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锂电池保护电路的设计指南

导读: 锂离子电池的全球需求已达13亿只,并随着应用领域的不断扩展,这一数据在逐年递增。正因如此,随着锂离子电池在各个行业用量的迅速激增,电池的安全性能也日益突出,不仅要求锂离子电池具有优异的充、放电性能,还要求具有更高的安全性能。

  据统计,锂离子电池的全球需求已达13亿只,并随着应用领域的不断扩展,这一数据在逐年递增。正因如此,随着锂离子电池在各个行业用量的迅速激增,电池的安全性能也日益突出,不仅要求锂离子电池具有优异的充、放电性能,还要求具有更高的安全性能。那锂电池到底为什么发生起火甚至爆炸呢,有什么措施可以避免和杜绝吗?

  笔记本电池爆炸,不仅同其中所用的锂电池电芯的生产工艺有关,也同电池内封装的电池保护板、笔记本电脑的充放电管理电路以及笔记本的散热设计有关。笔记本电脑不合理的散热设计和充放电管理,将使电池电芯过热,从而大大增加了电芯的活性,同时增加了爆炸、燃烧的几率。

  锂电池材料构成及性能探析

  首先我们来了解一下锂电池的材料构成,锂离子电池的性能主要取决于所用电池内部材料的结构和性能。这些电池内部材料包括负极材料、电解质、隔膜和正极材料等。其中正、负极材料的选择和质量直接决定锂离子电池的性能与价格。因此廉价、高性能的正、负极材料的研究一直是锂离子电池行业发展的重点。

  负极材料一般选用碳材料,目前的发展比较成熟。而正极材料的开发已经成为制约锂离子电池性能进一步提高、价格进一步降低的重要因素。在目前的商业化生产的锂离子电池中,正极材料的成本大约占整个电池成本的40%左右,正极材料价格的降低直接决定着锂离子电池价格的降低。对锂离子动力电池尤其如此。比如一块手机用的小型锂离子电池大约只需要5克左右的正极材料,而驱动一辆公共汽车用的锂离子动力电池可能需要高达500千克的正极材料。

  尽管从理论上能够用作锂离子电池正极材料种类很多,常见的正极材料主要成分为 LiCoO2,充电时,加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子,嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时,锂离子则从片层结构的碳中析出,重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。这就是锂电池工作的原理。

  锂电池充放电管理设计

  锂电池充电时,加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子,嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中。放电时,锂离子则从片层结构的碳中析出,重新和正极的化合物结合。锂离子的移动产生了电流。原理虽然很简单,然而在实际的工业生产中,需要考虑的实际问题要多得多:正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性,负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子;填充在正负极之间的电解液,除了保持稳定,还需要具有良好导电性,减小电池内阻。

  虽然锂离子电池有以上所说的种种优点,但它对保护电路的要求比较高, 在使用过程中应严格避免出现过充电、过放电现象,放电电流也不宜过大,一般而言,放电速率不应大于0.2C。锂电池的充电过程如图所示。在一个充电周期内, 锂离子电池在充电开始之前需要检测电池的电压和温度, 判断是否可充。如果电池电压或温度超出制造商允许的范围, 则禁止充电。允许充电的电压范围是:每节电池2.5V~4.2V。

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