鋰離子蓄電池及其安全保護性能的檢測

鄭俊欽

鋰離子蓄電池及其安全保護性能的檢測

鄭俊欽

福建省電子產品監督檢驗所

該文主要闡述移動電話用鋰離子蓄電池的充放電工作原理及其存在的優缺點，并介紹為了確保電池使用安全而設置的安全保護電路的工作原理，以實例說明安全保護性能的檢測過程。

鋰離子蓄電池 安全保護性能 檢測實例

隨著手機的普及使用，手機電池便成為眾人關注的對象。鋰離子蓄電池因其重量輕、容量大等優點而備受推崇，是目前市場上應用最廣泛的手機電池。但是，在鋰電池給人們的生活帶來便利的同時，鋰離子蓄電池爆炸傷人事件也時常見諸于報端。因此，對鋰離子蓄電池的了解及其安全保護性能檢測，顯得尤為重要。

1 鋰離子蓄電池及其工作原理

1.1 鋰離子蓄電池的組成

鋰離子蓄電池主要由正負極、隔膜、有機電解液、電池殼、蓋板等組成。正極材料在改善電池容量方面起著非常重要的作用，應具有與電解質溶液良好的電化學相容性，溫和的電極過程動力學和高度的可逆性。正極通常采用鋰化合物，負極采用鋰—碳層間化合物。電解質為鋰鹽的有機電解液。

1.2 鋰離子蓄電池的工作原理

鋰離子蓄電池是一種可充電電池，它沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，主要依靠鋰離子在電池正極和負極之間移動來工作。鋰離子蓄電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌。充電時，鋰離子從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態。同時,電子的補償從外電路供給到碳負極,保證負極的電荷平衡，而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。放電時則相反。當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，經過電解質，又運動回正極，正極處于富鋰狀態。回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

在鋰離子蓄電池的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態。鋰離子蓄電池就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在搖椅來回奔跑。所以鋰離子蓄電池又叫搖椅式電池。

1.3 鋰離子蓄電池的充放電模式

鋰離子蓄電池的充電過程分為兩個階段：恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。在恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的充電限制電壓4.2V (根據正極材料不同，有的電池要求限制電壓值為4.1V)，隨后在控制芯片作用下轉入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會過充，電流則隨著電池電量的上升逐步減小到預先設定值（0.02 ItA）為止，而最終完成充電。

1.4 鋰離子蓄電池的優點

（1）電池電壓高。商品鋰離子蓄電池的工作電壓為3.6V~3.9V，是Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍。

（2）比能量大。比能量指的是單位重量或單位體積的能量。鋰離子蓄電池的比能量已經達到了180Wh/kg，是Ni-Cd電池的3倍，是Ni-MH電池的1.5倍，為手機的微型化轉變提供了基礎。

（3）循環壽命長。鋰電子電池屬充電電池，其充電次數與放電深度有關，在10%DOD（放電深度）時，通常具有大于1000次的循環壽命，在低放電深度下可以達到幾萬次，超過其他二次電池。

（4）安全性能好。鋰離子蓄電池充放電過程中沒有金屬鋰的出現，避免了鋰電池中金屬鋰造成的安全問題，且不含鎘、鉛、汞等對環境有污染的元素。

（5）自放電率低(荷電保持能力強)。鋰離子蓄電池在首次充電（化成）過程中，在碳負極材料表面形成一層具有離子導電性而對電子絕緣的固體電解質中間相膜（SEI），可較好地阻止自放電的發生。在室溫下，充滿電的鋰離子蓄電池的月自放電率為2%~3%。

（6）無記憶效應。

（7）具有快速充電能力，輸出功率大。

（8）密封良好，無泄露現象。

（9）工作溫度范圍寬，工作溫度為-20℃~45℃。隨著電解質和正極的改進，期望能擴寬到-40℃~70℃.

（10）鋰離子蓄電池具有放電電壓穩定、較好的儲存性能。

1.5 鋰離子蓄電池的缺點

（1）不能大電流放電。由于有機電解質體系等原因，電池內阻相對其他類電池大，故要求較小的放電電流密度。過大電流放電時會降低放電時間（內部會產生較高的溫度而損耗能量），因此電池制造商給出最大放電電流，在使用中應小于最大放電電流，一般放電電流在0.5 ItA以下。

（2）不能大電流充電。充電量等于充電電流乘以充電時間，在充電控制電壓一定的情況下，充電電流越大，充電速度就越快。大電流充電容易造成以下情況：

①電池發熱量大，內部壓力驟增，極易誘發熱失控，有可能對電池造成永久性的損害，甚至導致電池起火爆炸。一般常用的充電率為0.2ItA~1ItA，在大電流充電時往往要檢測電池溫度，以防止過熱損壞電池或產生爆炸。

②過大的電流充電容易造成容量不足，因為電池內部的電化學反應需要時間，充電速度過快，時間太短，則電池電極的部分活性物質沒有得到充分反應就停止充電，導致生成的鋰離子數量變少，即電池容量不足。這種充電不足現象隨著循環次數的增加而加劇。

③由于電池存在內阻，如果電流很大，那么在電阻上消耗的電壓隨之增大，電池的實際電壓變小。

（3）需要保護線路控制

①過充保護。電池過充將破壞正極結構而影響性能和壽命，過度充電使過多的鋰離子插入負極碳結構，而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。過充電使電解液分解，產生大量氣體，內部壓力過高而導致漏液爆炸等問題。故必須恒壓下充電，具體充電限制電壓由制造商根據電池的材料規定，一般負極材料為石墨，限制電壓為4.2V。

②過放保護。過放會導致活性物質的恢復困難，負極碳片層結構出現坍塌，而坍塌會造成充電過程中鋰離子無法插入，正負極活性物質可逆性受到破壞，即使充電也只能部分恢復，容量也會有明顯衰減。電池過放可能會給電池帶來災難性的后果，特別是大電流過放，或反復過放對電池影響更大。故也需要保護線路控制，放電終止電壓由制造商規定，一般為2.5V~2.75V。

1.6 鋰離子蓄電池安全保護電路的工作原理

為了保證鋰離子蓄電池能夠正常工作，在電池內部，一般都裝有安全保護電路。

圖1為一典型的鋰離子蓄電池保護電路原理圖。

圖1 鋰離子蓄電池保護電路原理圖

該電路主要由兩個MOSFET（V1、V2）、一個控制IC外加一些阻容元件構成。控制IC負責監測電池電壓與回路電流，并控制兩個MOSFET的柵極。MOSFET在電路中起開關作用，分別控制著充電回路與放電回路的導通與關斷，C3為延時電容。該電路具有過充電保護、過放電保護和短路保護功能。

（1）正常狀態。正常狀態下，電路中IC的“CO”與“DO”腳都輸出高電壓，兩個MOSFET 都處于導通狀態，電池可以自由地進行充電和放電，由于MOSFET的導通阻抗很小，通常小于30 mΩ，因此其導通電阻對電路的性能影響很小。此狀態下保護電路的消耗電流為μA級，通常小于7μA。

（2）過充電保護。鋰離子蓄電池要求的充電方式為先恒流充電后恒壓充電。在恒流充電階段，隨著充電過程，電壓會上升到充電限制電壓4.2V(根據電池電極材料不同，有的電池要求充電限制電壓值為4.1V)，需轉為恒壓充電階段，直至電流越來越小。若此時電池控制IC檢測到電壓仍繼續上升，其“CO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V2由導通轉為關斷，鋰離子蓄電池立即停止充電，從而防止鋰離子蓄電池因過充電而損壞，起到過充電保護作用。

（3）過放電保護。電池在對外部負載放電過程中，其電壓會隨著放電過程逐漸降低。當控制IC檢測到電池電壓低于2.3V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，其“DO”腳將由高電壓轉變為零電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷了放電回路，使電池無法再對負載進行放電，從而防止鋰離子蓄電池因過放電而損壞，起到過放電保護作用。

（4）短路保護。電池在對負載放電過程中，若回路電流大到使U>0.9V（該值由控制IC決定，不同的IC有不同的值）時，控制IC 則判斷為負載短路，其“DO”腳將迅速由高電壓轉變為零電壓，使V1由導通轉為關斷，從而切斷放電回路，起到過電流或短路保護作用。

2 鋰離子蓄電池安全保護性能的檢測實例

依據GB/T 18287—2013 《移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范》要求，鋰離子蓄電池安全保護性能檢測有3項內容，它們是過充電保護、過放電保護和短路保護。安全保護性能試驗應在有保護人員安全措施的條件下進行。

2.1 術語說明

（1）充電限制電壓：按制造商規定，電池或電池組由恒流充電轉入恒壓充電時的電壓值。

（2）額定容量：制造商標明的電池或電池組容量，指電池或電池組在23℃±2℃的環境溫度下，以5h倍率放電至終止電壓時所應提供的電量，用C5表示，單位為安時（Ah）或毫安時（mAh）。

（3）參考試驗電流：參考試驗電流用ItA表示，ItA= C5 Ah/1h。

（4）標稱電壓：用以標識電池或電池組電壓的適宜的近似值。

（5）終止電壓：規定放電終止時電池或電池組的負載電壓，其值由制造商規定。

2.2 安全保護性能技術要求

充電方法：電池或電池組在充電前應首先在23℃±2℃的環境溫度下以0.2 ItA進行放電至終止電壓。

電池充電制式（檢驗仲裁用）：在23℃±2℃的環境溫度下，以0.2 ItA充電，當電池或電池組端電壓達到充電限制電壓時，改為恒壓充電，直到充電電流小于或等于0.02 ItA，最長充電時間不大于8h，停止充電。

（1）過充電保護：電池組按仲裁充電制式充電后，電源電壓設定為2倍的標稱電壓，電流設定為2 ItA的外接電流，用電源持續給電池組加載7h，電池組應不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸。

（2）過放電保護：電池組以0.2 ItA放電至終止電壓后，外接（n×30）Ω負載放電7h，鋰離子單體蓄電池的串聯只數用“n”表示，電池組應不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸。

（3）短路保護：電池組按仲裁充電制式充電后，短路其正負極1h，短路導線電阻80mΩ±20mΩ，電池組應不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸。

2.3 檢測樣品

手機用鋰離子蓄電池，標稱電壓3.6V；額定容量600mAh；充電限制電壓4.2V。

2.4 使用儀器設備：BS9300系列二次電池自動檢測裝置

2.5 測試環境溫度： 23℃±2℃

2.6 檢測過程

2.6.1過充電保護

在設備“啟動工作”界面輸入設定值：

工步1：恒流放電：電流120mA（0.2ItA）；終止電壓2.75V；

工步2：恒流充電：電流120mA（0.2ItA）；限制電壓4.2V；

工步3：恒壓充電：限制電流120mA。

終止電流：12mA（0.02ItA）,最長充電時間不大于8h。

工步4：恒流恒壓充電：限制電流1200mA（2 ItA）,恒壓充電恒定電壓7.2V(2倍的標稱電壓),充電截止時間7h。

判定：電池不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸為合格。

2.6.2過放電保護

在設備“啟動工作”界面輸入設定值：

工步1：恒流放電：電流120mA（0.2ItA）；終止電壓2.75V；

外接30Ω負載，放電7h。

判定：電池不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸為合格。

2.6.3短路保護

在設備“啟動工作”界面輸入設定值：

工步1：恒流放電：電流120mA（0.2ItA）；終止電壓2.75V；

工步2：恒流充電：電流120mA（0.2ItA）；限制電壓4.2V；

工步3：恒壓充電：限制電流120mA。

終止電流：12mA（0.02ItA）,最長充電時間不大于8h。

用電阻為80mΩ±20mΩ的導線將電池正負極短路1h。

判定：電池不泄漏、不泄氣、不破裂、不起火和不爆炸為合格。

[1] GB/T18287-2013, 移動電話用鋰離子蓄電池及蓄電池組總規范[S].