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、筆記本等便攜式電器中都可以見到。對人們的生活產(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

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，這個過程同時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動的過程，電池正極的化合物產(chǎn)生大量的鋰離子，進過電解液之后，鋰離子由正極運動到負極。而鋰離子電池的負極是由碳素材料構(gòu)成的，到達負極的鋰離子會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，負極的鋰離子脫離碳素材料的小孔，返回正極?；氐秸龢O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。這些問題會對電池造成比較嚴重的傷害，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，會引起電池內(nèi)電解質(zhì)的分解。而電解質(zhì)的分解會造成電池溫度的上升，降低電芯的使用壽命，分解嚴重時產(chǎn)生的氣體還可能會引起電池的爆炸。

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。應(yīng)該在充電時對電池設(shè)置保護設(shè)施，當電壓超過電芯的承受值時，設(shè)置的保護電路要自動切斷充電回路，而當電壓回歸到電芯能夠承受的范圍內(nèi)時，保護電路自動終止工作，進行正常充電。

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)置保戶電路時要根據(jù)具體的電池材料來進行。

除此之外，在設(shè)置保護電路時，還應(yīng)該注意因為噪聲而產(chǎn)生的錯誤判斷和操作。在設(shè)置保護電路時，應(yīng)該設(shè)置過充保護延時，也就是說電壓超過電芯承受值一定時間之后才會觸發(fā)保護電路的保護工作。

2.2 過放電問題

過放電問題也會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電池造成的傷害是不可逆轉(zhuǎn)的，也就是說，一旦因為過放電問題對電池造成了損害，采用任何措施都不能讓電池恢復(fù)健康的狀態(tài)。

為了對鋰離子電池進行適當?shù)谋Ｗo，需要對過放電問題進行預(yù)防，設(shè)置放電保護裝置。當鋰離子電池的電壓低于放電電壓監(jiān)測點時，放電保護裝置可以自動發(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過大的電流也會造成對電池的損害，而且這種損害同樣是不可逆轉(zhuǎn)的。鋰離子電池對放電電流有一定的限制，當放電電流超過這個臨界值時，電池的壽命就會受到影響。

過流保護也需要設(shè)置一定的時間延遲，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電池使用過程的影響。但是延遲時間過長，針對過電流問題的保護作用就起不到效果，仍然會造成對電池的損害，所以延遲的時間要有一個比較準確的空間。

過流問題中的一個特殊表現(xiàn)就是短路問題，生活中常見到這樣的場景，在插座上插入大功率的電器時，就會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線路時間延遲的問題，而是應(yīng)該在短路問題發(fā)生的瞬間就切斷回路，否則會對電池和電器造成嚴重的損失。

2.4 電池均衡問題

動力鋰離子電池有時候需要幾串、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。這是因為電池的生產(chǎn)需要經(jīng)過很多道工序，雖然在最后都經(jīng)過了非常嚴格的檢測，但畢竟在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生各種各樣的差異，使用一段時間之后，這些差異就會開始慢慢顯現(xiàn)。

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

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

3.實現(xiàn)保護功能的技術(shù)研究

保護鋰離子電池的方法一般有以下兩種：單片機控制和集成電路保護芯片。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，只是價格會比較昂貴。

在實際應(yīng)用時要注意對IC的選擇，不同的芯片對過充電保護的電壓是不一樣的，要選擇最適當?shù)谋容^容易控制的類型。另外還要考慮IC的自身功耗如何，外圍電路是否夠簡單，保護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瞬間可能會產(chǎn)生高壓，因此IC應(yīng)具備耐高壓的特點。

如圖1所示為以精工S-8254A為保護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電路和延遲電路，可保護3節(jié)或4節(jié)串聯(lián)電池進行充電。

圖1 以精工S-8254A為保護IC的4串應(yīng)用原理圖

3.2 MCU控制

當前的集成電路對芯片的保護一般是針對4節(jié)以下串聯(lián)的電池組，而對于4節(jié)以上的電池組所采用的方法是完全不同的。具體可以包括多個單級保護芯片串聯(lián)或幾個多級保護芯片串聯(lián)等方式。為了節(jié)約成本和增加靈活性，很多時候鋰離子電池采用以MCU（微處理器）為核心的設(shè)計方案。

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

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

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