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锂离子电池的基本知识


第一节 锂离子电池的基本知识


一般而言,锂离子电池有三部分构成:
1.锂离子电芯
2.保护电路(PCM)
3.外壳即胶壳

电池的分类

从锂离子电池与手机配合情况来看,一般分为外置电池和内置电池,这种叫法很容易理解,外置电池就是直接装在手上背面,如: MOTOROLA 191,SAMSUNG 系列等;而内置电池就是装入手机后,还另有一个外壳把其扣在手机电池内,如:MOTOROLA　998,8088,NOKIA的大部分机型
1.外置电池
外置电池的封装形式有超声波焊接和卡扣两种:
1.1超声波焊接
外壳
这种封装形式的电池外壳均有底面壳之分,材料一般为ABS+PC料,面壳一般喷油处理,代表型号有 :MOTOROLA 191,SAMSUNG 系列,原装电池的外壳经喷油处理后长期使用一般不会磨花,而一些品牌电池或水货电池用上几天外壳喷油就开始脱落了.其原因为:手机电池的外壳较便宜,而喷油处理的成本一般为外壳的几倍(好一点的),这样处理一般有三道工序:喷光油(打底),喷油(形成颜色),再喷亮油(顺序应该是这样的,如果我没记错的话),而一些厂商为了降低成本就省去了第一和第三道工序,这样成本就很低了.
超声波焊塑机
其作用为:
行业内比较好的国产超声波焊塑机应该是深圳科威信机电公司生产的.
焊接
有了好的超声波焊塑机不够的,是否能够焊接OK,还与外壳的材料和焊塑机参数设置有很大关系,外壳方面主要与生产厂家的水口料掺杂情况有关,而参数设置则需自己摸索,由于涉及到公司一些技术资料,在这里不便多讲.
1.2卡扣式
卡扣式电池的原理为底面壳设计时形成卡扣式,其一般为一次性,如果卡好后用户强行折开的话,就无法复原,不过这对于生产厂家来讲不是很大的难度(卡好后再折开),其代表型号有:爱立信788,MOTOROLA V66.

2.内置电池
内置电池的封形式也有两种,超声波焊接和包标(使用商标将电池全部包起)
超声波焊接的电池主要有:NOKIA 8210,8250,8310,7210等.
包标的电池就很多了,如前两年很浒的MOTO998 ,8088了.
  第二节 锂离子电芯的基本知识


锂离子电芯是一种新型的电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中，只有锂离子在正负极间往来运动，电极和电解质不参与反应。锂离子电芯的能量容量密度可以达到300Wh/L，重量容量密度可以达到125Wh/L。
一、 电芯原理
锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳定。其反应示意图及基本反应式如下所示：


二、 电芯的构造
电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。
根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走XLi后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。通过研究发现当X>0.5时Li1-XCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值，一般充电电压不大于4.2V那么X小于0.5 ，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中，心以保证下次充放电Li的正常嵌入，否则电芯的压倒很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压≤4 .2V，放电下限电压≥2.5V。

三、 电芯的安全性
电芯的安全性与电芯的设计、材料及生产工艺生产过程的控制等因素密切相关。在电芯的充放电过程中，正负极材料的电极电位均处于动态变化中，随着充电电压的增高，正极材料（LixCoO2）电位不断上升，嵌锂的负极材料（LixC6）电位首先下降，然后出现一个较长的电位平台，当充电电压过高（ >4.2V）或由于负极活性材料面密度相对于正极材料面密度(C/A)比值不足时,负极材料过度嵌锂，负极电位则迅速下降，使金属锂析出(正常情况下则不会有金属锂的的析出)，这样会对电芯的性能及安全性构成极大的威胁。电位变化见下图：


在材料已定的情况下，C/A太大，则会出现上述结果。相反，C/A太小，容量低，平台低，循环特性差。这样，在生产加工中如何保证设计好的C/A比成了生产加工中的关键。所以在生产中应就以下几个方面进行控制：
1.负极材料的处理
1)将大粒径及超细粉与所要求的粒径进行彻底分离，避免了局部电化学反应过度激烈而产生负反应的情况，提高了电芯的安全性。
2）提高材料表面孔隙率，这样可以提高10%以上的容量，同时在C/A 比不变的情况下，安全性大大提高。处理的结果使负极材料表面与电解液有了更好的相容性，促进了SEI膜的形成及稳定上。
2.制浆工艺的控制
1)制浆过程采用先进的工艺方法及特殊的化学试剂，使正负极浆料各组之间的表面张力降到了最低。提高了各组之间的相容性，阻止了材料在搅拌过程“团聚”的现象。
2)涂布时基材料与喷头的间隙应控制在0.2mm以下，这样涂出的极板表面光滑无颗粒、凹陷、划痕等缺陷。
3)浆料应储存6小时以上，浆料粘度保持稳定，浆料内部无自聚成团现象。均匀的浆料保证了正负极在基材上分布的均匀性，从而提高了电芯的一致性、安全性。
3.采用先进的极片制造设备
1)可以保证极片质量的稳定和一致性，大大提高电芯极片均一性，降低了不安全电芯的出现机率。
2)涂布机单片极板上面密度误差值应小于±2%，极板长度及间隙尺寸误差应小于2mm。
3)辊压机的辊轴锥度和径向跳动应不大于4μm，这样才能保证极板厚度的一致性。设备应配有完善的吸尘系统，避免因浮尘颗粒而导致的电芯内部微短路，从而保证了电芯的自放电性能。
4)分切机应采用切刀为辊刀型的连续分切设备，这样切出的极片不存在荷叶边，毛刺等缺陷。同样设备应配有完善的吸尘系统，从而保证了电芯的自放电性能。
4.先进的封口技术
目前国内外方形锂离子电芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口技术，它是利用YAG棒（钇铝石榴石）激光谐振腔中受强光源（一般为氮灯）的激励下发出一束单一频率的光（λ=1.06mm）经过谐振折射聚焦成一束，再把聚焦的焦点对准电芯的筒体和盖板之间，使其熔化后亲合为一体，以达到盖板与筒体的密封熔合的目的。为了达到密封焊，必须掌握以下几个要素：
1)必须有能量大、频率高、聚焦性能好、跟踪精度高的激光焊机。
2)必须有配合精度高的适用于激光焊的电芯外壳及盖板。
3)必须有高统一纯度的氮气保护，特别是铝壳电芯要求氮气纯度高，否则铝壳表面就会产生难以熔化的Al2O3（其熔点为2400℃）。
四、电芯膨胀原因及控制
锂离子电芯在制造和使用过程中往往会有肿胀现象，经过分析与研究，发现主要有以下两方面原因：
1锂离子嵌入带来的厚度变化
电芯充电时锂离子从正极脱出嵌入负极，引起负极层间距增大，而出现膨胀，一般而言，电芯越厚，其膨胀量越大。
2． 工艺控制不力引起的膨胀
在制造过程中，如浆料分散、C/A比离散性、温度控制都会直接影响电芯电芯的膨胀程度。特别是水，因为充电形成的高活性锂碳化合物对水非常 敏感，从而发生激烈的化学反应。反应产生的气体造成电芯内压升高，增加了电芯的膨胀行为。所以在生产中，除了应对极板严格除湿外，在注液过程中更应采用除湿设备，保证空气的干燥度为HR2%，露点（大气中的湿空气由于温度下降,使所含的水蒸气达到饱和状态而开始凝结时的温度）小于-40℃。在非常干燥的条件下，并采取真空注液，极大地降低了极板和电解液的吸水机率。
五、铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较
铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势，以下是不同的压力实验：


注：压力是电芯压力为电芯内部之压力（单位：Kg），表内数据为电芯之厚度(单位：mm)由此可见钢壳对内压反映十分迟钝，而铝壳对内压反应却十分敏锐。因此从厚度上就基本能判断出电芯的内压，而钢壳电芯往往隐含着内压带来的不安全隐患。其中钢壳电芯型号为063448。

第三节 锂离子电池保护线路(PCM)


由第二节锂离子电芯的知识我们可以看出,锂离子电池至少需要三重保护-----过充电保护,过放电保护,短路保护,那么就应而产生了其保护线路,那么这个保护线路针对以上三个保护要求而言:
过充电保护: 过充电保护 IC 的原理为：当外部充电器对锂电池充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。此时，保护 IC 需检测电池电压，当到达 4.25V 时（假设电池过充点为 4.25V）即启动过度充电保护，将功率 MOS 由开转为切断，进而截止充电。
过放电保护: 过放电保护 IC 原理：为了防止锂电池的过放电，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过放电电压检测点（假定为 2.5V）时将启动过放电保护，使功率 MOSFET 由开转变为切断而截止放电，以避免电池过放电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅 0.1uA。 当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。

过放电保护及过充电保护IC主要生产厂家有:美上美(MITSUMI),精工,台湾富晶(DW01,FS301,302),理光,MOTOROLA等封装形式主要为SOT26,SOT6

过电流及短路电流

因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路，为确保安全，必须使其立即停止放电。 过电流保护 IC 原理为，当放电电流过大或短路情况产生时，保护 IC 将启动过（短路）电流保护，此时过电流的检测是将功率 MOSFET 的 Rds(on) 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，运算公式为:
V- = I × Rds(on) × 2（V- 为过电流检测电压，I 为放电电流）。
假设 V- = 0.2V，Rds(on) = 25mΩ，则保护电流的大小为 I = 4A。
同样地，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。
通常在过电流产生后，若能去除过电流因素(例如马上与负载脱离)，将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作。

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手机电池触点揭密


手机上的电池是用来给手机提供电能，使手机可以正常工作，通常只需要有正极和负极两个连接点即可，可是手机上与电池连接的部分往往有多个触点，最多的甚至达到5个，其原因各有不同，在此将本人所了解到的触点功能与大家分享。
手机上的触点除了正负极之外，还有其它触点，一一如下：
　　1、热敏电阻连接点：热敏电阻是手机电池上最常用的。对于镍氢电池几乎不可少。因为镍氢电池在充满后继续充电温度会迅速升高，因此可以用来判断电池充满及在温度过高时停止对电池充电。典型的有摩托罗拉的各款手机，如CD928、V8088、V998、V6188、T2688、T191、V60、V66等等。
　　2、识别电阻连接点：一些手机为了区别锂离子电池和镍氢电池，或者厚电池和薄电池，就会接有一个识别电阻，用来判别电池类型，典型的有三星的各款手机。
　　3、电池信息存储器连接点：一些手机电池内部带有存储器芯片，用来存储电池的参数，如制造厂商、流水号、生产日期、电压、容量等等，典型的有摩托罗拉的多款手机，如CD928、V8088、V998、V6188、T191、V60、V66等等。
　　4、充电器正极连接点：由于手机越做越小，一些手机的充电电路在手机板上已放不下，便移到电池上，使这些电池内部带有充电电路。这种电池上其中一个连接点便是充电器正极连接点（注：充电器负极通常与电池负极共用），用来给电池充电。典型的有索尼的Z18、Z28、科健的K3900、首信的C5068、厦华的168等等。
　　5、充电状态连接点：此连接点用来给手机提供电池的充电状态。典型电池如4所述。
　　6、充电电压调整连接点：此类电池内部带有部分的充电控制电路，起到充电时的恒压控制功能。典型的有菲利浦的多款电池，如929、939、989、9@9等多款机型。
　　7、振动电机驱动连接点：有些手机将振动电机移至电池内部，使电池带有振动电机及其驱动电路。典型的有诺基亚的6110，PHILIP的939等等。
　　8、智能IC连接点：有些手机内带有智能芯片，能记录电池的充放电时间和剩余容量，并将此信息传递给手机。典型的有爱立信的T28、T29、T39等等。
　　9、双SIM卡控制点：个别双SIM卡手机上将SIM卡的插座放于电池上，其电池上有个触点就作为SIM卡选择控制。典型的有厦新的8988和厦华的双卡168等。
　　10、正、负极并接点：有的手机上虽有多个触点，但其多余触点是与正极或负极并接的，用来减小接触电阻，此类电池有波导的S1200、海信的C2101、阿尔卡特的OT500等等。
　　11、电芯正极连接点：有的手机只有镍氢电池，由4节镍氢电池串联组成，其电压为4.8V，部分厂家为了推出锂离子电池，将3.6V的锂电池进行升压达到4.8V，而由于充电器不能通过其输出端对电芯充电，因此另留了一个触点用于充电用。此种电池目前只见过一种，为爱立信的768、788电池（注：由于爱立信本身不生产此种锂电，因此这种升压电池均为其它厂家生产）。

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现已广泛被大家使用的锂离子电池是由锂电池发展而来的。所以在认识锂离子电池之前，我们先来介绍一下锂电池。

    举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的负极材料是锂金属，正极材料是碳材。按照大家习惯上的命名规律，我们称这种电池为锂电池。

    锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极材料是碳材。电池通过正极产生的锂离子在负极碳材中的嵌入与迁出来实现电池的充放电过程，为了区别于传统意义上的锂电池，所以人们称之为锂离子电池。

    锂离子电池的广泛用途

    发展高科技的目的是为了使其更好的服务于人类。锂离子电池自1990年问世以来，因其卓越的性能得到了迅猛的发展，并广泛地应用于社会。锂离子电池以其它电池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等等，且越来越多的国家将该电池应用于军事用途。应用表明，锂离子电池是一种理想的小型绿色电源。

　　锂离子电池的主要构成

    （1）电池盖
    （2）正 极----活性物质为氧化钴锂
　  （3）隔 膜----一种特殊的复合膜
　  （4）负 极----活性物质为碳
　  （5）有机电解液
　  （6）电池壳

　  锂离子电池的优越性能

    我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镍镉电池（Ni/Cd）和镍氢电池（Ni/MH）来讲的。那么，锂离子电池究竟好在哪里呢？

    （1）工作电压高
    （2）比能量大
    （3）循环寿命长
    （4）自放电率低
    （5）无记忆效应
　  （6）无污染

　　以下是镍镉、镍氢、锂离子电池性能的对比：

    技术参数 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池
　　工作电压（V） 1.2 1.2 3.6
　　重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140
　　体积比能量(Wh/l)  150 200 300
　　充放电寿命(次)    500 500 1000
　　自放电率（%/月）  25-30 30-35 6-9
　　有无记忆效应      有   有   无
　　有无污染          有    无   无


锂离子电池的工作原理

    大家都已知道，锂离子电池的正极材料是氧化钴锂，负极是碳。

    锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

    同样道理，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回到正极。回到正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

    不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极 → 负极 → 正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象优秀的运动健将，在摇椅的两端来回奔跑。所以，专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。

  　锂离子电池的组装过程

    锂离子电池的工艺技术非常严格、复杂，这里只能简单介绍一下其中的几个主要工序。

    （1）制浆
    用专门的溶剂和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。

　  （2）涂膜
    将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正负极极片。

    （3）装配
    按正极片--隔膜--负极片--隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池极芯，再经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。

    （4）化成
    用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。

　  锂离子电池的安全特性

    锂离子电池已非常广泛的应用于人们的日常生活中，所以它的安全性能绝对应该是锂离子电池的第一项考核指标。对于锂离子电池安全性能的考核指标，国际上规定了非常严格的标准，一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足以下条件。

　（1）短路：不起火，不爆炸
　（2）过充电：不起火，不爆炸
　（3）热箱试验：不起火，不爆炸（150℃恒温10min）
　（4）针剌：不爆炸（用Ф3mm钉穿透电池）
　（5）平板冲击：不起火，不爆炸（10kg重物自1M高处砸向电池）
　（6）焚烧：不爆炸（煤气火焰烧烤电池）

为了确保锂离子电池安全可靠的使用，专家们进行了非常严格、周密的电池安全设计，以达到电池安全考核指标。

    （1）隔膜135℃自动关断保护

　　采用国际先进的Celgard2300PE-PP-PE三层复合膜。在电池升温达到120℃的情况下，复合膜两侧的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时，PP膜孔闭合，电池内部断路，电池不再升温，确保电池安全可靠。

    （2）向电液中加入添加剂

　　在电池过充，电池电压高于4.2v的条件下，电液添加剂与电液中其他物质聚合，电池内阻大副增加，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。

　  （3）电池盖复合结构

    电池盖采用刻痕防爆结构，电池升温时，电池内部活化过程中所产生的部分气体膨胀，电池内压加大，压力达到一定程度刻痕破裂、放气。

　  （4）各种环境滥用试验

    进行各项滥用试验，如外部短路、过充、针刺、平板冲击、焚烧等，考察电池的安全性能。同时对电池进行温度冲击试验和振动、跌落、冲击等力学性能试验，考察电池在实际使用环境下的性能情况。

　  锂离子电池是一种新型绿色环保电池

    “爱护环境，保护地球”是我们每一个人义不容辞的责任。如何把我们的环境理念在行动上反应出来呢？

    作为电池消费者，应该购买、使用新型绿色环保电池；作为电池制造商，应该生产新型绿色环保电池。只有经过大家的共同努力，才能创建、保护我们美丽和谐的自然环境。

    新型绿色环保电池是指近年来已投入使用或正在研制开发的一类高性能、无污染的电池。目前已经大量使用的锂离子电池、金属氢化物镍电池和正在推广使用的无汞碱性锌锰电池以及正在研制开发的锂或锂离子塑料电池、燃料电池、电化学贮能超级电容器都属于新型绿色环保电池的范畴。此外，目前已广泛应用的利用太阳能进行光电转换的太阳电池（又称光伏发电），也属于这一范畴。

西门悠悠

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x-catman

需要很认真才能学习好