锂离子动力电池的性能选择及安全性保护

郭芙琴

（延安职业技术学院 陕西 延安 716000）

在电子设备应用中，电池的关键指标是使用寿命。从表面上看，这只是一个简单的规格，但它却涉及到了许多因素，其中包括：系统负载（满负荷电流的供电时间，部分电路或微安级电流供电时间）、电源效率、系统电源管理、电池类型和充电方式。根据电池的化学性质，电池和系统之间的相互制约是设计中不容忽视的问题，保证电池的容量与系统的需求相吻合非常关键。常用的电池类型有：碱性电池、镍氢电池和锂离子电池。它们之间是不可互换的，绝大多数产品都有一个最佳选择方案。

碱性电池是不可充电电池，它们具有极低的自放电率和成本，对于功耗较低的应用，碱性电池将是一个很好的选择，但需合理使用，静态电流或休眠电流都必须很低。即在设计中，不仅要关注工作效率，还要注意“关闭或休眠”状态下的电流损耗；当负载对于碱性电池而言过大时，需选用可充电电池，如镍氢电池和锂离子电池，这对于笔记本电脑，PDA和蜂窝电话等便携式产品已经成为标准模式。可充电电池要尽可能少地“打扰”用户，对产品有促进作用，至少不会降低产品的性能。

文中从锂离子电池的选择、成本、性能、制造和安全性等方面论述了锂离子电池的选择标准，分析改进制造技术及材料的性能，提出解决安全性保护的具体措施。

1 选择动力锂离子电池产品的基本标准

有着“终极能源和绿色能源”之称的锂离子电池，从电子类产品中的纽扣电池，手机、DC类数码产品中的锂电池，到电动汽车中的动力蓄电池，被日益广泛应用在人们的生产和生活中。同其他电池相比，锂离子电池不管是从体积上、重量上、还是性能上，都有着很大的优越性。

1）要使用在合理电压容量范围之内的锂电池。片面地追求超大容量，超高电压的做法是错误的。因为任何事物都要经过一个由简单到复杂，由难到易的过程，就好比同样是易燃气体，有效保证打火机的安全是比较容易的，想有效保证汽车油箱的安全就要难得多，至今仍然没有完全解决撞车时汽车起火爆炸的情况。在一个有限的体积内积聚的能量越多就越不好管理，目前苏州星恒只能保证最大48 V10 Ah的电池组合的安全性。而且电压越高，容量越大，保护电路和均衡电路的难度和故障率就越大，因此苏州星恒不提倡、不支持超出48 V10 Ah的电池组合。

2）要看锂电池的安全性测试认证。一是UL认证。UL标志已成为世界著名的安全认证标志之一。测试项目必须达到一定的标准，如：①壳体的强度与刚度不致引起着火、伤人；②电解质应无毒、防漏；③使用时应有正常的充电电流；④漏液或泄漏质量损失不超过lg0．5%；⑤机械试验样品按规格应不起火、不爆炸；⑥充放电试验样品应不出现任何安全性事件；⑦电池应标识warning，并有相应的描述。二是Extra Energy标准。Extra Energy认证是一个非营利性的组织，总部在德国坦拿，主要工作是集中全球的轻型电动车的中立性信息，并提供增值服务，其中相关锂电池的安全性检测非常严格、严谨，得到大部分欧洲客户的认可。其主要是规范测试方法、校准试前状态、确定测试标准，保证非正常充电、短路和重物挤压时电池不起火、不爆炸。三是CE认证。近年来，在欧洲经济区市场上销售的商品中，CE认证标志的使用越来越多，加贴CE认证标志的商品表示其符合安全、卫生、环保和消费者保护等一系列欧洲指令所需表达的要求。

NiMH电池成本比锂离子电池低，当产品的正规使用状况对电池而言不安全时，这种选择将变得很敏感。这一问题对于缺少复杂的充电设计的低成本产品更为重要。因为NiMH电池适于完全充满和完全放电的过程，这对于常常会将电能完全耗尽的产品比较合适，如：电动工具。许多携带式产品需要定期充电，但它们只是偶尔消耗电能。这些产品最好选用锂离子电池，除了重量密度外，这种电池还具有两个重要优势：低自放电率，对于短时间的充放电没有限制。消费者不用考虑“电池管理”问题，简化了产品使用[1]。

2 改革制造技术，提高电池性能、降低成本

1）日本PRIMIX公司开发出了大量生产锂离子充电电池时使用的新制造技术。这就是可通过连续处理电极浆料来进行生产的 “CDM工艺”，与原来采用间歇式混合机的方式相比，可削减工场的占地面积，耗电量及人工费等，提高质量的同时降低成本。电极浆料即用于在电极板上涂布的电极流体材料，通过在粘合剂及溶剂等液体中混入电极活性物质及导电材料等粉末构成。其涂布技术会给产品的性能、质量及成本带来巨大影响[2]。

在目前的锂离子充电电池的制造工序中，电极浆料的混合工序还不是连续处理工艺，仍然以采用间歇式混合机的间歇处理为主流。在今后需求急剧扩大的车载用途方面，从最初起就进行大规模产量的计划连续不断，为此需要采用通过连续处理来制造电极浆料的工艺。

2）锂电池虽已成为现代社会的便携能源，但“有锂有忧”[3]。尽管锂电池很好，仍不能承担艰巨任务，驱动一代电动汽车。主要是没有足够的电流，或者不能一遍又一遍地快速释放电流。问题在于锂电池的阴极，锂电池中的阳极材料的单位容量，石墨和硅都是370mAh/g。相反，阴极的单位容量，磷酸锂铁是170mAh/g，层状氧化物只有150mAh/g。因此，未来方向就是寻找一种方法，改善阴极的比容量，同时保持锂电池所要求的其他特征，如令人满意的能效和良好的充电循环寿命[4]。

日前，斯坦福大学的王海亮等为了这个目标，研究出硫作为所选阴极材料，使用少数灵巧的纳米工程技术改变性能。他们的窍门是制作亚微米硫粒子，并且给它们涂上一种塑料，成为聚乙二醇或聚氧乙烯，这就绊住了多硫化物，防止它们被冲走。然后包裹在石墨烯笼中，通过碳和硫之间的相互作用，使粒子导电，也支持粒子，因为在每个放电周期，这些粒子都会膨胀和收缩。所产生的阴极，可保持的比容量大于600mAh/g，超过100个充电周期，很快使可充电锂电池具有更高的能量密度。

3）提升电池性能，期待石墨烯纳米材料[5]。石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由碳原子组成的二维晶体，只有一层碳原子的厚度，是迄今最薄也坚硬的材料，其导电、导热性能超强，远远超过硅和其他传统的半导体材料。很多人认为，石墨烯可能取代硅成为未来的电子元件材料，在超级计算机、触摸屏和光子传感器等多个领域“大显身手”。美国科学家制造出了一种由石墨烯和锡层叠在一起组成的纳米复合材料，这种可用来制造大容量能源存储设备的轻质新材料可用于锂离子电池中，其“三明治”结构也有助于提升电池的性能。

在最新研究中，他们将一层稀薄膜沉在石墨烯上，接着在稀薄膜上方放置另一层石墨烯，然后不断重复这个过程制造出了这种复合材料。并对材料进行了热处理，通过在一个充满氢气和氩气的环境中将其加热到300℃，锡薄膜转变成很多柱子，增加了锡层的高度，最上层与最底层石墨烯之间的距离也会不断变化以适应锡层高度的变化。新纳米复合材料中石墨烯层之间高度变化会对电池的电化学循环有所改善，锡高度的变化也会改进电池的性能。另外，这种适应性也意味着电池能被快速地充电，而且重复充放电也不会降低其性能，这对电动汽车内的可充电电池来说非常重要。

3 锂离子动力电池的安全性及保护措施

虽然，锂离子二次电池的安全性相对于金属锂有了很大提高，但仍然存在着许多隐患，如：由于电池的比容量高，且电解液大多为有机易燃物等，当电池热量产生速度大于散热速度时，就有可能出现安全性问题。根据Ph．Biensan等的研究证明：锂离子电池在滥用的条件下有可能产生使铝集流体熔化的高温（﹥700℃），从而导致电池出现冒烟、着火、爆炸、乃至人员受伤等情况。因此对锂离子电池的研制和生产来说，电池的安全性不仅是指在各种测试条件下不出现以上意外现象，最重要的事确保人员在电池滥用的条件下不受伤害。

1）锂离子电池的安全性由其自身特点决定的。①电池能量密度很高，如果发生热失控反应，放出的很高的热量容易导致不安全行为发生；②锂离子电池由于采用有机电解质体系，有机溶剂是碳氢化合物，在4．6 V左右易发生氧化，并溶剂易燃，若出现泄露等情况，会引起电池着火，甚至燃烧、爆炸；③锂离子电池过充电反应会是正极材料结构发生变化而使材料具有很强的氧化作用，使电解液中溶剂发生强烈氧化，并且这种作用是不可逆的，反应引发的热量如果积累会存在引发热失控的危险。因此，电池设计对安全性有很大的影响，要获得可靠性与安全性好的锂离子动力电池，设计时必须考虑时效性，尤其应考虑电池在使用后期的安全性[6]。

2）材料对锂离子动力电池安全性的影响。一般而言，电池材料的热稳定性是锂离子动力电池安全性的重要因素。这主要与电池材料的热活性有关，当电池温度升高时，电池内部会发生许多放热反应，如果产生的热量超过了热量的散失，就会发生热溢溃。锂离子电池材料之间主要放热反应有：SEI膜的分解、电解液分解、正极分解、负极与电解液的反应、负极与粘合剂的反应，此外，由于电池存在电阻，使用时也产生少量热量。

锂离子电池正极材料一直是限制锂离子电池发展的关键。和负极材料相比，正极材料能量密度和功率密度低，并且也是引发锂离子电池安全隐患的主要原因。正负极材料的结构对锂离子的嵌入和脱嵌有决定性影响，因而影响着电池的寿命。因此，寻找热稳定性较好的正极材料是锂离子动力电池的关键；锂化过渡金属氮化物及过度金属磷族化合物有可能为锂离子电池负极材料的发展注入新的活力；隔膜本身是电子的非良导体，但也允许电解质离子通过。此外，隔膜材料还必须具备良好的化学、电化学稳定性和机械性能，而有机电解液具有良好的热稳定性。从根本上解决锂离子电池安全性问题应为离子液体电解液。

3）制造工艺及制造过程与电池的安全性。锂离子电池的制造工艺分为液态和聚合物锂离子电池的制造工艺，无论是什么结构的锂离子电池，电极制造、电池装配等制造过程都会对电池的安全性产生影响。如正极和负极混料、涂布、辊压、裁片或冲切、组装、加注电解液的量、封口、化成等诸道工序的质量控制，无一不影响电池的性能和安全性。

4）电池使用安全与保护[7]。对于锂离子动力电池，无论单体容量高低，必然采用电池的组合应用，如果不能精确控制，对某个单体来说，无异于滥用。锂离子电池在实际应用中为了提高安全性，需要保护电路以防止单体的过充或过放，为此，各有关电源管理控制集成电路生产厂商都推出了自己的多节锂电池（电池组）保护集成电路芯片，它可监控3、4节锂离子电池的充放电状态，并防止电池性能劣化。锂离子电池的保护主要包括：①过充电保护。当充电器对锂离子电池过充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。为此，保护器件需监测电池电压，当其达到电池过充电压时，即激活过充电保护功能，中止充电；②过放电保护。为了防止锂离子电池的过放电状态，当锂离子电池电压低于其过放电电压检测点时，即激活过放电保护，中止放电，并将电池保持在低静态电流的待机模式；③过电流及短路保护。当锂离子电池的放电电流过大或短路情况产生时，保护器件将激活过电流保护功能。

4 结 论

锂离子电池是最晚研究而商品化进程最快的一种高性能电池，它以其独特的优势目前已成为各个领域广泛应用的新能源。锂离子电池具有电压高、比能量高、循环性能好等优点。此外，它还有自放电流小、无记忆效应和无环境污染等优点。锂离子蓄电池经过近年来的发展，取得了长足的进步，而锂离子动力电池虽已在市场上出现，但尚处于发展阶段，越来越广泛应用于3 G领域、电动车和混合型电动车市场领域。随着电池体系、电池材料等安全性问题的深入研究，需从设计、生产、使用方的共同努力解决锂离子电池安全性，避免不安全因素的发生，促进锂离子动力电池的健康发展。

[1] 电池的合理选择[EB/OL]．[2012-04-13]．http：//www．chinaaet．com/article/index．aspx?id=27487．

[2]王铭，李建军，吴扞，等．锂离子电池模型研究进展[J]．电源技术，2011（7）：862-865．

WANG Ming，LI Jian-jun，WU Han，et al．Advances on mathematical modeling of lithium-ion battery[J]．Chinese Journalof Power Sources，2011（7）：862-865．

[3]有锂有忧，如何正确选择动力锂电池产品[EB/OL]．[2012-04-13]．http：//www．chinaaet．com/article/index．aspx?id=27761．

[4]李明月，陈科峰．新型锂离子电池材料研究进展[J]．化工生产与技术，2010（4）：46-49．

LI Ming-yue，CHEN Ke-feng．Progress in new lithium ion battery ofmaterials[J]．Chemical Production and Technology，2010（4）：46-49．

[5]如何提升电池性能？期待石墨烯纳米材料[EB/OL]．[2011-08-04]．http：//www．eeworld．com．cn/qcdz/2011/0804/article_4107 ．htm l．

[6]东莞贝尔实验设备有限公司，锂离子动力电池安全性研究进展[EB/OL]．[2011-06]．http：//www．bell0769．com．cn/bell0 769_Article_466796．html．

[7]吴凯，张耀，曾毓群，等．锂离子电池安全性能研究[J]．化学进展，2011（2）：401-409．

WUKai，ZHANGYao，ZENG Liu-qun，etal．Research ofsafety performance ofLithium-ion battery[J]．Progress In Chemistry，2011（2）：401-409．