鄭俊欽

鋰離子蓄電池及其安全保護(hù)性能的檢測(cè)

鄭俊欽

福建省電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)所

該文主要闡述移動(dòng)電話(huà)用鋰離子蓄電池的充放電工作原理及其存在的優(yōu)缺點(diǎn)，并介紹為了確保電池使用安全而設(shè)置的安全保護(hù)電路的工作原理，以實(shí)例說(shuō)明安全保護(hù)性能的檢測(cè)過(guò)程。

鋰離子蓄電池 安全保護(hù)性能 檢測(cè)實(shí)例

隨著手機(jī)的普及使用，手機(jī)電池便成為眾人關(guān)注的對(duì)象。鋰離子蓄電池因其重量輕、容量大等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇，是目前市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛的手機(jī)電池。但是，在鋰電池給人們的生活帶來(lái)便利的同時(shí)，鋰離子蓄電池爆炸傷人事件也時(shí)常見(jiàn)諸于報(bào)端。因此，對(duì)鋰離子蓄電池的了解及其安全保護(hù)性能檢測(cè)，顯得尤為重要。

1 鋰離子蓄電池及其工作原理

1.1 鋰離子蓄電池的組成

鋰離子蓄電池主要由正負(fù)極、隔膜、有機(jī)電解液、電池殼、蓋板等組成。正極材料在改善電池容量方面起著非常重要的作用，應(yīng)具有與電解質(zhì)溶液良好的電化學(xué)相容性，溫和的電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)和高度的可逆性。正極通常采用鋰化合物，負(fù)極采用鋰—碳層間化合物。電解質(zhì)為鋰鹽的有機(jī)電解液。

1.2 鋰離子蓄電池的工作原理

鋰離子蓄電池是一種可充電電池，它沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，主要依靠鋰離子在電池正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。鋰離子蓄電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌。充電時(shí)，鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。同時(shí),電子的補(bǔ)償從外電路供給到碳負(fù)極,保證負(fù)極的電荷平衡，而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。放電時(shí)則相反。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過(guò)程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)，又運(yùn)動(dòng)回正極，正極處于富鋰狀態(tài)?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。

在鋰離子蓄電池的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。鋰離子蓄電池就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運(yùn)動(dòng)員一樣在搖椅來(lái)回奔跑。所以鋰離子蓄電池又叫搖椅式電池。

1.3 鋰離子蓄電池的充放電模式

鋰離子蓄電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)階段：恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。在恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的充電限制電壓4.2V (根據(jù)正極材料不同，有的電池要求限制電壓值為4.1V)，隨后在控制芯片作用下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會(huì)過(guò)充，電流則隨著電池電量的上升逐步減小到預(yù)先設(shè)定值（0.02 ItA）為止，而最終完成充電。

1.4 鋰離子蓄電池的優(yōu)點(diǎn)

（1）電池電壓高。商品鋰離子蓄電池的工作電壓為3.6V~3.9V，是Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍。

（2）比能量大。比能量指的是單位重量或單位體積的能量。鋰離子蓄電池的比能量已經(jīng)達(dá)到了180Wh/kg，是Ni-Cd電池的3倍，是Ni-MH電池的1.5倍，為手機(jī)的微型化轉(zhuǎn)變提供了基礎(chǔ)。

（3）循環(huán)壽命長(zhǎng)。鋰電子電池屬充電電池，其充電次數(shù)與放電深度有關(guān)，在10%DOD（放電深度）時(shí)，通常具有大于1000次的循環(huán)壽命，在低放電深度下可以達(dá)到幾萬(wàn)次，超過(guò)其他二次電池。

（4）安全性能好。鋰離子蓄電池充放電過(guò)程中沒(méi)有金屬鋰的出現(xiàn)，避免了鋰電池中金屬鋰造成的安全問(wèn)題，且不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素。

（5）自放電率低(荷電保持能力強(qiáng))。鋰離子蓄電池在首次充電（化成）過(guò)程中，在碳負(fù)極材料表面形成一層具有離子導(dǎo)電性而對(duì)電子絕緣的固體電解質(zhì)中間相膜（SEI），可較好地阻止自放電的發(fā)生。在室溫下，充滿(mǎn)電的鋰離子蓄電池的月自放電率為2%~3%。

（6）無(wú)記憶效應(yīng)。

（7）具有快速充電能力，輸出功率大。

（8）密封良好，無(wú)泄露現(xiàn)象。

（9）工作溫度范圍寬，工作溫度為-20℃~45℃。隨著電解質(zhì)和正極的改進(jìn)，期望能擴(kuò)寬到-40℃~70℃.

（10）鋰離子蓄電池具有放電電壓穩(wěn)定、較好的儲(chǔ)存性能。

1.5 鋰離子蓄電池的缺點(diǎn)

（1）不能大電流放電。由于有機(jī)電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對(duì)其他類(lèi)電池大，故要求較小的放電電流密度。過(guò)大電流放電時(shí)會(huì)降低放電時(shí)間（內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量），因此電池制造商給出最大放電電流，在使用中應(yīng)小于最大放電電流，一般放電電流在0.5 ItA以下。

（2）不能大電流充電。充電量等于充電電流乘以充電時(shí)間，在充電控制電壓一定的情況下，充電電流越大，充電速度就越快。大電流充電容易造成以下情況：

①電池發(fā)熱量大，內(nèi)部壓力驟增，極易誘發(fā)熱失控，有可能對(duì)電池造成永久性的損害，甚至導(dǎo)致電池起火爆炸。一般常用的充電率為0.2ItA~1ItA，在大電流充電時(shí)往往要檢測(cè)電池溫度，以防止過(guò)熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。

②過(guò)大的電流充電容易造成容量不足，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間，充電速度過(guò)快，時(shí)間太短，則電池電極的部分活性物質(zhì)沒(méi)有得到充分反應(yīng)就停止充電，導(dǎo)致生成的鋰離子數(shù)量變少，即電池容量不足。這種充電不足現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。

③由于電池存在內(nèi)阻，如果電流很大，那么在電阻上消耗的電壓隨之增大，電池的實(shí)際電壓變小。

（3）需要保護(hù)線(xiàn)路控制

①過(guò)充保護(hù)。電池過(guò)充將破壞正極結(jié)構(gòu)而影響性能和壽命，過(guò)度充電使過(guò)多的鋰離子插入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。過(guò)充電使電解液分解，產(chǎn)生大量氣體，內(nèi)部壓力過(guò)高而導(dǎo)致漏液爆炸等問(wèn)題。故必須恒壓下充電，具體充電限制電壓由制造商根據(jù)電池的材料規(guī)定，一般負(fù)極材料為石墨，限制電壓為4.2V。

②過(guò)放保護(hù)。過(guò)放會(huì)導(dǎo)致活性物質(zhì)的恢復(fù)困難，負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)坍塌，而坍塌會(huì)造成充電過(guò)程中鋰離子無(wú)法插入，正負(fù)極活性物質(zhì)可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復(fù)，容量也會(huì)有明顯衰減。電池過(guò)放可能會(huì)給電池帶來(lái)災(zāi)難性的后果，特別是大電流過(guò)放，或反復(fù)過(guò)放對(duì)電池影響更大。故也需要保護(hù)線(xiàn)路控制，放電終止電壓由制造商規(guī)定，一般為2.5V~2.75V。

1.6 鋰離子蓄電池安全保護(hù)電路的工作原理

為了保證鋰離子蓄電池能夠正常工作，在電池內(nèi)部，一般都裝有安全保護(hù)電路。

圖1為一典型的鋰離子蓄電池保護(hù)電路原理圖。

圖1 鋰離子蓄電池保護(hù)電路原理圖

該電路主要由兩個(gè)MOSFET（V1、V2）、一個(gè)控制IC外加一些阻容元件構(gòu)成?？刂艻C負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)電池電壓與回路電流，并控制兩個(gè)MOSFET的柵極。MOSFET在電路中起開(kāi)關(guān)作用，分別控制著充電回路與放電回路的導(dǎo)通與關(guān)斷，C3為延時(shí)電容。該電路具有過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)和短路保護(hù)功能。

（1）正常狀態(tài)。正常狀態(tài)下，電路中IC的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個(gè)MOSFET 都處于導(dǎo)通狀態(tài)，電池可以自由地進(jìn)行充電和放電，由于MOSFET的導(dǎo)通阻抗很小，通常小于30 mΩ，因此其導(dǎo)通電阻對(duì)電路的性能影響很小。此狀態(tài)下保護(hù)電路的消耗電流為μA級(jí)，通常小于7μA。

（2）過(guò)充電保護(hù)。鋰離子蓄電池要求的充電方式為先恒流充電后恒壓充電。在恒流充電階段，隨著充電過(guò)程，電壓會(huì)上升到充電限制電壓4.2V(根據(jù)電池電極材料不同，有的電池要求充電限制電壓值為4.1V)，需轉(zhuǎn)為恒壓充電階段，直至電流越來(lái)越小。若此時(shí)電池控制IC檢測(cè)到電壓仍繼續(xù)上升，其“CO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V2由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，鋰離子蓄電池立即停止充電，從而防止鋰離子蓄電池因過(guò)充電而損壞，起到過(guò)充電保護(hù)作用。

（3）過(guò)放電保護(hù)。電池在對(duì)外部負(fù)載放電過(guò)程中，其電壓會(huì)隨著放電過(guò)程逐漸降低。當(dāng)控制IC檢測(cè)到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時(shí)，其“DO”腳將由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷了放電回路，使電池?zé)o法再對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，從而防止鋰離子蓄電池因過(guò)放電而損壞，起到過(guò)放電保護(hù)作用。

（4）短路保護(hù)。電池在對(duì)負(fù)載放電過(guò)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(shí)，控制IC 則判斷為負(fù)載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榱汶妷?，使V1由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為關(guān)斷，從而切斷放電回路，起到過(guò)電流或短路保護(hù)作用。

2 鋰離子蓄電池安全保護(hù)性能的檢測(cè)實(shí)例

依據(jù)GB/T 18287—2013 《移動(dòng)電話(huà)用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范》要求，鋰離子蓄電池安全保護(hù)性能檢測(cè)有3項(xiàng)內(nèi)容，它們是過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)和短路保護(hù)。安全保護(hù)性能試驗(yàn)應(yīng)在有保護(hù)人員安全措施的條件下進(jìn)行。

2.1 術(shù)語(yǔ)說(shuō)明

（1）充電限制電壓：按制造商規(guī)定，電池或電池組由恒流充電轉(zhuǎn)入恒壓充電時(shí)的電壓值。

（2）額定容量：制造商標(biāo)明的電池或電池組容量，指電池或電池組在23℃±2℃的環(huán)境溫度下，以5h倍率放電至終止電壓時(shí)所應(yīng)提供的電量，用C5表示，單位為安時(shí)（Ah）或毫安時(shí)（mAh）。

（3）參考試驗(yàn)電流：參考試驗(yàn)電流用ItA表示，ItA= C5 Ah/1h。

（4）標(biāo)稱(chēng)電壓：用以標(biāo)識(shí)電池或電池組電壓的適宜的近似值。

（5）終止電壓：規(guī)定放電終止時(shí)電池或電池組的負(fù)載電壓，其值由制造商規(guī)定。

2.2 安全保護(hù)性能技術(shù)要求

充電方法：電池或電池組在充電前應(yīng)首先在23℃±2℃的環(huán)境溫度下以0.2 ItA進(jìn)行放電至終止電壓。

電池充電制式（檢驗(yàn)仲裁用）：在23℃±2℃的環(huán)境溫度下，以0.2 ItA充電，當(dāng)電池或電池組端電壓達(dá)到充電限制電壓時(shí)，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于0.02 ItA，最長(zhǎng)充電時(shí)間不大于8h，停止充電。

（1）過(guò)充電保護(hù)：電池組按仲裁充電制式充電后，電源電壓設(shè)定為2倍的標(biāo)稱(chēng)電壓，電流設(shè)定為2 ItA的外接電流，用電源持續(xù)給電池組加載7h，電池組應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸。

（2）過(guò)放電保護(hù)：電池組以0.2 ItA放電至終止電壓后，外接（n×30）Ω負(fù)載放電7h，鋰離子單體蓄電池的串聯(lián)只數(shù)用“n”表示，電池組應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸。

（3）短路保護(hù)：電池組按仲裁充電制式充電后，短路其正負(fù)極1h，短路導(dǎo)線(xiàn)電阻80mΩ±20mΩ，電池組應(yīng)不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸。

2.3 檢測(cè)樣品

手機(jī)用鋰離子蓄電池，標(biāo)稱(chēng)電壓3.6V；額定容量600mAh；充電限制電壓4.2V。

2.4 使用儀器設(shè)備：BS9300系列二次電池自動(dòng)檢測(cè)裝置

2.5 測(cè)試環(huán)境溫度： 23℃±2℃

2.6 檢測(cè)過(guò)程

2.6.1過(guò)充電保護(hù)

在設(shè)備“啟動(dòng)工作”界面輸入設(shè)定值：

工步1：恒流放電：電流120mA（0.2ItA）；終止電壓2.75V；

工步2：恒流充電：電流120mA（0.2ItA）；限制電壓4.2V；

工步3：恒壓充電：限制電流120mA。

終止電流：12mA（0.02ItA）,最長(zhǎng)充電時(shí)間不大于8h。

工步4：恒流恒壓充電：限制電流1200mA（2 ItA）,恒壓充電恒定電壓7.2V(2倍的標(biāo)稱(chēng)電壓),充電截止時(shí)間7h。

判定：電池不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸為合格。

2.6.2過(guò)放電保護(hù)

在設(shè)備“啟動(dòng)工作”界面輸入設(shè)定值：

工步1：恒流放電：電流120mA（0.2ItA）；終止電壓2.75V；

外接30Ω負(fù)載，放電7h。

判定：電池不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸為合格。

2.6.3短路保護(hù)

在設(shè)備“啟動(dòng)工作”界面輸入設(shè)定值：

工步1：恒流放電：電流120mA（0.2ItA）；終止電壓2.75V；

工步2：恒流充電：電流120mA（0.2ItA）；限制電壓4.2V；

工步3：恒壓充電：限制電流120mA。

終止電流：12mA（0.02ItA）,最長(zhǎng)充電時(shí)間不大于8h。

用電阻為80mΩ±20mΩ的導(dǎo)線(xiàn)將電池正負(fù)極短路1h。

判定：電池不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸為合格。

[1] GB/T18287-2013, 移動(dòng)電話(huà)用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規(guī)范[S].