鉅大LARGE | 點擊量：2025次 | 2019年05月29日
高性能鋰離子電池有哪些優(yōu)點
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。以鋰離子化學為基礎的電池，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能夠達到2200毫安-小時，所以設計人員經常選用鋰離子電池作為便攜式設備的電源。
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(。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，但不經常使用的設備中作為電源使用。
KamenNechev說：“使用者應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。”KamenNechev是Saft公司Cockeysville醫(yī)學設備部的高級科學家。鋰聚合物電池使用固態(tài)的聚合材料作為電解質。“這種電解質在室溫下導電性能不好，”KamenNechev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)在當人們談論起鋰聚合物電池時，通常是指采用有機電解質的電池，在電池的兩個電極之間充滿了凍膠狀聚合物材料，”KamenNechev接著說。“這種不含水份的電解質在聚合體內能保持穩(wěn)定。在小型電池中(電容量<500毫安-小時)，這種電池結構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。”
軟封裝和凍膠狀電解質提高了安全性。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，從而減少電池內部在短時間內聚集起過多的熱量。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鋰離子電池制造商讓用戶來選擇需要電池能量還是功率。ValenceTechnology公司的工程部主任RickThompson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95%的儲存電能。若用更大的電流放電，假設在20分鐘內把電池的能量放完，則電池只能供應1600毫安-小時的電能，即能量效率只有80%。有些應用需要較大的功率，即必須在較短的時間內給出較大的電流，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，”KamenNechev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造，與移動電話中所使用的鋰電池構造不同。”(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體、絕緣體和電解質組成的果凍卷。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，ValenceTechnology公司也提供由Bellcore公司開發(fā)的疊板技術(stackedplatetechnology)。“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形成電池。”ValenceTechnology公司的RickThompson說(見圖4)。
多層電極構造在幾年前就受到眾多關注，當時工程師們正在思考如何設計特殊形狀的電池。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&TImes;35mm&TImes;55mm的棱柱形電池。十進制小數(shù)點的隨意浮動很容易造成混亂，所以還需要查看數(shù)據(jù)手冊，進一步核實不同標號電池的尺寸大小。
仔細閱讀有關充電信息的說明書也很重要。大多數(shù)鋰離子電池并不需要復雜的充電線路—只要能提供恒定的電流(速率為C/2)并能保持4.2V的恒定電壓就可以了。當電池電壓達到4.2V時，電流應該降到100毫安，表示電池已充滿。有些電路還可以繼續(xù)施加很小的電流或者浮動的電荷。充電通常需要花一到三個小時。加拿大的Cadex公司是一家電池測試器和充電器的制造廠，建議用戶最好用4.1V電壓充電，這樣可以延長鋰離子電池的使用壽命。但是為了延長電池的使用壽命，代價是減少了10%的電能容量。
產品大規(guī)模上市后，我們將會看到鋰離子電池的電容量在其使用壽命期間，會出現(xiàn)某種程度的下降，一般可以進行300到500次充/放電過程(見。這一類電池壽命從出廠時算起，而不是從第一次充電算起，大約為兩到三年。
“制造廠家可以提供壽命長達10到15年的鋰離子電池”Saft公司的Nechev先生說。“有些放電徹底的電池，可以經得起5000次充放電循環(huán)，還有一些放電不徹底的電池，例如用在汽車里的鋰離子電池，每次放電只占總容量的2%到3%，可以經得起一百萬次充放電循環(huán)。”
電池需要保護
鋰離子電池的內部需要有監(jiān)視溫度、電壓和電流的保護電路，以保證電池在規(guī)定的工作極限條件下運行。使用者不得改變這些電路，但是必須知道電路的存在和作用。如果電池變得很熱，其保護電路就會把線路斷開。如果電壓降至預先設定的極限下(一般降到3.2V至3.0V)，電池也會斷開。如果放電的電流太大，電池內部的保險絲也會開路。
有些保護電路具有可編程性，特別在充電期間，它們可以監(jiān)視電池運行。電池技術指標說明書還提供了內部保護電路的操作說明。
電池技術的進步
不同類型的鋰離子電池化學原理也有些不同。許多電池采用鋰-鈷陰極，但是其化學原理要求當輸出電壓降到大約3.2V時，就關閉電池。Saft公司采用了基于鋰-鎳氧化物的陰極，可以使鋰離子電池能提供更高的能量和更大的功率。“雖然基于鈷的電池很容易制造，”Saft公司的Nechev先生說。“但是我們正在市場上積極促銷基于鎳化學原理的大號鋰離子電池，這類電池能提供很高的能量和很大的功率。”
Saft公司最近與美國特種部簽訂了一個合同，為美國陸軍改進的目標采集系統(tǒng)(ITAS)替換老式的銀-鋅電池。老式的電池需要使用有腐蝕性的電解液。Saft公司不只提供電池，而是提供了一套完整的系統(tǒng)，其中包括堅固結實的外殼、電池和包括自測試能力在內的控制電子設備。老式銀-鋅電池的有效使用期限一般只有一年，而替換后的鋰離子電池可以使用許多年。
ValenceTechnology公司還提供另一種基于磷酸鹽的陰極材料。磷酸鹽本質上就很安全，經得起過充電、短路和高溫。若確實發(fā)生上述情況，磷酸鹽不會燃燒也不易發(fā)生熱量的失控。
ValenceTechnology公司宣布，該公司目前的Saphion技術使鋰離子化學性能在輸出電壓為3.2V時能量密度方面只有少量的降低，而鋰-鈷陰極的電池此時的輸出電壓為3.7V。據(jù)ValenceTechnology公司的RickThompson說，“下一代Saphion電池應該達到或者超過目前鋰離子技術的能量密度，并且輸出電壓將與鋰-鈷電池相同。”
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