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  作者:佚名 来源:网上搜集 浏览次数: 添加时间:08-02-27 9:24
 
 
  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12V,其容量为800mAh,则其能量为096Wh(12V×08Ah)。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36Wh。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375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24V。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(LiMnO2)
  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505mm(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125~245mm,高度为16~50mm。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125mm(不包括小数点后的数),其高度为20mm。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(LiSOCl2)
  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36V,以中等电流放电时具有极其平坦的34V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12V,容量为5000mAh;1#锂-亚硫酰氯的额定电压为36V,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0.015Ω),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。
  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0.015Ω),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。有兴趣的读者可从网上查阅该监控器的有关内容(网址:http://www.dalsemi.com)。
    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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