(chǎn)品已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)模式?？沙潆婋姵匾M可能少地“打擾”用戶(hù)，對(duì)產(chǎn)品有促進(jìn)作用，至少不會(huì)降低產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，分析改進(jìn)制造技術(shù)及材料的性能，提出解決安全性保護(hù)的具體措施。

1 選擇動(dòng)力鋰離子電池產(chǎn)品的基本標(biāo)準(zhǔn)

有著“終極能源和綠色能源”之稱(chēng)的鋰離子電池，從電子類(lèi)產(chǎn)品中的紐扣電池，手機(jī)、DC類(lèi)數(shù)碼產(chǎn)品中的鋰電池，到電動(dòng)汽車(chē)中的動(dòng)力蓄電池，被日益廣泛應(yīng)用在人們的生產(chǎn)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(yōu)越性。

1）要使用在合理電壓容量范圍之內(nèi)的鋰電池。片面地追求超大容量，超高電壓的做法是錯(cuò)誤的。因?yàn)槿魏问挛锒家?jīng)過(guò)一個(gè)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由難到易的過(guò)程，就好比同樣是易燃?xì)怏w，有效保證打火機(jī)的安全是比較容易的，想有效保證汽車(chē)油箱的安全就要難得多，至今仍然沒(méi)有完全解決撞車(chē)時(shí)汽車(chē)起火爆炸的情況。在一個(gè)有限的體積內(nèi)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(hù)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(cè)試認(rèn)證。一是UL認(rèn)證。UL標(biāo)志已成為世界著名的安全認(rèn)證標(biāo)志之一。測(cè)試項(xiàng)目必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，如：①殼體的強(qiáng)度與剛度不致引起著火、傷人；②電解質(zhì)應(yīng)無(wú)毒、防漏；③使用時(shí)應(yīng)有正常的充電電流；④漏液或泄漏質(zhì)量損失不超過(guò)lg0．5%；⑤機(jī)械試驗(yàn)樣品按規(guī)格應(yīng)不起火、不爆炸；⑥充放電試驗(yàn)樣品應(yīng)不出現(xiàn)任何安全性事件；⑦電池應(yīng)標(biāo)識(shí)warning，并有相應(yīng)的描述。二是Extra Energy標(biāo)準(zhǔn)。Extra Energy認(rèn)證是一個(gè)非營(yíng)利性的組織，總部在德國(guó)坦拿，主要工作是集中全球的輕型電動(dòng)車(chē)的中立性信息，并提供增值服務(wù)，其中相關(guān)鋰電池的安全性檢測(cè)非常嚴(yán)格、嚴(yán)謹(jǐn)，得到大部分歐洲客戶(hù)的認(rèn)可。其主要是規(guī)范測(cè)試方法、校準(zhǔn)試前狀態(tài)、確定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，保證非正常充電、短路和重物擠壓時(shí)電池不起火、不爆炸。三是CE認(rèn)證。近年來(lái)，在歐洲經(jīng)濟(jì)區(qū)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的商品中，CE認(rèn)證標(biāo)志的使用越來(lái)越多，加貼CE認(rèn)證標(biāo)志的商品表示其符合安全、衛(wèi)生、環(huán)保和消費(fèi)者保護(hù)等一系列歐洲指令所需表達(dá)的要求。

NiMH電池成本比鋰離子電池低，當(dāng)產(chǎn)品的正規(guī)使用狀況對(duì)電池而言不安全時(shí)，這種選擇將變得很敏感。這一問(wèn)題對(duì)于缺少?gòu)?fù)雜的充電設(shè)計(jì)的低成本產(chǎn)品更為重要。因?yàn)镹iMH電池適于完全充滿(mǎn)和完全放電的過(guò)程，這對(duì)于常常會(huì)將電能完全耗盡的產(chǎn)品比較合適，如：電動(dòng)工具。許多攜帶式產(chǎn)品需要定期充電，但它們只是偶爾消耗電能。這些產(chǎn)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(gè)重要優(yōu)勢(shì)：低自放電率，對(duì)于短時(shí)間的充放電沒(méi)有限制。消費(fèi)者不用考慮“電池管理”問(wèn)題，簡(jiǎn)化了產(chǎn)品使用[1]。

2 改革制造技術(shù)，提高電池性能、降低成本

1）日本PRIMIX公司開(kāi)發(fā)出了大量生產(chǎn)鋰離子充電電池時(shí)使用的新制造技術(shù)。這就是可通過(guò)連續(xù)處理電極漿料來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)的 “CDM工藝”，與原來(lái)采用間歇式混合機(jī)的方式相比，可削減工場(chǎng)的占地面積，耗電量及人工費(fèi)等，提高質(zhì)量的同時(shí)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(guò)在粘合劑及溶劑等液體中混入電極活性物質(zhì)及導(dǎo)電材料等粉末構(gòu)成。其涂布技術(shù)會(huì)給產(chǎn)品的性能、質(zhì)量及成本帶來(lái)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(xù)處理工藝，仍然以采用間歇式混合機(jī)的間歇處理為主流。在今后需求急劇擴(kuò)大的車(chē)載用途方面，從最初起就進(jìn)行大規(guī)模產(chǎn)量的計(jì)劃連續(xù)不斷，為此需要采用通過(guò)連續(xù)處理來(lái)制造電極漿料的工藝。

2）鋰電池雖已成為現(xiàn)代社會(huì)的便攜能源，但“有鋰有憂(yōu)”[3]。盡管鋰電池很好，仍不能承擔(dān)艱巨任務(wù)，驅(qū)動(dòng)一代電動(dòng)汽車(chē)。主要是沒(méi)有足夠的電流，或者不能一遍又一遍地快速釋放電流。問(wèn)題在于鋰電池的陰極，鋰電池中的陽(yáng)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(lái)方向就是尋找一種方法，改善陰極的比容量，同時(shí)保持鋰電池所要求的其他特征，如令人滿(mǎn)意的能效和良好的充電循環(huán)壽命[4]。

日前，斯坦福大學(xué)的王海亮等為了這個(gè)目標(biāo)，研究出硫作為所選陰極材料，使用少數(shù)靈巧的納米工程技術(shù)改變性能。他們的竅門(mén)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(guò)碳和硫之間的相互作用，使粒子導(dǎo)電，也支持粒子，因?yàn)樵诿總€(gè)放電周期，這些粒子都會(huì)膨脹和收縮。所產(chǎn)生的陰極，可保持的比容量大于600mAh/g，超過(guò)100個(gè)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(lái)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(jiān)硬的材料，其導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能超強(qiáng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)硅和其他傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料。很多人認(rèn)為，石墨烯可能取代硅成為未來(lái)的電子元件材料，在超級(jí)計(jì)算機(jī)、觸摸屏和光子傳感器等多個(gè)領(lǐng)域“大顯身手”。美國(guó)科學(xué)家制造出了一種由石墨烯和錫層疊在一起組成的納米復(fù)合材料，這種可用來(lái)制造大容量能源存儲(chǔ)設(shè)備的輕質(zhì)新材料可用于鋰離子電池中，其“三明治”結(jié)構(gòu)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(fù)這個(gè)過(guò)程制造出了這種復(fù)合材料。并對(duì)材料進(jìn)行了熱處理，通過(guò)在一個(gè)充滿(mǎn)氫氣和氬氣的環(huán)境中將其加熱到300℃，錫薄膜轉(zhuǎn)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(huì)不斷變化以適應(yīng)錫層高度的變化。新納米復(fù)合材料中石墨烯層之間高度變化會(huì)對(duì)電池的電化學(xué)循環(huán)有所改善，錫高度的變化也會(huì)改進(jìn)電池的性能。另外，這種適應(yīng)性也意味著電池能被快速地充電，而且重復(fù)充放電也不會(huì)降低其性能，這對(duì)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)的可充電電池來(lái)說(shuō)非常重要。

3 鋰離子動(dòng)力電池的安全性及保護(hù)措施

雖然，鋰離子二次電池的安全性相對(duì)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(jī)易燃物等，當(dāng)電池?zé)崃慨a(chǎn)生速度大于散熱速度時(shí)，就有可能出現(xiàn)安全性問(wèn)題。根據(jù)Ph．Biensan等的研究證明：鋰離子電池在濫用的條件下有可能產(chǎn)生使鋁集流體熔化的高溫（﹥700℃），從而導(dǎo)致電池出現(xiàn)冒煙、著火、爆炸、乃至人員受傷等情況。因此對(duì)鋰離子電池的研制和生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，電池的安全性不僅是指在各種測(cè)試條件下不出現(xiàn)以上意外現(xiàn)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(diǎn)決定的。①電池能量密度很高，如果發(fā)生熱失控反應(yīng)，放出的很高的熱量容易導(dǎo)致不安全行為發(fā)生；②鋰離子電池由于采用有機(jī)電解質(zhì)體系，有機(jī)溶劑是碳?xì)浠衔?，?．6 V左右易發(fā)生氧化，并溶劑易燃，若出現(xiàn)泄露等情況，會(huì)引起電池著火，甚至燃燒、爆炸；③鋰離子電池過(guò)充電反應(yīng)會(huì)是正極材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而使材料具有很強(qiáng)的氧化作用，使電解液中溶劑發(fā)生強(qiáng)烈氧化，并且這種作用是不可逆的，反應(yīng)引發(fā)的熱量如果積累會(huì)存在引發(fā)熱失控的危險(xiǎn)。因此，電池設(shè)計(jì)對(duì)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(dòng)力電池，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮時(shí)效性，尤其應(yīng)考慮電池在使用后期的安全性[6]。

2）材料對(duì)鋰離子動(dòng)力電池安全性的影響。一般而言，電池材料的熱穩(wěn)定性是鋰離子動(dòng)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(guān)，當(dāng)電池溫度升高時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生許多放熱反應(yīng)，如果產(chǎn)生的熱量超過(guò)了熱量的散失，就會(huì)發(fā)生熱溢潰。鋰離子電池材料之間主要放熱反應(yīng)有：SEI膜的分解、電解液分解、正極分解、負(fù)極與電解液的反應(yīng)、負(fù)極與粘合劑的反應(yīng)，此外，由于電池存在電阻，使用時(shí)也產(chǎn)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(fā)展的關(guān)鍵。和負(fù)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(fā)鋰離子電池安全隱患的主要原因。正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)對(duì)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(wěn)定性較好的正極材料是鋰離子動(dòng)力電池的關(guān)鍵；鋰化過(guò)渡金屬氮化物及過(guò)度金屬磷族化合物有可能為鋰離子電池負(fù)極材料的發(fā)展注入新的活力；隔膜本身是電子的非良導(dǎo)體，但也允許電解質(zhì)離子通過(guò)。此外，隔膜材料還必須具備良好的化學(xué)、電化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，而有機(jī)電解液具有良好的熱穩(wěn)定性。從根本上解決鋰離子電池安全性問(wèn)題應(yīng)為離子液體電解液。

3）制造工藝及制造過(guò)程與電池的安全性。鋰離子電池的制造工藝分為液態(tài)和聚合物鋰離子電池的制造工藝，無(wú)論是什么結(jié)構(gòu)的鋰離子電池，電極制造、電池裝配等制造過(guò)程都會(huì)對(duì)電池的安全性產(chǎn)生影響。如正極和負(fù)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(zhì)量控制，無(wú)一不影響電池的性能和安全性。

4）電池使用安全與保護(hù)[7]。對(duì)于鋰離子動(dòng)力電池，無(wú)論單體容量高低，必然采用電池的組合應(yīng)用，如果不能精確控制，對(duì)某個(gè)單體來(lái)說(shuō)，無(wú)異于濫用。鋰離子電池在實(shí)際應(yīng)用中為了提高安全性，需要保護(hù)電路以防止單體的過(guò)充或過(guò)放，為此，各有關(guān)電源管理控制集成電路生產(chǎn)廠(chǎng)商都推出了自己的多節(jié)鋰電池（電池組）保護(hù)集成電路芯片，它可監(jiān)控3、4節(jié)鋰離子電池的充放電狀態(tài)，并防止電池性能劣化。鋰離子電池的保護(hù)主要包括：①過(guò)充電保護(hù)。當(dāng)充電器對(duì)鋰離子電池過(guò)充電時(shí)，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。為此，保護(hù)器件需監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)其達(dá)到電池過(guò)充電壓時(shí)，即激活過(guò)充電保護(hù)功能，中止充電；②過(guò)放電保護(hù)。為了防止鋰離子電池的過(guò)放電狀態(tài)，當(dāng)鋰離子電池電壓低于其過(guò)放電電壓檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，即激活過(guò)放電保護(hù)，中止放電，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式；③過(guò)電流及短路保護(hù)。當(dāng)鋰離子電池的放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí)，保護(hù)器件將激活過(guò)電流保護(hù)功能。

4 結(jié) 論

鋰離子電池是最晚研究而商品化進(jìn)程最快的一種高性能電池，它以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)目前已成為各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的新能源。鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環(huán)性能好等優(yōu)點(diǎn)。此外，它還有自放電流小、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。鋰離子蓄電池經(jīng)過(guò)近年來(lái)的發(fā)展，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而鋰離子動(dòng)力電池雖已在市場(chǎng)上出現(xiàn)，但尚處于發(fā)展階段，越來(lái)越廣泛應(yīng)用于3 G領(lǐng)域、電動(dòng)車(chē)和混合型電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)領(lǐng)域。隨著電池體系、電池材料等安全性問(wèn)題的深入研究，需從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、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(fā)生，促進(jìn)鋰離子動(dòng)力電池的健康發(fā)展。

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[3]有鋰有憂(yōu)，如何正確選擇動(dòng)力鋰電池產(chǎn)品[EB/OL]．[2012-04-13]．http：//www．chinaaet．com/article/index．a(chǎn)spx?id=27761．

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[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(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司，鋰離子動(dòng)力電池安全性研究進(jìn)展[EB/OL]．[2011-06]．http：//www．bell0769．com．cn/bell0 769_Article_466796．html．

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