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为移动设备选择合适的锂离子电池 |
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作者：Jeffrey VanZwol |
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在制作电池封装时，大多数封装制造商在选择封装内使用的锂离子电池类型时会遵循几个关键原则。如果设计要求强调高性价比的供电，并且使用环境比较恶劣，或者封装外形的所有尺寸都超过22毫米，那么圆柱形电池通常是理想的选择。但是，如果设计要求强调很薄的厚度，需要定制或非常特殊的外形尺寸，或重量很轻的电池，那么锂聚合物电池通常是更好的选择。
锂离子(Li-ion)电池有三种基本的外形尺寸：圆柱形，棱形(矩形砖块状)和扁平的锂聚合物(LiPo)电池。最常用的锂离子电池是圆柱形18650电池(图1)。这种电池每个月产量达几百万个，被广泛用于大多数笔记本电脑。
18650电池具有最低的每瓦时成本。“18”指的是单位为毫米的电池直径，“650”代表长度为65毫米。锂离子电池的圆柱(或棱形)材料层像蛋卷一样卷在一起。圆柱(或棱形)锂离子电池一般封装在金属罐内。18650电池的典型容量从2200毫安时至3000毫安时不等。
图1：圆柱形18650电池是最常用的锂离子电池，主要用于笔记本电脑，它具有最低的每瓦时成本
棱形或砖状电池通常性价比较高，而且尺寸种类繁多，高度可以从约4毫米至约12毫米不等。最常见的外形尺寸是50毫米长和34毫米宽。
采用薄聚合物层的锂离子棱形电池可以封装在金属罐内(图2)。值得注意的是，棱形电池有一个压力排泄孔，并且端子做在金属罐上。聚合物电池上的正极和负极为突出于电池的极耳。棱形电池的典型容量范围在1000毫安时到3000毫安时之间。
图2：棱形或砖状锂离子电池通常具有很高的性价比，并且尺寸种类繁多
锂聚合物电池有时也被称为叠层电池，外形尺寸可以定制。这种电池可以做得非常薄或非常大，取决于实际的用途。锂聚合物电池的主要优点是有多变的外形尺寸。锂聚合物电池可以封装在柔软的铝箔层压袋中，类似于“咖啡袋”材料，仅0.1毫米厚，而圆柱或棱形电池使用的铝或钢罐厚度一般为0.25毫米至0.4毫米。
锂聚合物电池通过在扁平三明治结构中堆叠电极和电解液材料制作而成，而不是像其它圆柱或棱形电池那样以蛋卷方式缠绕而成(图3)。长度和宽度可以做得非常大。电池容量范围从诸如蓝牙耳机使用的小型电池的50毫安时到电动汽车电池用的10安时以上。
图3：锂聚合物电池通过在扁平三明治结构中堆叠电极和电解液材料制作而成，
不是像圆柱或棱形电池那样以蛋卷的方式卷绕而成
锂电池的工作原理
在放电过程中锂离子从负极移动到正极，充电时则从正极移动到负极。锂离子电池的三个主要功能组件是阳极、阴极和电解液，每个组件都可以使用不同的材料。阴极材料通常是以下三种之一：分层氧化物(如氧化锂钴)，基于聚阴离子的材料(如磷酸铝锂)，尖晶石(如锰)。
圆柱和棱形锂离子电池使用单独的多孔聚合膜，通常是聚乙烯(PE)膜。这种膜位于电极之间。等到组装好以后，再回填电解液。
锂聚合物电池使用聚乙烯、聚丙烯(PP)或PP/PE隔离物。有些锂聚合物电池使用包含电解液的聚合物凝胶，将它涂覆在电极表面。在封装之前这种结构可能先要进行层压处理。
锂聚合物电池可以卷起来，或像纸牌一样叠起来。锂聚合物电池可以做得非常薄，最小可以做到约半个毫米。然而，这种极限封装可能会浪费很多空间，因此电池厚度一般在2毫米至6.5毫米之间。
电池的机械特性
人们可能会对锂聚合物电池及其柔性封装产生误解。这种柔性封装经常误导人们的认识，因为锂聚合物电池在装入设备时应保持平坦，在电池系统中安装时甚至不能弯曲。
弯曲锂聚合物电池会使阳极和阴极材料彼此靠近，可能导致意外的电镀和短路，从而缩短电池循环使用次数，并产生潜在的安全风险。聚合物电池上面的软包装很容易穿孔，也比金属罐更容易膨胀。
与圆柱形电池相比，锂聚合物电池具有较低的体积能量密度，这是因为圆柱形电池具有特别强健的形状，不会产生变形，因此可以使用非常高的电极密度。而且材料选择也更加容易，因为圆柱形电池产生的少量气体对性能或形状没有影响。
对锂聚合物电池来说情况就不是这样了。不过能量密度方面的这种缺点可以通过封装密度方面的优点加以弥补。除了电池之间损失的空间外，圆柱形电池是固定尺寸的，大多数直径是18毫米，因此在实际使用时无法利用上所有可用空间。
电池的电气特性
电池的电压不取决于封装，而是取决于内部的有源材料。从最高电压到最低电压排列，这些材料包括锰尖晶石、氧化钴(CO)、镍锰钴(NMC)和磷酸铁。包括锂聚合物电池在内的绝大部分锂离子电池使用的有源材料是氧化钴、镍锰钴或两者的混合物，因此电压范围应该是相同的，从最低的3V到最高的4.2V。
锂聚合物和棱形电池的充电次数都要比圆柱形电池多，因为它们的约束不是很严格，允许电极在循环充电期间更自由地膨胀和收缩。就拿具有1C充电/放电循环寿命的2.7安时圆柱形电池为例，在经过500次充放电后仍具有初始容量的90%。即将推出的最新电池设计在500次充放电后仍可以达到初始容量的95%，循环次数甚至可以超过1000次。
锂聚合物电池封装的考虑
与封装在钢或铝罐中的电池相比，刺破电池将使锂聚合物电池面临大得多的风险。穿孔的电池可能导致内部短路，并使电池发热。即使电池没有短路，泄漏也会使湿气进入，最终导致电池自放电和失效。电池也会因阳极与湿气发生反应而膨胀。因此在使用电池以及封装设计时必须十分谨慎，不能让尖锐的物体接触电池。
边缘短路是另一个容易被忽视的问题。封装中的铝层是导电的，因此当它在封装边缘暴露出来时，可能使与它接触的元件发生短路。另外，当连接铝层的极耳短路时，电池内部将发生腐蚀反应。当极耳沿封装边缘弯曲时就会发生这种现象。再次重申一下，电池的使用和封装设计要求十分谨慎。
对于所有锂离子电池来说都存在过度放电损坏问题，但锂聚合物电池中产生的气体更加明显。当电池电压太低时(大约1.5V)，阳极反应开始产生气体。随着电压继续下降至1V以下，阳极集电极的铜开始溶解，进而使整个电池短路。嵌入在电池封装中的电池管理系统(BMS)应防止过度放电。
过度充电会产生同样的问题。当电池处于高电压(大约4.6V)时，电解液开始分解，阴极处将产生气体。圆柱形电池集成有压力激活电流中断器件(CID)，当产生气体压力时会阻止过充。聚合物电池没有任何CID器件。虽然它们的膨胀有助于通过增加电池阻抗而阻止进一步过充，但这应该只是最后的防护手段。除了通过充电器对充电过程加以控制外，通常还会增加外部热熔丝实现过充保护。
外部短路时由于发热和过度放电可能导致电池膨胀。圆柱形电池集成有正温度系数(PTC)器件，当外部短路导致大电流而使该器件被加热或自发热时自身将因扩张而形成高电阻。聚合物电池没有这种集成的PTC，因此只能增加外部PTC或热熔丝进行短路保护。
与其它类型的锂离子电池相比，锂聚合物电池每瓦时的成本更高，原因有多个方面。首先，高质量叠层材料和允许密封口袋的专用极耳非常昂贵。其次，制造速度比较慢，从而增加了劳动力和开销成本。最后，虽然慢速生产有助于实现尺寸灵活性，但会导致较低的良率和较高的原型创建成本。
本文小结
在制作电池封装时，大多数封装制造商在选择封装内使用的锂离子电池类型时会遵循几个关键原则。如果设计要求强调高性价比的供电，并且使用环境比较恶劣(即存在冲击、跌落、振动的可能)，或者封装外形的所有尺寸都超过22毫米，那么圆柱形电池通常是理想的选择。
但是，如果设计要求强调很薄的厚度(4毫米至10毫米)，需要定制或非常特殊的外形尺寸，或重量很轻的电池，那么锂聚合物电池通常是更好的选择。处于锂聚合物电池和圆柱形电池要求之间的应用通常比较适合使用棱形电池。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/7/2011) |
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