深入一点再谈锂电池

最近几年电池技术的革新主要体现在锂电池技术上。锂电池的容量比目前大批量生产的任何可充电电池（如NiCdNiMH电池）的容量都大。虽然以体积为度量尺度时锂电池的容量仅比同样体积大小的NiMH电池容量仅大10%~30%，但是对于便携式设备体积大小并非其唯一重要指标，设备的轻重度同样很重要。当以单位重量计算储能多少时锂电池的优势一下体现出来了。NiMH电池相对锂而言要重些，同等质量的容量相比锂电池将近是NiMH电池的两倍。

当然，锂电池也有许多不足或局限，如对过充电和过放电十分敏感。为了最大限度的给电池储能，必须将电池充电至其最大电压，但是过压充电可能对锂电池造成永久性损坏。同样也不能过流充放电。同时亦有放电警告：重复放电到一个太低的电压可能降低锂电池的容量。

因此，为了保护锂电池免遭损坏，对其充放电时必须限定电流电压。大多数锂电池内部都具有某种类型的欠压和过压断路电路。除此之外，典型的锂电池内部还包括防止过流的保险丝和当高压出现时断开电池的开关，防止电池被损坏。NiCdNiMH电池需要电流源充电，而锂电池与之不同它需要以电流源结合电压源方式充电。锂电池对压充电电压很敏感，因此为了获得最大限度的储能又不至损坏电池，大多数锂电池充电器充电电压维持在锂电池额定输出值1%容限范围内。采用更小的容限充电可获得稍多一点储能，考虑到其额外开销和实现难度，这通常是得不偿失。

锂电池封装内常常包含有保护作用的MOSFET开关，当过压或欠压时断开电池回路。这些保护MOSFET开关使锂电池实现了交替充电模式，既当采用无电压限制的恒流源对其充电时MOSFET开关根据需要自动闭合，自动断开使电池电压维持在适当值。电池的电容有助于减慢电池电压上升，但必须注意：当频率变化时其容值变化很大，并且每一个电池的电容值都不一致。

间歇式负载在某些应用场合其工作电流超出了主电池负载能力。一种解决方法是配置一附加的可充电电池在大电流工作期间提供额外电流。之后主电池对辅助电池又充电以备下一个用电高峰期使用。双向寻呼机对这种处理应用提供了一个很好的范例。通常情形下，寻呼机靠单独一个AA型碱性蓄电池供电，然而当机器工作于发射期时，单独一个碱性电池提供的电流太小，不能满足系统电流要求。因此系统又配备了一个NiCd电池在机器发射期间向系统供电，在发射过程结束后（占绝大部分时间）它又被主电池充电。

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1?2V，其容量为800mAh，则其能量为0?96Wh(1?2V×0?8Ah)。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3?6Wh。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3?75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2?4V。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、特种、特种、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(Li?MnO2)

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50?5mm(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12?5～24?5mm，高度为1?6～5?0mm。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12?5mm(不包括小数点后的数)，其高度为2?0mm。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(Li?SOCl2)

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3?6V，以中等电流放电时具有极其平坦的3?4V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1?2V，容量为5000mAh；1＃锂－亚硫酰氯的额定电压为3?6V，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。

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。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。