锂元素介绍及锂电池的基本知识

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锂元素介绍及锂电池的基本知识

文章来源：中国IEEE整理点击数：更新时间：2008-6-20 【字体：小大】

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　　便携式电子产品以电池作为电源。随着便携式产品的迅猛发展，各种电池的用量大增，并且开发出许多新型电池。除大家较熟悉的高性能碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外，还有近年来开发的锂电池。本文主要介绍有关锂电池的基本知识。这包括它的特性、主要参数、型号的意义、应用范围及使用注意事项等。

　　锂是一种金属元素，其化学符号为li(其英文名为lithium)，是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属，在金属中是最轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃(电视机上用的荧光屏玻璃)及锂电池。在锂电池中它用作电池的阳极。

　　锂电池也分成两大类：不可充电的及可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能(或者还原性能极差)。而可充电的电池称为二次性电池(也称为蓄电池)。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的，如电能化学能锂电池的主要特点：灵巧型便携式电子产品要求尺寸小、重量轻，但电池的尺寸及重量与其它电子元器件相比往往是最大的及最重的。例如，想当年的“大哥大”是相当“粗大、笨重”，而今天的手机是如此的轻巧。其中电池的改进是起了重要作用的：过去是镍镉电池，现在是锂离子电池。

　　锂电池的最大特点是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用wh/kg或wh/l来表示。wh是能量的单位，w是瓦、h是小时；kg是千克(重量单位)，l是升(体积单位)。这里举一个例来说明：5号镍镉电池的额定电压为1.2v，其容量为800mah，则其能量为0.96wh(1.2v×0.8ah)。同样尺寸的5号锂－二氧化锰电池的额定电压为3v，其容量为1200mah，则其能量为3.6wh。这两种电池的体积是相同的，则锂－二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的3.75倍!

　　一节5号镍镉电池约重23g，而一节5号锂－二氧化锰电池约重18g。一节锂－二氧化锰电池为3v，而两节镍镉电池才2.4v。所以采用锂电池时电池数量少(使便携式电子产品体积减小、重量减轻)，并且电池的工作寿命长。

　　另外，锂电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。

　　锂电池的缺点是价格昂贵，所以目前尚不能普遍应用，主要应用于掌上计算机、pda、通信设备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、仪器等。随着技术的发展、工艺的改进及生产量的增加，锂电池的价格将会不断地下降，应用上也会更普遍。

    不可充电的锂电池

　　不可充电的锂电池有多种，目前常用的有锂－二氧化锰电池、锂—亚硫酰氯电池及锂和其它化合物电池。本文仅介绍前两种最常用的。

　　1锂－二氧化锰电池(limno2)
　　锂－二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极，并采用有机电解液的一次性电池。该电池的主要特点是电池电压高，额定电压为3v(是一般碱性电池的2倍)；终止放电电压为2v；比能量大(见上面举的例子)；放电电压稳定可靠；有较好的储存性能(储存时间3年以上)、自放电率低(年自放电率≤2％)；工作温度范围－20℃～＋60℃。
　　该电池可以做成不同的外形以满足不同要求，它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式)。圆柱形的也有不同的直径及高度尺寸。

　　2锂－亚硫酰氯电池(lisocl2)
　　锂－亚硫酰氯电池是比能量最高的一种，目前可达到500wh/kg或1000wh/l的水平。它的额定电压是36v，以中等电流放电时具有极其平坦的34v放电特性(可在90％容量范围内平坦地放电，保持不大的变化)。电池可以在－40℃～＋85℃范围内工作，但在－40℃时的容量约为常温容量的50％。自放电率低(年自放电率≤1％)、储存寿命长达10年以上。
应用注意事项

　　上述两种锂电池是一次性电池，不可充电(充电时有危险!)；电池正负极之间不可短路；不可以过大电流放电(超过最大放电电流放电)；电池使用至终止放电电压时，应从电子产品中及时取出；用完的电池不可挤压、焚烧及拆卸；不可超过规定温度范围使用。

　　由于锂电池的电压高于普通电池或镍镉电池，使用时不要搞错以免损坏电路。通过熟悉型号中的cr、er就可以知道它的种类及额定电压。在购买新电池时，一定要按原来的型号来买，否则会影响电子产品性能。

    可充电的锂电池

　　可充电的锂电池有多种，如锂-钒氧化物电池，锂离子电池及国外新开发的锂-聚合物电池等。这里仅介绍前两种，重点介绍锂离子电池。

　　可充电锂离子电池是目前手机中应用最广泛的电池，但它较为“娇气”，在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。

　　锂离子电池充电要求很高，要保证终止电压精度在1%之内，目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池充电的ic，以保证安全、可靠、快速地充电。

　　现在手机已十分普遍，手机中一部分是镍氢电池，但灵巧型的手机则是锂离子电池。正确地使用锂离子电池对延长电池寿命是十分重要的。

    1. 锂-钒氧化物电池(li-v6o13)

　　锂-钒氧化物电池以锂为阳极、钒氧化物为阴极、无机盐的有机溶剂为电解质组成。它的特点是可以充电。以2号电池为例，将锂-钒氧化物电池与锂-二氧化锰电池及锂-亚硫酰氯电池相比较如表5所示。

　　由表5可知，由于锂-钒氧化物电池的额定电压仅为2.8v，而且额定容量也小，故与其它两种锂电池相比，其比能量是最小的。该类圆柱形电池的主要参数如表6所示。从表6可看出，其充电次数(循环寿命)也不长，所以这种可充电电池不久就由锂离子电池替代了。

    2. 锂离子电池(li-ion)

　　锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，并且有由几个电池串联在一起组成的电池组。

　　锂离子电池的额定电压为3.6v(有的产品为3.7v)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：阳极材料为石墨的4.2v；阳极材料为焦炭的4.1v。不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别，如图1所示。一般称为4.1v锂离子电池及4.2v锂离子电池。锂离子电池的终止放电电压为2.5v～2.75v(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同)。低于终止放电电压继续放电称为过放，过放对电池会有损害。

　　锂离子电池不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。
锂离子电池对温度有一定要求，工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。
锂离子电池对充电的要求是很高的，它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%(例如，充4.2v的锂离子电池，其允差为±0.042v)，过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流(过热)。一般常用的充电率为0.25c～1c（c是电池的容量，如c=800mah，1c充电率即充电电流为800ma）。在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止过热损坏电池或产生爆炸。

　　锂离子电池充电分为两个阶段：先恒流充电，到接近终止电压时改为恒压充电，其充电特性如图2所示。这是一种800mah容量的电池，其终止充电电压为4.2v。电池以800ma(充电率为1c)恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4.2v时，改成4.2v恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为1/10c(约80ma)时，认为接近充满，可以终止充电(有的充电器到1/10c后启动定时器，过一定时间后结束充电)。

　　各种锂离子电池的性能如表7所示。

　　表7(a)型号中的6位数字，前两位为高度尺寸，中间两位为宽度尺寸，后两位为长度尺寸(mm)。例如lis063048，其高为6.7mm，宽为29.9mm，长度为48mm。
　　表7(b)型号的四位数字中，前两位为直径，后两位为带一位小数点的高度尺寸。例如lir2025，它的直径为20mm，高度为2.5mm。
锂离子电池保护元件及保护电路
　　锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用寿命。为此，开发出各种保护元件及由保护ic组成的保护电路。它安装在电池或电池组中，使电池获得完善的保护。

    1. 正温度系数聚合物保护元件

　　tyco公司最近推出了vlr230(5×12mm)及vlr170(3.6×10mm)自复式条状保护元件，它专门用于锂离子电池或镍氢电池组作过流或过热保护。它在正常温度时自身电阻极低(如vlr230的阻值为0.015ω)，一旦超过阈值电流或阈值温度，电阻会急剧升高而起到保护作用(该保护元件串联在电池电路中，有的安装在电池中)。元件的特性如图3所示，电路如图4所示。这种保护元件在有短路及过充或过放情况发生时，产生大量的热使电池温度升高，由于保护元件的高阻抗而得到保护。当故障排除或断开电路时，它有自复作用(即回到低阻抗)。
在60℃以下vlr170可提供700ma、vlr230可提供900ma充电或放电电流。两元件耐压均为12v。

    2. 锂离子保护器ic

　　texas公司最近开发出内部集成了mosfet开关的锂离子电池保护器ic，其尺寸仅为4.55×3.44×0.88mm(型号为vcc3952a)，它适用于4mm厚的手机锂离子电池作保护用。它外部仅需要一个0.1μf的表面贴装式电容。器件工作电流5μa，可通过3a电流，有4.2v～4.35v四个标准过压电压。它还可用于单锂离子电池中。

　　本刊2000年第5期发表了“锂-离子电池保护器ic—aic1811”一文。该文较详细地介绍了它的工作原理及有关电路，这里不再介绍。

　　最近dallas公司开发了高精度锂离子电池监控器ds2760。它包括一个锂离子电池保护电路及一个25mω的电流敏感电阻(电流检测电阻)，该器件是3.25×2.75mm管芯封装。其中有10位电流a/d变换器、10位电压a/d变换器、一个正负10位温度传感器及eeprom等。它采用单线与主系统通信来控制电池的充、放电，全面地保护锂离子电池。

　　应用注意事项

　　锂离子电池应用注意事项除与上述不可充电的锂电池相同外，在充电方面还应注意以下几点：
1. 锂离子电池有4.1v及4.2v终止充电的不同品种，因此在充电时注意的是4.1v的电池不能用4.2v的充电器充电，否则会有过充的危险(4.1v与4.2v的充电器用的充电器ic是不同的!)。
2. 对电池充电时，其环境温度不能超过产品特性表中所列的温度范围。
3. 不能反向充电。
4. 不能用充镍镉电池的充电器(充三节镍镉电池的)来充锂离子电池(虽然额定电压一样，都是3.6v)，但充电方式不同，容易造成过充。
在放电方面应注意以下几点：
1. 锂离子电池放电电流不能超过产品特性表中给出最大放电电流。放电电流较大时，会产生较高的温度(损耗能量)，减少放电时间，若电池中无保护元件会产生过热而损坏电池。
2. 不同温度下放电曲线是不同的，如图5所示。从图中可以看出，在不同的温度下，其放电电压及放电时间也不同。在-20℃放电时情况最差。

在贮存方面：

1. 电池若长期贮存，要保持在50%放电态。

2. 电池应保存在低温、干燥坏境中。

3. 要远离热源，也不要置于阳光直射的地方。

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