锂离子电池的组成，锂离子电池的短路保护

锂离子电池（Li-ionBatteries）是锂电池发展而来。在介绍Li-ion之前，应先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压，不需充电。这种电池也可能充电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶，造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。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，达到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，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，又运动回正极。回正极的锂离子越多，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。在Li-ion的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。Li-ionBatteries就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫摇椅式电池。

钢壳/铝壳/圆柱/软包装系列：

（1）正极活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，电动自行车则普遍用镍钴锰酸锂（俗称三元）或者三元+少量锰酸锂，纯的锰酸锂和磷酸铁锂则由于体积大、性能不好或成本高而逐渐淡出。导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。

（2）隔膜一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。

（3）负极活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳，导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。

（4）有机电解液溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液。

（5）电池外壳分为钢壳（方型很少使用）、铝壳、镀镍铁壳（圆柱电池使用）、铝塑膜（软包装）等，还有电池的盖帽，也是电池的正负极引出端。

隔膜?Separator

目前?在制造锂离子电池用的所有的原材料中?只有隔膜还需要进口?其余材料国内都有生产。所以?这里我们首先介绍以下有关隔膜的知识。

在锂离子电池中，隔膜的作用是：

1、正极和负极隔开，避免两个电极接触因而发生短路;

2、给锂离子提供足够多的孔隙，使电池在充电时锂离子从正极的活性材料解嵌出来，经过隔膜向负极流动;而在放电时则让锂离子从负极解嵌经过隔膜流向正极。为此，隔膜上要有空隙。

由于锂离子电池不断向大的容量，小型化和轻量化方向发展，因此要求隔膜要满足下列要求：

从提高传导锂离子的能力上要求：

（1）隔膜要有足够大的空隙率，以利于锂离子从孔隙中通过?孔隙率一般在30-60%?

（2）隔膜材料对于电解质溶液具有一定的亲合能力?以便容纳电解质溶液，以上两点都是为了降低电池的内阻?以有利于锂离子流动，从而降低电池内阻；

从电池的安全性上要求：

（3）孔隙不可过大，避免发生微短路；

（4）有足够大的抗穿刺的能力，避免被一些颗粒刺穿隔膜，引起局部短路；

（5）隔膜材料具有足够的化学稳定性，和电解液不发生化学作用；

（6）隔膜要有闭合孔隙的功能（shutdown），在电池遇到意外事故而升温时，隔膜的空隙受热而熔化闭合，阻止锂离子流动，亦即切断了电流，防止有着火和爆炸等更大的事故发生；

（7）隔膜的热收缩率和变形性要尽可能小；

从电池的容量考虑：

（8）隔膜要尽可能薄以减少隔膜在电池内占有的空间;一般隔膜厚度在10-50μm，从保障安全考虑，锂离子电池的容量越大，所使用的隔膜越厚。例如：一般手机用电池可以采用16μm的隔膜，18650电池采用25μm的隔膜，动力电池采用40μm的隔膜。

从加工性能上考虑：

（9）?有足够大的拉伸强度，以便在组装电池时隔膜不会被拉断或撕裂。

制造锂离子电池隔膜的难点在于?上述种种要求中有不少是相互矛盾的。例如：为了降低内阻，要求隔膜的孔隙率要高，但隔膜的孔隙率越高，隔膜的强度越差，越容易发生短路，同样，为了提高容量，隔膜要尽可能薄，但越薄强度越差。

锂离子电池由于材料体系及制成工艺等诸多方面因素的影响，存在发生内短路的风险。虽然锂离子电池在出厂时都已经经过严格的老化及自放电筛选，但由于过程失效及其他不可预知的使用因素影响，依然存在一定的失效概率导致使用过程中出现内短路。对于动力电池，其电池组中锂离子电池多达几百节甚至上万节，大大放大了电池组发生内短的概率。由于动力电池组内部所蕴含的能量极大，内短路的发生极易诱发恶性事故，导致人员伤亡和财产损失。

对于并联的锂离子动力电池模组，当其中一节或几节电池发生内短时，电池模组中的其他电池会对其放电，电池组的能量会使内短电池温度急速升高，极易诱发热失控，最终导致电池起火爆炸。如示意图1所示

图1：模组中单节电池内短示意

常规的温度探测在电池升温时，虽然可以告知IC切断主回路，但无法阻止并联电池模组内部的持续放电，并且由于主回路切断，电池模组所有的能量都集中于内短路电池，反而增加了热失控发生的几率。

理想的方案是，在发现某节电池发生内短而升温时，可以切断该节电池与模组中其他电池的连接回路。如图2所示，在单节电池上组装TEppTC或者MHp-TA系列产品，当内短路发生时TE保护器件可以有效地阻断内短路电池与模组内其他电池的联系，防止恶性事故的发生。对于单体电池数量大的动力电池组，配组时对电池及器件内阻一致性要求较高，而MHp-TA由于其内部双金属结构，器件电阻的一致性非常好，可以极大地满足对于电池内阻的要求。

图2：电池内短路保护解决方案

锂离子动力电池的系统组成及实际路况复杂，被动器件的防护是必不可少的。