锂电池的基本知识

锂电池的基本知识 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 这里列举大家较熟悉的 1 尺寸代码 D 2 尺寸代码 C 及 5 尺寸代码 AA 电池的主要参数 如表 1 所示 型号中的 CR 表示为圆柱形锂 二氧化锰电池 五位数字中 前两位表示电池的直径 后 三位表示带一位小数的高度 例如 CR14505 其直径为 14mm 高度为 50 5mm 这种型号是 通用的 这里要指出的是不同工厂生产的同型号的电池其参数可能有些差别 另外 表 1 中的标 准放电电流值是较小的 实际放电电流可以大于标准放电电流 并且连续放电及脉冲放电的 允许放电电流也不同 由电池厂提供有关数据 例如 力兴电源公司生产的 CR14505 给出最 大连续放电电流为 1000mA 最大脉冲放电电流可达 2500mA 照相机中用的锂电池多半是锂 二氧化锰电池 这里将照相机中常用的锂 二氧化锰电 池列入表 2 供参考 纽扣式 扣式 电池尺寸较小 其直径为 12 5 24 5mm 高度为 1 6 5 0mm 几种较 常用的扣式电池如表 3 所示 表 3 中的型号 CR 为圆柱形锂 二氧化锰电池 后四位数字中前两位为电池的直径尺寸 后两位为带小数点的高度尺寸 例如 CR1220 的直径为 12 5mm 不包括小数点后的数 其 高度为 2 0mm 这种型号表示方法是国际通用的 这种扣式电池常用于时钟 计算器 电子记事本 照相机 助听器 电子游戏机 IC 卡 备用电源等 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 常见的 1 2 及 5 圆柱形锂 亚硫酰氯电池的参数如表 4 所示 以 1 尺寸代码 D 镍镉电池与 1 锂 亚硫酰氯电池的比能量作一个比较 1 镍镉电池 的额定电压为 1 2V 容量为 5000mAh 1 锂 亚硫酰氯的额定电压为 3 6V 容量为 10000mAh 则后者的比能量比前者大 6 倍 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 0 015 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 1 F 的表面贴装式电容 器件工作电流 5 A 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 25m 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 有兴趣的读者可从网 上查阅该监控器的有关内容 网址 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 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 0 015 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 1 F 的表面贴装式电容 器件工作电流 5 A 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