如何為移動(dòng)設(shè)備選擇合適的鋰離子電池

　　在制作電池封裝時(shí)，大多數(shù)封裝制造商在選擇封裝內(nèi)使用的鋰離子電池類型時(shí)會(huì)遵循幾個(gè)關(guān)鍵原則。如果設(shè)計(jì)要求強(qiáng)調(diào)高性價(jià)比的供電，并且使用環(huán)境比較惡劣，或者封裝外形的所有尺寸都超過22毫米，那么圓柱形電池通常是理想的選擇。但是，如果設(shè)計(jì)要求強(qiáng)調(diào)很薄的厚度，需要定制或非常特殊的外形尺寸，或重量很輕的電池，那么鋰聚合物電池通常是更好的選擇。

　　鋰離子（Li-ion）電池有三種基本的外形尺寸：圓柱形，棱形（矩形磚塊狀）和扁平的鋰聚合物（LiPo）電池。最常用的鋰離子電池是圓柱形18650電池（圖1）。這種電池每個(gè)月產(chǎn)量達(dá)幾百萬個(gè)，被廣泛用于大多數(shù)筆記本電腦。

　　18650電池具有最低的每瓦時(shí)成本?！?8”指的是單位為毫米的電池直徑，“650”代表長(zhǎng)度為65毫米。鋰離子電池的圓柱（或棱形）材料層像蛋卷一樣卷在一起。圓柱（或棱形）鋰離子電池一般封裝在金屬罐內(nèi)。18650電池的典型容量從2200毫安時(shí)至3000毫安時(shí)不等。

　　圖1：圓柱形18650電池是最常用的鋰離子電池，主要用于筆記本電腦，它具有最低的每瓦時(shí)成本。

　　棱形或磚狀電池通常性價(jià)比較高，而且尺寸種類繁多，高度可以從約4毫米至約12毫米不等。最常見的外形尺寸是50毫米長(zhǎng)和34毫米寬。

　　采用薄聚合物層的鋰離子棱形電池可以封裝在金屬罐內(nèi)（圖2）。值得注意的是，棱形電池有一個(gè)壓力排泄孔，并且端子做在金屬罐上。聚合物電池上的正極和負(fù)極為突出于電池的極耳。棱形電池的典型容量范圍在1000毫安時(shí)到3000毫安時(shí)之間。

　　圖2：棱形或磚狀鋰離子電池通常具有很高的性價(jià)比，并且尺寸種類繁多。

　　鋰聚合物電池有時(shí)也被稱為疊層電池，外形尺寸可以定制。這種電池可以做得非常薄或非常大，取決于實(shí)際的用途。鋰聚合物電池的主要優(yōu)點(diǎn)是有多變的外形尺寸。鋰聚合物電池可以封裝在柔軟的鋁箔層壓袋中，類似于“咖啡袋”材料，僅0.1毫米厚，而圓柱或棱形電池使用的鋁或鋼罐厚度一般為0.25毫米至0.4毫米。

　　鋰聚合物電池通過在扁平三明治結(jié)構(gòu)中堆疊電極和電解液材料制作而成，而不是像其它圓柱或棱形電池那樣以蛋卷方式纏繞而成（圖3）。長(zhǎng)度和寬度可以做得非常大。電池容量范圍從諸如藍(lán)牙耳機(jī)使用的小型電池的50毫安時(shí)到電動(dòng)汽車電池用的10安時(shí)以上。

　　圖3：鋰聚合物電池通過在扁平三明治結(jié)構(gòu)中堆疊電極和電解液材料制作而成，不是像圓柱或棱形電池那樣以蛋卷的方式卷繞而成。

　　鋰電池的工作原理

　　在放電過程中鋰離子從負(fù)極移動(dòng)到正極，充電時(shí)則從正極移動(dòng)到負(fù)極。鋰離子電池的三個(gè)主要功能組件是陽極、陰極和電解液，每個(gè)組件都可以使用不同的材料。陰極材料通常是以下三種之一：分層氧化物（如氧化鋰鈷），基于聚陰離子的材料（如磷酸鋁鋰），尖晶石（如錳）。

　　圓柱和棱形鋰離子電池使用單獨(dú)的多孔聚合膜，通常是聚乙烯（PE）膜。這種膜位于電極之間。等到組裝好以后，再回填電解液。

　　鋰聚合物電池使用聚乙烯、聚丙烯（PP）或PP/PE隔離物。有些鋰聚合物電池使用包含電解液的聚合物凝膠，將它涂覆在電極表面。在封裝之前這種結(jié)構(gòu)可能先要進(jìn)行層壓處理。

　　鋰聚合物電池可以卷起來，或像紙牌一樣疊起來。鋰聚合物電池可以做得非常薄，最小可以做到約半個(gè)毫米。然而，這種極限封裝可能會(huì)浪費(fèi)很多空間，因此電池厚度一般在2毫米至6.5毫米之間。

　　電池的機(jī)械特性

　　人們可能會(huì)對(duì)鋰聚合物電池及其柔性封裝產(chǎn)生誤解。這種柔性封裝經(jīng)常誤導(dǎo)人們的認(rèn)識(shí)，因?yàn)殇嚲酆衔镫姵卦谘b入設(shè)備時(shí)應(yīng)保持平坦，在電池系統(tǒng)中安裝時(shí)甚至不能彎曲。

　　彎曲鋰聚合物電池會(huì)使陽極和陰極材料彼此靠近，可能導(dǎo)致意外的電鍍和短路，從而縮短電池循環(huán)使用次數(shù)，并產(chǎn)生潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。聚合物電池上面的軟包裝很容易穿孔，也比金屬罐更容易膨脹。

　　與圓柱形電池相比，鋰聚合物電池具有較低的體積能量密度，這是因?yàn)閳A柱形電池具有特別強(qiáng)健的形狀，不會(huì)產(chǎn)生變形，因此可以使用非常高的電極密度。而且材料選擇也更加容易，因?yàn)閳A柱形電池產(chǎn)生的少量氣體對(duì)性能或形狀沒有影響。

　　對(duì)鋰聚合物電池來說情況就不是這樣了。不過能量密度方面的這種缺點(diǎn)可以通過封裝密度方面的優(yōu)點(diǎn)加以彌補(bǔ)。除了電池之間損失的空間外，圓柱形電池是固定尺寸的，大多數(shù)直徑是18毫米，因此在實(shí)際使用時(shí)無法利用上所有可用空間。

　　電池的電氣特性

　　電池的電壓不取決于封裝，而是取決于內(nèi)部的有源材料。從最高電壓到最低電壓排列，這些材料包括錳尖晶石、氧化鈷（CO）、鎳錳鈷（NMC）和磷酸鐵。包括鋰聚合物電池在內(nèi)的絕大部分鋰離子電池使用的有源材料是氧化鈷、鎳錳鈷或兩者的混合物，因此電壓范圍應(yīng)該是相同的，從最低的3V到最高的4.2V。

　　鋰聚合物和棱形電池的充電次數(shù)都要比圓柱形電池多，因?yàn)樗鼈兊募s束不是很嚴(yán)格，允許電極在循環(huán)充電期間更自由地膨脹和收縮。就拿具有1C充電/放電循環(huán)壽命的2.7安時(shí)圓柱形電池為例，在經(jīng)過500次充放電后仍具有初始容量的90%。即將推出的最新電池設(shè)計(jì)在500次充放電后仍可以達(dá)到初始容量的95%，循環(huán)次數(shù)甚至可以超過1000次。

　　鋰聚合物電池封裝的考慮

　　與封裝在鋼或鋁罐中的電池相比，刺破電池將使鋰聚合物電池面臨大得多的風(fēng)險(xiǎn)。穿孔的電池可能導(dǎo)致內(nèi)部短路，并使電池發(fā)熱。即使電池沒有短路，泄漏也會(huì)使?jié)駳膺M(jìn)入，最終導(dǎo)致電池自放電和失效。電池也會(huì)因陽極與濕氣發(fā)生反應(yīng)而膨脹。因此在使用電池以及封裝設(shè)計(jì)時(shí)必須十分謹(jǐn)慎，不能讓尖銳的物體接觸電池。

　　邊緣短路是另一個(gè)容易被忽視的問題。封裝中的鋁層是導(dǎo)電的，因此當(dāng)它在封裝邊緣暴露出來時(shí)，可能使與它接觸的元件發(fā)生短路。另外，當(dāng)連接鋁層的極耳短路時(shí)，電池內(nèi)部將發(fā)生腐蝕反應(yīng)。當(dāng)極耳沿封裝邊緣彎曲時(shí)就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。再次重申一下，電池的使用和封裝設(shè)計(jì)要求十分謹(jǐn)慎。

　　對(duì)于所有鋰離子電池來說都存在過度放電損壞問題，但鋰聚合物電池中產(chǎn)生的氣體更加明顯。當(dāng)電池電壓太低時(shí)（大約1.5V），陽極反應(yīng)開始產(chǎn)生氣體。隨著電壓繼續(xù)下降至1V以下，陽極集電極的銅開始溶解，進(jìn)而使整個(gè)電池短路。嵌入在電池封裝中的電池管理系統(tǒng)（BMS）應(yīng)防止過度放電。

　　過度充電會(huì)產(chǎn)生同樣的問題。當(dāng)電池處于高電壓（大約4.6V）時(shí)，電解液開始分解，陰極處將產(chǎn)生氣體。圓柱形電池集成有壓力激活電流中斷器件（CID），當(dāng)產(chǎn)生氣體壓力時(shí)會(huì)阻止過充。聚合物電池沒有任何CID器件。雖然它們的膨脹有助于通過增加電池阻抗而阻止進(jìn)一步過充，但這應(yīng)該只是最后的防護(hù)手段。除了通過充電器對(duì)充電過程加以控制外，通常還會(huì)增加外部熱熔絲實(shí)現(xiàn)過充保護(hù)。

　　外部短路時(shí)由于發(fā)熱和過度放電可能導(dǎo)致電池膨脹。圓柱形電池集成有正溫度系數(shù)（PTC）器件，當(dāng)外部短路導(dǎo)致大電流而使該器件被加熱或自發(fā)熱時(shí)自身將因擴(kuò)張而形成高電阻。聚合物電池沒有這種集成的PTC，因此只能增加外部PTC或熱熔絲進(jìn)行短路保護(hù)。

　　與其它類型的鋰離子電池相比，鋰聚合物電池每瓦時(shí)的成本更高，原因有多個(gè)方面。首先，高質(zhì)量疊層材料和允許密封口袋的專用極耳非常昂貴。其次，制造速度比較慢，從而增加了勞動(dòng)力和開銷成本。最后，雖然慢速生產(chǎn)有助于實(shí)現(xiàn)尺寸靈活性，但會(huì)導(dǎo)致較低的良率和較高的原型創(chuàng)建成本。

　　本文小結(jié)

　　在制作電池封裝時(shí)，大多數(shù)封裝制造商在選擇封裝內(nèi)使用的鋰離子電池類型時(shí)會(huì)遵循幾個(gè)關(guān)鍵原則。如果設(shè)計(jì)要求強(qiáng)調(diào)高性價(jià)比的供電，并且使用環(huán)境比較惡劣（即存在沖擊、跌落、振動(dòng)的可能），或者封裝外形的所有尺寸都超過22毫米，那么圓柱形電池通常是理想的選擇。

　　但是，如果設(shè)計(jì)要求