上世紀(jì)90年代初，鋰離子電池走出實(shí)驗(yàn)室，并很快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。以鋰離子化學(xué)為基礎(chǔ)的電池，其輸出電壓通常是鎳鎘電池或鎳氫電池的三倍，輸出電能總量是同樣大小鎳鎘電池的兩倍。鋰離子電池儲(chǔ)存的電功率目前已經(jīng)能夠達(dá)到2200毫安-小時(shí)，所以設(shè)計(jì)人員經(jīng)常選用鋰離子電池作為便攜式設(shè)備的電源。

鋰離子電池與鎳氫電池或鎳鎘電池相比有兩個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：重量輕和儲(chǔ)能密度高(見圖1)。每個(gè)鋰離子電池可以提供的能量密度大約為100瓦特-小時(shí)/公斤或200瓦特-小時(shí)/升，輸出電壓可在4.2V~3.7V。由于這類電池的自放電率很低，所以比較適合在使用期限長(zhǎng)，但不經(jīng)常使用的設(shè)備中作為電源使用。

Kamen Nechev說：“使用者應(yīng)該知道鋰離子電池有兩種類型：一種是普通的鋰離子電池，另一種是新型鋰聚合物電池。”Kamen Nechev是Saft公司Cockeysville醫(yī)學(xué)設(shè)備部的高級(jí)科學(xué)家。 鋰聚合物電池使用固態(tài)的聚合材料作為電解質(zhì)。“這種電解質(zhì)在室溫下導(dǎo)電性能不好，”Kamen Nechev接著說，“因此鋰聚合物電池需要高溫(80℃~100℃)環(huán)境才能正常工作，所以鋰聚合物電池的用處很有限。”

“所以現(xiàn)在當(dāng)人們談?wù)撈痄嚲酆衔镫姵貢r(shí)，通常是指采用有機(jī)電解質(zhì)的電池，在電池的兩個(gè)電極之間充滿了凍膠狀聚合物材料，”Kamen Nechev接著說。“這種不含水份的電解質(zhì)在聚合體內(nèi)能保持穩(wěn)定。在小型電池中(電容量< 500毫安-小時(shí))，這種電池結(jié)構(gòu)可以提供比較高的安全性，但功率密度會(huì)因此而稍微減小一些。但對(duì)尺寸大的電池來說，并不能因此而提高安全性。”

軟封裝和凍膠狀電解質(zhì)提高了安全性。當(dāng)充電超過規(guī)定的容量時(shí)，軟封裝的電池比采用金屬外殼封裝的液體電解質(zhì)的鋰離子電池發(fā)散壓力容易得多，因而也就更加安全。這種凍膠狀電解質(zhì)天生就能減緩離子的傳送，因此就能防止電池電流的急劇增大，從而減少電池內(nèi)部在短時(shí)間內(nèi)聚集起過多的熱量。

圖1  鋰離子電池的化學(xué)機(jī)理使其與其他類型的電池相比性能

更杰出(即提供高的能量密度)。

圖2 典型鋰離子電池的放電曲線，顯示在不同的放電速率下，輸出電壓隨時(shí)間的改變。2.0C那條曲線(放電速率為正常放電時(shí)間為一個(gè)小時(shí)時(shí)的放電速率的兩倍)表示一個(gè)30分鐘的放電過程。

圖3  Saft公司的大號(hào)電池，能夠在很短的放電時(shí)間內(nèi)提供很大的電流。而且需要長(zhǎng)期供應(yīng)電能的應(yīng)用場(chǎng)合也可以使用大號(hào)電池。

能量和功率

鋰離子電池制造商讓用戶來選擇需要電池能量還是功率。Valence Technology公司的工程部主任Rick Thompson說：“電池以規(guī)則的、適當(dāng)?shù)乃俾式o諸如筆記本電腦之類的設(shè)備提供電力。一塊標(biāo)準(zhǔn)的電能容量為2200毫安-小時(shí)的‘18650&rsquo;圓柱型電池，如果以1100毫安電流放電，可以維持兩個(gè)小時(shí)。”圖2中的C表示的是電池的電荷，不是庫侖。

隨著電池放電速率的增加，電池的能量效率就逐步降低。請(qǐng)看一個(gè)例子：標(biāo)稱電能容量為2000毫安-小時(shí)的電池，如果以2000毫安電流放電，應(yīng)該可以維持一個(gè)小時(shí)，但實(shí)際上如按照此速率放電，只能提供1900毫安-小時(shí)的能量，即只有9 5%的儲(chǔ)存電能。若用更大的電流放電，假設(shè)在20分鐘內(nèi)把電池的能量放完，則電池只能供應(yīng)1600毫安-小時(shí)的電能，即能量效率只有80%。有些應(yīng)用需要較大的功率，即必須在較短的時(shí)間內(nèi)給出較大的電流，為此制造廠商提供了功率型電池，這種電池為了提高輸出的功率，必須以犧牲一部分儲(chǔ)存的能量作為代價(jià)。功率電池可以規(guī)定只允許充入1700毫安-小時(shí)的電能，它可以在很寬的放電速率范圍內(nèi)輸出1700毫安電流。

 “人們存在一個(gè)錯(cuò)誤觀念，認(rèn)為鋰離子電池只能做成小號(hào)電池，儲(chǔ)存的電能也不多，” Kamen Nechev說，“我們制造了可以以500安培電流放電20秒的電池。這種電池可以用在諸如激光或微波干擾臺(tái)等定向能量系統(tǒng)。鋰離子電池也能在很低的溫度下工作，最低可以達(dá)到 -40℃，可用于飛機(jī)或各種車輛。當(dāng)然，這種電池需要特殊的構(gòu)造，與移動(dòng)電話中所使用的鋰電池構(gòu)造不同。”(見圖3)

為在鋰離子電池中儲(chǔ)存更多電能，許多電池制造商付出了很大努力，英特爾公司可能會(huì)給他們一些幫助。用在筆記本電腦上的英特爾Centrino芯片(1.7GHz)，采用自動(dòng)關(guān)掉部分電路電源的方法，即不使用某功能時(shí)就切斷這部分的電源，只有當(dāng)必需接通這部分電源時(shí)才啟動(dòng)的管理方法，以節(jié)省電能，使電池可以持續(xù)使用長(zhǎng)達(dá)400分鐘。標(biāo)準(zhǔn)配置的奔騰4(2.6GHz)筆記本電腦，若使用同樣電能容量的電池，則只能維持290分鐘。

隨著制造商不斷地在移動(dòng)電話產(chǎn)品中增加新的功能和特色，電池的使用周期卻越來越短。根據(jù)《華爾街》雜志報(bào)道，日本生產(chǎn)了一款新手機(jī)，可以接收電視和廣播節(jié)目，但是電池只能維持手機(jī)運(yùn)行一個(gè)小時(shí)。

兩種形狀電池滿足大部分需要

雖然薄片電池可以在一些應(yīng)用場(chǎng)合找到用武之地，但大多數(shù)鋰離子電池只采用兩種形狀：圓柱狀和矩形塊狀，也稱為棱柱狀。通常圓柱狀的電池可以提供較高的電能密度，而隨著棱柱狀電池的尺寸減小，其電能密度也隨之減小。

圓柱型電池的橫截面看起來象是一個(gè)由導(dǎo)體、絕緣體和電解質(zhì)組成的果凍卷。最常用的棱柱型電池看起來象是一個(gè)壓扁的果凍卷，因?yàn)樗黔h(huán)繞著一個(gè)扁平的心軸，而不是環(huán)繞著一個(gè)針狀物卷起來而形成的。除了提供圓柱型和棱柱型電池外，Valence Technology公司也提供由Bellcore公司開發(fā)的疊板技術(shù)(stacked plate technology)。“我們可以在電極上沖孔，把它們堆疊起來，然后放在一個(gè)柔性的包裝內(nèi)形成電池。”Valence Technology公司的Rick Thompson說(見圖4)。

多層電極構(gòu)造在幾年前就受到眾多關(guān)注，當(dāng)時(shí)工程師們正在思考如何設(shè)計(jì)特殊形狀的電池。由于定做特殊形狀的電池價(jià)格比較高，因此迫使廠商提供標(biāo)準(zhǔn)尺寸的系列電池。但客戶仍然可以定做特殊形狀的電池，只是需要付一筆相當(dāng)可觀的定制(NRE)費(fèi)。

電池尺寸

通常在指定電池尺寸的規(guī)格時(shí)，很容易搞錯(cuò)。例如18650這個(gè)數(shù)表示直徑為18毫米，高為65毫米的圓柱型電池。棱柱型電池的尺寸規(guī)格也使用類似的數(shù)字表示方法，例如，383555表示3.8mm&times;35mm×55mm的棱柱形電池。十進(jìn)制小數(shù)點(diǎn)的隨意浮動(dòng)很容易造成混亂，所以還需要查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，進(jìn)一步核實(shí)不同標(biāo)號(hào)電池的尺寸大小。

仔細(xì)閱讀有關(guān)充電信息的說明書也很重要。大多數(shù)鋰離子電池并不需要復(fù)雜的充電線路—只要能提供恒定的電流(速率為C/2)并能保持4.2V的恒定電壓就可以了。當(dāng)電池電壓達(dá)到4.2V時(shí)，電流應(yīng)該降到100毫安，表示電池已充滿。有些電路還可以繼續(xù)施加很小的電流或者浮動(dòng)的電荷。充電通常需要花一到三個(gè)小時(shí)。加拿大的Cadex公司是一家電池測(cè)試器和充電器的制造廠，建議用戶最好用4.1V電壓充電，這樣可以延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命。但是為了延長(zhǎng)電池的使用壽命，代價(jià)是減少了10%的電能容量。

產(chǎn)品大規(guī)模上市后，我們將會(huì)看到鋰離子電池的電容量在其使用壽命期間，會(huì)出現(xiàn)某種程度的下降，一般可以進(jìn)行300到500次充/放電過程(見圖5)。這一類電池壽命從出廠時(shí)算起，而不是從第一次充電算起，大約為兩到三年。

“制造廠家可以提供壽命長(zhǎng)達(dá)10到15年的鋰離子電池”Saft公司的Nechev先生說。 “有些放電徹底的電池，可以經(jīng)得起5000次充放電循環(huán)，還有一些放電不徹底的電池，例如用在汽車?yán)锏匿囯x子電池，每次放電只占總?cè)萘康?/span>2%到3%，可以經(jīng)得起一百萬次充放電循環(huán)。”

電池需要保護(hù)

鋰離子電池的內(nèi)部需要有監(jiān)視溫度、電壓和電流的保護(hù)電路，以保證電池在規(guī)定的工作極限條件下運(yùn)行。使用者不得改變這些電路，但是必須知道電路的存在和作用。如果電池變得很熱，其保護(hù)電路就會(huì)把線路斷開。如果電壓降至預(yù)先設(shè)定的極限下(一般降到3.2V 至 3.0V)，電池也會(huì)斷開。如果放電的電流太大，電池內(nèi)部的保險(xiǎn)絲也會(huì)開路。

有些保護(hù)電路具有可編程性，特別在充電期間，它們可以監(jiān)視電池運(yùn)行。電池技術(shù)指標(biāo)說明書還提供了內(nèi)部保護(hù)電路的操作說明。

圖4  Valence Technology公司等制造廠商可以為特殊應(yīng)用提供多種尺寸的鋰離子電池。電池結(jié)構(gòu)可以采用多層電極和電解質(zhì)材料的方式或卷軸方式。

圖5  批量上市的鋰離子電池在其使用壽命期間一般只能經(jīng)得起幾百次充放電循環(huán)，而且電池所儲(chǔ)存的電量每次充放電后都有所下降。

電池技術(shù)的進(jìn)步

不同類型的鋰離子電池化學(xué)原理也有些不同。許多電池采用鋰-鈷陰極，但是其化學(xué)原理要求當(dāng)輸出電壓降到大約3.2V時(shí)，就關(guān)閉電池。Saft公司采用了基于鋰-鎳氧化物的陰極，可以使鋰離子電池能提供更高的能量和更大的功率。“雖然基于鈷的電池很容易制造，” Saft公司的Nechev先生說。“但是我們正在市場(chǎng)上積極促銷基于鎳化學(xué)原理的大號(hào)鋰離子電池，這類電池能提供很高的能量和很大的功率。”

Saft公司最近與美國國防部簽訂了一個(gè)合同，為美國陸軍改進(jìn)的目標(biāo)采集系統(tǒng)(ITAS)替換老式的銀-鋅電池。老式的電池需要使用有腐蝕性的電解液。Saft公司不只提供電池，而是提供了一套完整的系統(tǒng)，其中包括堅(jiān)固結(jié)實(shí)的外殼、電池和包括自測(cè)試能力在內(nèi)的控制電子設(shè)備。老式銀-鋅電池的有效使用期限一般只有一年，而替換后的鋰離子電池可以使用許多年。

Valence Technology公司還提供另一種基于磷酸鹽的陰極材料。磷酸鹽本質(zhì)上就很安全，經(jīng)得起過充電、短路和高溫。若確實(shí)發(fā)生上述情況，磷酸鹽不會(huì)燃燒也不易發(fā)生熱量的失控。

Valence Technology公司宣布，該公司目前的Saphion技術(shù)使鋰離子化學(xué)性能在輸出電壓為3.2V時(shí)能量密度方面只有少量的降低，而鋰-鈷陰極的電池此時(shí)的輸出電壓為3.7V。據(jù)Valence Technology公司的Rick Thompson說，“下一代Saphion電池應(yīng)該達(dá)到或者超過目前鋰離子技術(shù)的能量密度，并且輸出電壓將與鋰-鈷電池相同。”