聚合物锂电池介绍

聚合物锂电池

    根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池可分为三类： 

   （1）固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。 

   （2）凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使 用。 

   （3）聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料，其比能量是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂离子电池相比，聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50％以上。此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。 

    聚合物锂离子的发展趋势展望 

    聚合物锂离子电池在全球技术成熟并商业化已经2年多时间了，虽然销量在快速增长，但其市场份额尚低于10%，与液态锂电90%的市场份额无法相比，大大低于人们的预期。由于各种原因，目前市场上聚合物的价格普遍要高于液态锂电，但是，由于移动电器的竞争模式正在悄悄地发生变化，特别是聚合物电池给移动电器带来的设计价值创新（如4mm厚度以下的优越性能、大型规格电池），聚合物电池正被越来越多的手机、移动DVD等设计人员所认识，因而聚合物厂商还是信心十足，坚信聚合物的时代一定会到来。可以从手机的发展看聚合物锂离子电池的发展趋势。目前手机有以下几个发展趋势： 

   (1) 手机本身向小型化、超薄化方向发展，以方便消费者的携带； 

   (2) 手机设计的个性化，表现在设计理念已经不再是原来方方正正的形状，不规则形状、曲线、弧面设计造型成为手机设计美学化的主流； 

   (3) 使用彩屏、手机功能的不断增加。为了使手机小型化，电池减小、减薄是一个最有效的途径。4mm以下厚度电池有成为薄型手机配置的主流趋势，从性价比来讲，这是聚合物的特长。不规则形状、曲线、弧面设计造型的手机给电池留下的有效空间变成了不规则形状。液态的长方型不能有效利用空间，容量较低，而叠片式聚合物可以将这种不规则空间最有效地利用起来，使容量放大。最近TCL金能公司推出的圆弧型电池、梯形电池、背包电池能使手机比使用相应规格的液态电池容量增加50%以上。手机功能越来越多，导致耗电越来越多。要求电池容量相应地增加。在不增加电池厚度的情况下，聚合电池是有明显优势的。与此相似，笔记本电脑、蓝牙耳机、小灵通手机、移动DVD等电器都在向移动、便携化方向发展，都配上了液晶显示，而且功能在不断增多，液晶屏幕在不断增大。这些都给聚合物锂离子电池提供了无限的商机。

使用聚合物锂离子电池的注意事项 

一、电芯操作注意事项 

　　由于电芯属于软包装，为保证电芯的性能不受损害，必须小心对电芯进行操作。

　　1.铝箔包装材料

　　铝箔包装材料易被尖锐部件刺损，诸如镍片、尖针。

　　禁止用尖锐部件碰撞电池

　　应清洁工作环境，避免有尖锐部件存在

　　禁止用钉子及其它利器刺穿电池

　　禁止将电池与金属物，如项链、发夹等一起运输或贮存

　　2.顶封边

　　顶封边非常容易受到损害

　　禁止弯折顶封边

　　3.折边

　　折边在电池生产过程中已完成，并通过了密封测试。

　　禁止打开或破坏折边 　

　  4.极耳

　　极耳的机械强度并非异常坚固，特别是铝片。

　　禁止弯折极耳

　　5.机械撞击

　　禁止坠落、冲击、弯折电芯

　　禁止用锤子敲击或踩踏电池

　　禁止敲击或抛掷电池。

　　6.短路

　　任何时候禁止短路电芯，它会导致电芯严重损坏

　　禁止用金属物如电线短路连接电池正负极

　　二、聚合物锂离子电池测试标准环境

　　环境温度： 20±5℃

　　相对湿度： 45～85%

　　在测试前电池都要先放完电

　　三、聚合物锂离子电池充放电注意事项

　　1.充电

　　充电电流及充电电压不得超过以下标准，如超过规定值可能会对电芯的充放电性能、机械性能及安全性造成造成损坏，进可能导致发热及泄漏。 

　　电池充电器必须能恒流恒压充电；

　　充电时的单体电池充电电流必须在1C5A以下；

　　充电时温度范围在0～+45℃；

　　充电时电压不能超过4.23V。

　　2.放电

　　放电电流不得超过以下标准，放电必须在本标准范围内进行。

　　单体电池放电电流必须小于2C5A；

　　放电时温度范围在-20～+60℃；

　　单体电池放电终止电压不小于2.75V。

　　3.过放电

　　需要注意的是，在电芯长期未使用期间，它可能会用其自放电特性而处于某种过放电状态。为防止过放电的发生，电芯应定期充电，将其电压维持在3.0V以上。过放电会导致电芯性能、电池功能的丧失。

　　不能过放电使单体电池低于2.5V。

　　4.具体应用时要求加合格保护电路板。

　　四、聚合物锂离子电池贮存

　　电池长期贮存的环境为：温度-20～+35℃

　　相对湿度 45～75% 

　　电池贮存期近一年时要用标准充电方式给电池充电10%～50%。

　　五、聚合物锂离子电池运输

　　电池应在10%～50%的充电状态下运输。

　　六、聚合物锂离子电池其它使用说明

　　1.为了防止电池可能发生泄漏、发热、爆炸，请注意以下预防措施：

　　禁止在任何情况下拆卸电芯。 

　　禁止将电池浸入水中或海水中，不能受潮。 

　　禁止在热源旁，如火、加热器等，使用或放置电池。 

　　禁止将电池加热或丢入火中。 

　　禁止直接焊接电池。 

　　禁止在火边或很热的环境中充电。 

　　禁止将电池放入微波炉或高压容器内。 

　　禁止在高温下（如强阳光或很热的汽车中）使用或放置电池，否则会引起过热、起火或者功能衰退、寿命减小。 

　　2.聚合物锂离子电池理论上不存在流动的电解液，但万一有电解液泄漏而接触到皮肤、眼睛或身体其它部位，应立即用清水冲冼电解液并就医。

　　3.禁止使用已损坏的电芯（电芯塑料封边损坏，外壳破损，闻到电解液气体，电解液泄漏等）。

　　如有电解液泄漏或散发电解液气味的电池应远离火源以避免着火或爆炸。

锂电池保护电路综述

　　锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流／短路保护和过放电保护，要求过充电保护高精密度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性。本文详细介绍了这三种保护电路的原理、新功能和特性要求。

　　 近年来，PDA、数字相机、手机、可携式音讯设备和蓝芽设备等越来越多的产品采用锂电池作为主要电源。锂电池具有体积小、能量密度高、无记忆效应、循环寿命高、高电压电池和自放电率低等优点，与镍镉、镍氢电池不太一样，锂电池必须考虑充电、放电时的安全性，以防止特性劣化。针对锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护很重要，所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保护锂电池。 

　　 由于锂离子电池能量密度高，因此难以确保电池的安全性。在过度充电状态下，电池温度上升后能量将过剩，于是电解液分解而产生气体，因内压上升而产生自燃或破裂的危险；反之，在过度放电状态下，电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化，因而降低可充电次数。 

　　 锂离子电池的保护电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全性，并防止特性劣化。锂离子电池的保护电路是由保护IC及两颗功率MOSFET所构成，其中保护IC监视电池电压，当有过度充电及放电状态时切换到以外挂的功率MOSFET来保护电池，保护IC的功能有过度充电保护、过度放电保护和过电流／短路保护。

　　 一、过度充电保护

　　 过度充电保护IC的原理为：当外部充电器对锂电池充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。此时，保护IC需检测电池电压，当到达4.25V时（假设电池过充点为4.25V）即激活过度充电保护，将功率MOSFET由开转为切断，进而截止充电。 

　　 另外，还必须注意因噪音所产生的过度充电检出误动作，以免判定为过充保护。因此，需要设定延迟时间，并且延迟时间不能短于噪音的持续时间。 

　　 二、过度放电保护

　　 在过度放电的情况下，电解液因分解而导致电池特性劣化，并造成充电次数的降低。采用锂电池保护IC可以避免过度放电现象产生，实现电池保护功能。 

　　 过度放电保护IC原理：为了防止锂电池的过度放电状态，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过度放电电压检测点（假定为2.3V）时将激活过度放电保护，使功率MOSFET由开转变为切断而截止放电，以避免电池过度放电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅0.1μA。 

　　 当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。 

　　 三、过电流及短路电流 

　　 因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路，为确保安全，必须使其立即停止放电。 

过电流保护IC原理为，当放电电流过大或短路情况产生时，保护IC将激活过（短路）电流保护，此时过电流的检测是将功率MOSFET的Rds(on) 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，运算公式为: 

V- = I × Rds(on) × 2（V- 为过电流检测电压，I 为放电电流）

假设 V- = 0.2V，Rds(on) = 25mΩ，则保护电流的大小为 I = 4A

　　 同样地，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。 

　　 通常在过电流产生后，若能去除过电流因素（例如马上与负载脱离），将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作。 

　　 四、锂电池保护IC的新功能 

　　 除了上述的锂电池保护IC功能之外，下面这些新的功能同样值得关注： 

　　 1.充电时的过电流保护 

　　 当连接充电器进行充电时突然产生过电流（如充电器损坏），电路立即进行过电流检测，此时Cout将由高转为低，功率MOSFET由开转为切断，实现保护功能。

　　V- = I × Rds(on) × 2

　　（I 是充电电流；Vdet4，过电流检测电压，Vdet4 为 -0.1V）

　　 2.过度充电时的锁定模式 

　　 通常保护IC在过度充电保护时将经过一段延迟时间，然后就会将功率MOSFET切断以达到保护的目的，当锂电池电压一直下降到解除点（过度充电滞后电压）时就会恢复，此时又会继续充电→保护→放电→充电→放电。这种状态的安全性问题将无法获得有效解决，锂电池将一直重复着充电→放电→充电→放电的动作，功率MOSFET的栅极将反复地处于高低电压交替状态，这样可能会使MOSFET变热，还会降低电池寿命，因此锁定模式很重要。假如锂电保护电路在检测到过度充电保护时有锁定模式，MOSFET将不会变热，且安全性相对提高很多。 

　　 在过度充电保护之后，只要充电器连接在电池包上，此时将进入过充锁定模式。此时，即使锂电池电压下降也不会产生再充电的情形，将充电器移除并连接负载即可恢复充放电的状态。 

　　 3.减少保护电路组件尺寸 

　　 将过度充电和短路保护用的延迟电容器整合在到保护IC里面，以减少保护电路组件尺寸。 

　　 五、对保护IC性能的要求 

　　 1.过度充电保护的高精密度化 

　　 当锂离子电池有过度充电状态时，为防止因温度上升所导致的内压上升，须截止充电状态。保护IC将检测电池电压，当检测到过度充电时，则过度充电检测的功率MOSFET使之切断而截止充电。此时应注意的是过度充电的检测电压的高精密度化，在电池充电时，使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题，同时兼顾到安全性问题，因此需要在达到容许电压时截止充电状态。要同时符合这两个条件，必须有高精密度的检测器，目前检测器的精密度为25mV，该精密度将有待于进一步提高。 

　　 2.降低保护IC的耗电 

　　 随着使用时间的增加，已充过电的锂离子电池电压会逐渐降低，最后低到规格标准值以下，此时就需要再度充电。若未充电而继续使用，可能造成由于过度放电而使电池不能继续使用。为防止过度放电，保护IC必须检测电池电压，一旦达到过度放电检测电压以下，就得使放电一方的功率MOSFET切断而截止放电。但此时电池本身仍有自然放电及保护IC的消耗电流存在，因此需要使保护IC消耗的电流降到最低程度。

　　 3.过电流／短路保护需有低检测电压及高精密度的要求 

　　 因不明原因导致短路时必须立即停止放电。过电流的检测是以功率MOSFET的Rds(on)为感应阻抗，以监视其电压的下降，此时的电压若比过电流检测电压还高时即停止放电。为了使功率MOSFET的Rds(on)在充电电流与放电电流时有效应用，需使该阻抗值尽量低，目前该阻抗约为20mΩ～30mΩ，这样过电流检测电压就可较低。 

　　 4.耐高电压 

　　 电池包与充电器连接时瞬间会有高压产生，因此保护IC应满足耐高压的要求。 

　　 5.低电池功耗 

　　 在保护状态时，其静态耗电流必须要小0.1μA。 

　　 6.零伏可充电 

　　 有些电池在存放的过程中可能因为放太久或不正常的原因导致电压低到0V，故保护IC需要在0V时也可以实现充电。 

　　六、保护IC发展展望 

　　 如前所述，未来保护IC将进一步提高检测电压的精密度、降低保护IC的耗电流和提高误动作防止功能等，同时充电器连接端子的高耐压也是研发的重点。 在封装方面，目前已由SOT23-6逐渐转向SON6封装，将来还有CSP封装，甚至出现COB产品用以满足现在所强调的轻薄短小要求。 

　　 在功能方面，保护IC不需要整合所有的功能，可根据不同的锂电池材料开发出单一保护IC，如只有过充保护或过放保护功能，这样可以大幅减少成本及尺寸。 

　　 当然，功能组件单晶体化是不变的目标，如目前手机制造商都朝向将保护IC、充电电路以及电源管理IC等周边电路与逻辑IC构成双芯片的芯片组，但目前要使功率MOSFET的开路阻抗降低，难以与其它IC整合，即使以特殊技术制成单芯片，恐怕成本将会过高。因此，保护IC的单晶体化将需一段时间来解决。