鋰離子電池原理及工作流程

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一、 原理
1.0 正極構造
LiCoO2(鈷酸鋰)+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體（鋁箔） 正極
2.0 負極構造
石墨+導電劑(乙炔黑)+增稠劑(CMC)+粘結劑(SBR)+ 集流體（銅箔）   負極
3.0工作原理
3.1 充電過程
一個電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液�，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達負極，與早就跑過來的電子結合在一起。
正極上發生的反應爲
LiCoO2=充電=Li1-xCoO2+Xli++Xe(電子)
負極上發生的反應爲
6C+XLi++Xe=====LixC6
3.2 電池放電過程
放電有�流放電和�阻放電，�流放電其實是在外電路加一個可以隨電壓變化而變化的可變電阻，�阻放電的實質都是在電池正負極加一個電阻讓電子通過。由此可知，只要負極上的電子不能從負極跑到正極，電池就不會放電。電子和Li+都是同時行動的，方向相同但路不同，放電時，電子從負極經過電子導體跑到正極，鋰離子Li+從負極“跳進”電解液�，“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達正極，與早就跑過來的電子結合在一起。

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電池不良成因：
1.容量低
産生原因：
a. 附料量偏少； b. 極片兩面附料量相差較大； c. 極片斷裂；
d. 電解液少； e. 電解液電導率低； f. 正極與負極配片未配好；
g. 隔膜孔隙率小； h. 膠粘劑老化→附料脫落； i.卷芯超厚（未烘乾或電解液未滲透）
j. 分容時未充滿電； k. 正負極材料比容量小。
2.內阻高
産生原因：
a. 負極片與極耳虛焊； b. 正極片與極耳虛焊； c. 正極耳與蓋帽虛焊；
d. 負極耳與殼虛焊; e. 鉚釘與壓板接觸內阻大； f. 正極未加導電劑；
g. 電解液沒有鋰鹽； h. 電池曾經發生短路； i. 隔膜紙孔隙率小。
3.電壓低
産生原因：
a. 副反應（電解液分解；正極有雜質；有水）； b. 未化成好（SEI膜未形成安全）；
c. 客戶的線路板漏電（指客戶加工後送回的電芯）； d. 客戶未按要求點焊（客戶加工後的電芯）；
e. 毛刺； f. 微短路； g. 負極産生枝晶。
4.超厚
産生超厚的原因有以下幾點:
a. 焊縫漏氣; b. 電解液分解; c. 未烘乾水分;
d. 蓋帽密封性差; e. 殼壁太厚; f. 殼太厚;
g. 卷芯太厚(附料太多；極片未壓實；隔膜太厚)。
5.成因有以下幾點
a. 未化成好（SEI膜不完整、緻密）； b. 烘烤溫度過高→粘合劑老化→脫料； c. 負極比容量低；
d. 正極附料多而負極附料少； e. 蓋帽漏氣，焊縫漏氣； f. 電解液分解，電導率降低。
6.爆炸
a. 分容櫃有故障（造成過充）； b. 隔膜閉合效應差; c. 內部短路
7.短路
a. 料塵； b. 裝殼時裝破； c. 尺刮（小隔膜紙太小或未墊好）;
d. 捲繞不齊； e. 沒包好； f. 隔膜有洞; g. 毛刺
8.斷路
a) 極耳與鉚釘未焊好，或者有效焊點面積小；
b) 連接片斷裂（連接片太短或與極片點焊時焊得太靠下）

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由於鋰離子電池的特性與其他可充電電池不同，內部通常都帶有一塊電路板，不少人對該電路的作用不瞭解（有些人可能還不知道鋰電�有保護電路），下面將對鋰離子電池的特點及其保護電路工作原理進行闡述。
    鋰電池分爲一次電池和二次電池兩類，目前在手機�的備用電池因耗電小主要使用不可充電的一次鋰電池，而在手機主電池因耗電量較大則使用可充電的二次電池，即鋰離子電池。
    與鎳鎘和鎳氫電池相比，鋰離子電池具備以下幾個優點：
    1、電壓高，單節鋰離子電池的電壓可達到3.6V，遠高於鎳鎘和鎳氫電池的1.2V電壓。
    2、容量密度大，其容量密度是鎳氫電池或鎳鎘電池的1.5-2.5倍。
    3、荷電保持能力強（即自放電小），在放置很長時間後其容量損失也很小。
    4、壽命長，正常使用其迴圈壽命可達到500次以上。
    5、沒有記憶效應，在充電前不必將剩餘電量放空，使用方便。
    由於鋰離子電池的化學特性，在正常使用過程中，其內部進行電能與化學能相互轉化的化學正反應，但在某些條件下，如對其過充電、過放電和過電流將會導致電池內部發生化學副反應,該副反應加劇後，會嚴重影響電池的性能與使用壽命，並可能産生大量氣體，使電池內部壓力迅速增大後爆炸而導致安全問題，因此所有的鋰離子電池都需要一個保護電路，用於對電池的充、放電狀態進行有效監測，並在某些條件下關斷充、放電回路以防止對電池發生損害。

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保護回路由兩個MOSFET（V1、V2）和一個控制IC（N1）外加一些阻容元件構成。控制IC負責監測電池電壓與回路電流，並控制兩個MOSFET的柵極，MOSFET在電路中起開關作用，分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷，C3爲延時電容，該電路具有過充電保護、過放電保護、過電流保護與短路保護功能，其工作原理分析如下：
    1、正常狀態
    在正常狀態下電路中N1的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET都處於導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由於MOSFET的導通阻抗很小，通常小於30毫歐，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。
此狀態下保護電路的消耗電流爲μA級，通常小於7μA。
    2、過充電保護
    鋰離子電池要求的充電方式爲�流/�壓，在充電初期，爲�流充電，隨著充電過程，電壓會上升到4.2V(根據正極材料不同，有的電池要求�壓值爲4.1V)，轉爲�壓充電，直至電流越來越小。
    電池在被充電過程中，如果充電器電路失去控制，會使電池電壓超過4.2V後繼續�流充電，此時電池電壓仍會繼續上升，當電池電壓被充電至超過4.3V時，電池的化學副反應將加劇，會導致電池損壞或出現安全問題。
    在帶有保護電路的電池中，當控制IC檢測到電池電壓達到4.28V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“CO”腳將由高電壓轉變爲零電壓，使V2由導通轉爲關斷，從而切斷了充電回路，使充電器無法再對電池進行充電，起到過充電保護作用。而此時由於V2自帶的體二極體VD2的存在，電池可以通過該二極體對外部負載進行放電。在控制IC檢測到電池電壓超過4.28V至發出關斷V2信號之間，還有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常設爲1秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
    3、過放電保護
    電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低，當電池電壓降至2.5V時，其容量已被完全放光，此時如果讓電池繼續對負載放電，將造成電池的永久性損壞。
    在電池放電過程中，當控制IC檢測到電池電壓低於2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變爲零電壓，使V1由導通轉爲關斷，從而切斷了放電回路，使電池無法再對負載進行放電，起到過放電保護作用。而此時由於V1自帶的體二極體VD1的存在，充電器可以通過該二極體對電池進行充電。

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由於在過放電保護狀態下電池電壓不能再降低，因此要求保護電路的消耗電流極小，此時控制IC會進入低功耗狀態，整個保護電路耗電會小於0.1μA。
    在控制IC檢測到電池電壓低於2.3V至發出關斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常設爲100毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
    4、過電流保護
    由於鋰離子電池的化學特性，電池生産廠家規定了其放電電流最大不能超過2C（C=電池容量/小時），當電池超過2C電流放電時，將會導致電池的永久性損壞或出現安全問題。
    電池在對負載正常放電過程中，放電電流在經過串聯的2個MOSFET時，由於MOSFET的導通阻抗，會在其兩端産生一個電壓，該電壓值U=I*RDS*2, RDS爲單個MOSFET導通阻抗，控制IC上的“V-”腳對該電壓值進行檢測，若負載因某種原因導致異常，使回路電流增大，當回路電流大到使U>0.1V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變爲零電壓，使V1由導通轉爲關斷，從而切斷了放電回路，使回路中電流爲零，起到過電流保護作用。
    在控制IC檢測到過電流發生至發出關斷V1信號之間，也有一段延時時間，該延時時間的長短由C3決定，通常爲13毫秒左右，以避免因干擾而造成誤判斷。
    在上述控制過程中可知，其過電流檢測值大小不僅取決於控制IC的控制值，還取決於MOSFET的導通阻抗，當MOSFET導通阻抗越大時，對同樣的控制IC，其過電流保護值越小。
    5、短路保護
    電池在對負載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，控制IC則判斷爲負載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉變爲零電壓，使V1由導通轉爲關斷，從而切斷放電回路，起到短路保護作用。短路保護的延時時間極短，通常小於7微秒。其工作原理與過電流保護類似，只是判斷方法不同，保護延時時間也不一樣。

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以上詳細闡述了單節鋰離子電池保護電路的工作原理，上面電路中所用的控制IC爲日本理光公司的R5421系列，在實際的電池保護電路中，還有許多其他類型的控制IC，如日本精工的S-8241系列、日本MITSUMI的MM3061系列、臺灣富晶的FS312和FS313系列、臺灣類比科技的AAT8632系列等等，其工作原理大同小異，只是在具體參數上有所差別，有些控制IC爲了節省週邊電路，將濾波電容和延時電容做到了晶片內部，其週邊電路可以很少，如日本精工的S-8241系列。
    除了控制IC外，電路中還有一個重要元件，就是MOSFET，它在電路中起著開關的作用，由於它直接串接在電池與外部負載之間，因此它的導通阻抗對電池的性能有影響，當選用的MOSFET較好時，其導通阻抗很小，電池包的內阻就小，帶載能力也強，在放電時其消耗的電能也少。
    隨著科技的發展，手機的體積越做越小，而隨著這種趨勢，對鋰離子電池的保護電路體積的要求也越來越小，在這兩年已出現了將控制IC和MOSFET整合成一顆保護IC的産品，如DIALOG公司的DA7112系列，有的廠家甚至將整個保護電路封裝成一顆小尺寸的IC，如MITSUMI公司的産品。
    手機的鋰離子電池在損壞後，有些是保護電路出故障(尤其是進水機的電池)，因此有些鋰電可以拆開來修復，既環保又不浪

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聚合物鋰離子電池的原理與液態鋰相同，主要區別是電解液與液態鋰不同。電池主要的構造包括有正極、負極與電解質三項要素。所謂的聚合物鋰離子電池是說在這三種主要構造中至少有一項或一項以上使用高分子材料做爲主要的電池系統。而在目前所開發的聚合物鋰離子電池系統中，高分子材料主要是被應用於正極及電解質。正極材料包括導電高分子聚合物或一般鋰離子電池所採用的無機化合物，電解質則可以使用固態或膠態高分子電解質，或是有機電解液，一般鋰離子技術使用液體或膠體電解液，因此需要堅固的二次包裝來容納可燃的活性成分，這就增加了重量，另外也限制了尺寸的靈活性。而聚合物鋰離子工藝中沒有多餘的電解液，因此它更穩定，也不易因電池的過量充電、碰撞或其他損害、以及過量使用而造成危險情況。

新一代的聚合物鋰離子電池在形狀上可做到薄形化（ATL電池最薄可達0.5毫米,相于一張卡片的厚度）、任意面積化和任意形狀化，大大提高了電池造型設計的靈活性，從而可以配合産品需求，做成任何形狀與容量的電池，爲應用設備開發商在電源解決方案上提供了高度的設計靈活性和適應性，以最大化地優化其産品性能。同時，聚合物鋰離子電池的單位能量比目前的一般鋰離子電池提高了50%，其容量、充放電特性、安全性、工作溫度範圍、迴圈壽命（超過500 次）與環保性能等方面都較鋰離子電池有大幅度的提高。