鋰離子電池的優(yōu)異特性

鋰離子電池是智能手機(jī)和筆記本電腦等設(shè)備的電源。隨著科技進(jìn)步，這些電池變得體積更小、容量更大，現(xiàn)在也被用于無(wú)人機(jī)和電動(dòng)自行車。鋰離子電池在我們的日常生活中可以說(shuō)是不可或缺。由于以下三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，它們被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域：

高電壓與高能量密度

鋰離子電池的電壓（標(biāo)稱電壓為3.7 V）約為相同尺寸鎳鎘（NiCd）或鎳氫（NiMH）電池（兩者的標(biāo)稱電壓均為1.2 V）的三倍。這意味著與傳統(tǒng)電池相比，它們可以用更少的電池單元產(chǎn)生相同的電壓。此外，鋰離子電池的能量密度也高于其他電池，這使得產(chǎn)品可以更小、更輕。

自放電特性

鋰離子電池的自放電率約為每月5%，這僅是鎳鎘電池或鎳氫電池自放電率的五分之一以下。這意味著即使電池閑置數(shù)個(gè)月，其仍能保留與傳統(tǒng)電池閑置一個(gè)月后相近的能量。

無(wú)記憶效應(yīng)

在傳統(tǒng)的鎳鎘和鎳氫電池中，反復(fù)進(jìn)行部分充電會(huì)減少整體電池壽命，這種現(xiàn)象被稱為“記憶效應(yīng)”。而鋰離子電池則沒(méi)有這種記憶效應(yīng)，因此可以反復(fù)充電。

鋰離子電池的安全性

下圖說(shuō)明了電池的分類。本篇文章討論的電池是可充電電池（可以重復(fù)充電和使用的電池），這類電池屬于化學(xué)電池的范疇。鋰離子電池是一種高性能、可小型化及輕量化的電池，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越傳統(tǒng)用于電子設(shè)備的電池。盡管鋰離子電池具有許多優(yōu)勢(shì)，但仍然存在一些問(wèn)題，例如過(guò)度充電的危險(xiǎn)性。

舉個(gè)代表例，以下是構(gòu)成可充電電池（鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池）的正極和負(fù)極的活性材料及電解質(zhì)。電解質(zhì)中，除了鋰離子電池使用有機(jī)溶劑外，所有電池的電解質(zhì)均以水作為溶劑。此目的是為了實(shí)現(xiàn)將標(biāo)稱電壓超過(guò)水電解的電壓（1.23 V）。

當(dāng)鎳氫電池或鎳鎘電池充電時(shí)，電池電壓會(huì)逐漸上升，在接近充滿電時(shí)達(dá)到峰值，隨后穩(wěn)定下來(lái)。同時(shí)，電池的溫度也會(huì)持續(xù)上升，但幅度不大。雖相較于體積，其電池容量較小，但由于電解液是水溶液（不可燃），因此這類電池相對(duì)安全。

相比之下，如果鋰離子電池在沒(méi)有任何保護(hù)措施的情況下持續(xù)充電，即使電池已經(jīng)完全充滿，電池電壓和電池溫度仍會(huì)繼續(xù)上升（見下圖）。

在狹小的空間內(nèi)封存大量能量，并處于高溫狀態(tài)的情況下，再加上內(nèi)部含有易燃的有機(jī)溶劑（易燃性液體），從這些條件來(lái)看，確實(shí)是一種“過(guò)度充電會(huì)有危險(xiǎn)”的電池。盡管如此，這類電池由于擁有高能量密度等優(yōu)異特性，其優(yōu)勢(shì)不可否認(rèn)。經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)改良與安全性提升，促使它在市場(chǎng)上得到了廣泛普及。

鋰離子電池的二級(jí)保護(hù)

可充放電的電池均配備電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System），它位于電池與設(shè)備（或充電器）之間，負(fù)責(zé)充放電的過(guò)程。一級(jí)保護(hù)通常通過(guò)半導(dǎo)體持續(xù)監(jiān)控電流、電壓和溫度，并通過(guò)電子電路進(jìn)行保護(hù)控制。大部分的異常情況均可通過(guò)一級(jí)保護(hù)來(lái)防止。

然而，在極少數(shù)情況下，半導(dǎo)體可能因異常或故障而無(wú)法正常運(yùn)作，導(dǎo)致保護(hù)功能失效。鋰離子電池的異常可能導(dǎo)致破裂、起火等嚴(yán)重后果，因此必須預(yù)先考慮“萬(wàn)一故障時(shí)”的保護(hù)措施，因此設(shè)置了二級(jí)保護(hù)，并對(duì)其可靠性提出更高的要求，確保在任何情況下都能發(fā)揮保護(hù)作用。

自我控制保護(hù)器 (SCP)

由Dexerials開發(fā)的“自我控制保護(hù)器”（SCP）是一種保險(xiǎn)絲元件，能夠在鋰離子電池的二級(jí)保護(hù)中，不可逆地以物理方式斷開充放電電路。

當(dāng)SCP啟動(dòng)時(shí)，通常意味著一級(jí)保護(hù)（BMS）已經(jīng)失效，鋰離子電池的整體狀態(tài)也已異常。因此，SCP的作用在于主動(dòng)切斷電路，防止不穩(wěn)定的鋰離子電池持續(xù)運(yùn)行，確保安全。

一般來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲通過(guò)焦耳熱熔化保險(xiǎn)絲元件來(lái)物理斷開電路，防止設(shè)備因過(guò)電流受損。然而鋰離子電池除了過(guò)電流保護(hù)外，還需要考慮過(guò)充電的情況，而SCP正是為了解決這一需求而開發(fā)的產(chǎn)品。自1994年推出以來(lái)，SCP已被公認(rèn)為鋰離子電池二級(jí)保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)元件，截至2020年3月，出貨量已超過(guò)20億個(gè)。

SCP 的結(jié)構(gòu)和電路圖如下所示。

SCP在過(guò)電流時(shí)的運(yùn)作方式類似于傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲，當(dāng)保險(xiǎn)絲元件熔化時(shí)會(huì)斷開電路。然而，SCP在過(guò)充電時(shí)的啟動(dòng)方式則具有獨(dú)特性。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)充電時(shí)，SCP在保險(xiǎn)絲元件下方設(shè)置的加熱器會(huì)啟動(dòng)并熔化保險(xiǎn)絲元件，從而切斷電流。

下圖A為過(guò)電流時(shí)SCP的運(yùn)行狀況，圖B為過(guò)充電時(shí)SCP的運(yùn)行狀況。

SCP的潛力與未來(lái)

約30年來(lái)，Dexerials一直致力于鋰離子電池保護(hù)的研究與開發(fā)。獨(dú)家技術(shù)SCP已廣泛用作鋰離子電池的二級(jí)保護(hù)裝置，在筆記本電腦市場(chǎng)上占有60~70%的市場(chǎng)份額，成為行業(yè)的重要基準(zhǔn)。

智能手機(jī)或平板電腦等設(shè)備：

SCP在這些設(shè)備中發(fā)揮關(guān)鍵作用，防止電池過(guò)充電或過(guò)放電，延長(zhǎng)電池壽命并提升安全性，從而大幅改善用戶體驗(yàn)。

電動(dòng)工具等動(dòng)力工具：

在對(duì)耐用性與安全性要求極高的動(dòng)力工具領(lǐng)域，SCP作為重要安全元件，確保電池在嚴(yán)苛環(huán)境下仍能穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)維持高效能作業(yè)。

無(wú)人機(jī)：

隨著市場(chǎng)擴(kuò)大與技術(shù)創(chuàng)新，無(wú)人機(jī)對(duì)輕量化與高效率的電池管理需求日益提高。SCP在確保飛行安全的同時(shí)，也有助于最大化飛行時(shí)間。

電動(dòng)車與電動(dòng)摩托車：

在電動(dòng)車領(lǐng)域，SCP提高了電池的安全性，實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)距離的行駛。同時(shí)具備應(yīng)對(duì)高電流的能力，促進(jìn)了快速充電技術(shù)的普及。

SCP的技術(shù)仍在不斷進(jìn)化，未來(lái)將持續(xù)朝著“小型化”和“高電流化”方向發(fā)展，以打造更安全、高效的鋰離子電池。

原文：轉(zhuǎn)自大大通 Dexerials 原廠頻道：https://www.wpgdadatong.com.cn/reurl/vyyUzu