高性能鋰離子電池

2004年7月B版

　　上世紀90年代初，鋰離子電池走出實驗室，并很快實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。以鋰離子化學(xué)為基礎(chǔ)的電池，其輸出電壓通常是鎳鎘電池或鎳氫電池的三倍，輸出電能總量是同樣大小鎳鎘電池的兩倍。鋰離子電池儲存的電功率目前已經(jīng)能夠達到2200毫安-小時，所以設(shè)計人員經(jīng)常選用鋰離子電池作為便攜式設(shè)備的電源。

　　鋰離子電池與鎳氫電池或鎳鎘電池相比有兩個明顯的優(yōu)點：重量輕和儲能密度高(見圖1)。每個鋰離子電池可以提供的能量密度大約為100瓦特-小時/公斤或200瓦特-小時/升，輸出電壓可在4.2V~3.7V。由于這類電池的自放電率很低，所以比較適合在使用期限長，但不經(jīng)常使用的設(shè)備中作為電源使用。

　　Kamen Nechev說：“使用者應(yīng)該知道鋰離子電池有兩種類型：一種是普通的鋰離子電池，另一種是新型鋰聚合物電池?！盞amen Nechev是Saft公司Cockeysville醫(yī)學(xué)設(shè)備部的高級科學(xué)家。 鋰聚合物電池使用固態(tài)的聚合材料作為電解質(zhì)?！斑@種電解質(zhì)在室溫下導(dǎo)電性能不好，”Kamen Nechev接著說，“因此鋰聚合物電池需要高溫(80℃~100℃)環(huán)境才能正常工作，所以鋰聚合物電池的用處很有限。”

　　“所以現(xiàn)在當人們談?wù)撈痄嚲酆衔镫姵貢r，通常是指采用有機電解質(zhì)的電池，在電池的兩個電極之間充滿了凍膠狀聚合物材料，”Kamen Nechev接著說。“這種不含水份的電解質(zhì)在聚合體內(nèi)能保持穩(wěn)定。在小型電池中(電容量< 500毫安-小時)，這種電池結(jié)構(gòu)可以提供比較高的安全性，但功率密度會因此而稍微減小一些。但對尺寸大的電池來說，并不能因此而提高安全性?！?/P>

　　軟封裝和凍膠狀電解質(zhì)提高了安全性。當充電超過規(guī)定的容量時，軟封裝的電池比采用金屬外殼封裝的液體電解質(zhì)的鋰離子電池發(fā)散壓力容易得多，因而也就更加安全。這種凍膠狀電解質(zhì)天生就能減緩離子的傳送，因此就能防止電池電流的急劇增大，從而減少電池內(nèi)部在短時間內(nèi)聚集起過多的熱量。

　　 鋰離子電池的化學(xué)機理使其與其他類型的電池相比性能

　　更杰出(即提供高的能量密度)。

　　典型鋰離子電池的放電曲線，顯示在不同的放電速率下，輸出電壓隨時間的改變。2.0C那條曲線(放電速率為正常放電時間為一個小時時的放電速率的兩倍)表示一個30分鐘的放電過程。

　　 Saft公司的大號電池，能夠在很短的放電時間內(nèi)提供很大的電流。而且需要長期供應(yīng)電能的應(yīng)用場合也可以使用大號電池。

能量和功率

　　鋰離子電池制造商讓用戶來選擇需要電池能量還是功率。Valence Technology公司的工程部主任Rick Thompson說：“電池以規(guī)則的、適當?shù)乃俾式o諸如筆記本電腦之類的設(shè)備提供電力。一塊標準的電能容量為2200毫安-小時的‘18650’圓柱型電池，如果以1100毫安電流放電，可以維持兩個小時。”圖2中的C表示的是電池的電荷，不是庫侖。

　　隨著電池放電速率的增加，電池的能量效率就逐步降低。請看一個例子：標稱電能容量為2000毫安-小時的電池，如果以2000毫安電流放電，應(yīng)該可以維持一個小時，但實際上如按照此速率放電，只能提供1900毫安-小時的能量，即只有9 5%的儲存電能。若用更大的電流放電，假設(shè)在20分鐘內(nèi)把電池的能量放完，則電池只能供應(yīng)1600毫安-小時的電能，即能量效率只有80%。有些應(yīng)用需要較大的功率，即必須在較短的時間內(nèi)給出較大的電流，為此制造廠商提供了功率型電池，這種電池為了提高輸出的功率，必須以犧牲一部分儲存的能量作為代價。功率電池可以規(guī)定只允許充入1700毫安-小時的電能，它可以在很寬的放電速率范圍內(nèi)輸出1700毫安電流。

　　“人們存在一個錯誤觀念，認為鋰離子電池只能做成小號電池，儲存的電能也不多，” Kamen Nechev說，“我們制造了可以以500安培電流放電20秒的電池。這種電池可以用在諸如激光或微波干擾臺等定向能量系統(tǒng)。鋰離子電池也能在很低的溫度下工作，最低可以達到 -40℃，可用于飛機或各種車輛。當然，這種電池需要特殊的構(gòu)造，與移動電話中所使用的鋰電池構(gòu)造不同?！?見圖3)

　　為在鋰離子電池中儲存更多電能，許多電池制造商付出了很大努力，英特爾公司可能會給他們一些幫助。用在筆記本電腦上的英特爾Centrino芯片(1.7GHz)，采用自動關(guān)掉部分電路電源的方法，即不使用某功能時就切斷這部分的電源，只有當必需接通這部分電源時才啟動的管理方法，以節(jié)省電能，使電池可以持續(xù)使用長達400分鐘。標準配置的奔騰4(2.6GHz)筆記本電腦，若使用同樣電能容量的電池，則只能維持290分鐘。

　　隨著制造商不斷地在移動電話產(chǎn)品中增加新的功能和特色，電池的使用周期卻越來越短。根據(jù)《華爾街》雜志報道，日本生產(chǎn)了一款新手機，可以接收電視和廣播節(jié)目，但是電池只能維持手機運行一個小時。

兩種形狀電池滿足大部分需要

　　雖然薄片電池可以在一些應(yīng)用場合找到用武之地，但大多數(shù)鋰離子電池只采用兩種形狀：圓柱狀和矩形塊狀，也稱為棱柱狀。通常圓柱狀的電池可以提供較高的電能密度，而隨著棱柱狀電池的尺寸減小，其電能密度也隨之減小。

　　圓柱型電池的橫截面看起來象是一個由導(dǎo)體、絕緣體和電解質(zhì)組成的果凍卷。最常用的棱柱型電池看起來象是一個壓扁的果凍卷，因為它是環(huán)繞著一個扁平的心軸，而不是環(huán)繞著一個針狀物卷起來而形成的。除了提供圓柱型和棱柱型電池外，Valence Technology公司也提供由Bellcore公司開發(fā)的疊板技術(shù)(stacked plate technology)。“我們可以在電極上沖孔，把它們堆疊起來，然后放在一個柔性的包裝內(nèi)形成電池?！盫alence Technology公司的Rick Thompson說(見圖4)。

　　多層電極構(gòu)造在幾年前就受到眾多關(guān)注，當時工程師們正在思考如何設(shè)計特殊形狀的電池。由于定做特殊形狀的電池價格比較高，因此迫使廠商提供標準尺寸的系列電池。但客戶仍然可以定做特殊形狀的電池，只是需要付一筆相當可觀的定制(NRE)費。

電池尺寸

　　通常在指定電池尺寸的規(guī)格時，很容易搞錯。例如18650這個數(shù)表示直徑為18毫米，高為65毫米的圓柱型電池。棱柱型電池的尺寸規(guī)格也使用類似的數(shù)字表示方法，例如，383555表示3.8mm