锂离子电池原理图文档格式.docx
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预充结束电压及短路判断电压
锂离子电池比较骄贵。
如果不满足其充电及使用要求，很容易出现爆炸，寿命下降等现象。
因为锂离子电池对温度、过压、过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均集成了热敏电阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放电保护电路。
图一为标准锂离子电池充电原理曲线，锂离子电池的充电过程分三个阶段：
预充电阶段；
恒流充电阶段；
恒压充电阶段。
预充电阶段是在电池电压低于3V时，电池不能承受大电流的充电。
这时有必要以小电流对电池进行浮充；
当电池电压达到3V时，电池可以承受大电流的充电了。
这时应以恒定的大电流充电。
以使锂离子快速均匀转移，这个电流值越大，对电池的充满及寿命越有利；
当电池电压达到4.2V时，达到了电池承受电压的极限。
这时应以4.2V的电压恒压充电。
这时充电电流逐渐降低。
当充电电流小于30mA时，电池即充满了。
这时要停止充电。
否则，电池因过充而降低寿命。
恒压充电阶段要求电压控制精度为1%。
依国家标准，锂离子电池要能在1C的充电电流下，可以循环充放电500次以上。
依一般的电池使用三天一充。
这样电池的寿命应在4年。
但用户在使用电池的时候往往发现，原装电池在使用1年，甚到半年左右的时间就报废了，这是因为简单的充电方式惹得祸。
下面将以最简单的充电原理分析一下为什么会对锂电池有损害：
图二为恒压式充电原理图。
由图看出：
当没电的电池插在这种充电器上时，充电器即以最大的电流为电池充电。
如果在锂离子电池最虚弱的低压时（低于2.5V）就以大电流冲击，将会严重损害电池的寿命。
另外，这类的充电器均为直接市电220V接入，转换为5V的低压直流。
因为转换效率低下，会产生大量的热。
热量直接叠加在了电池上，使电池温度过高，这对电池有很大损害
第一节锂离子电池的基本知识
一般而言,锂离子电池有三部分构成:
1.锂离子电芯
2.保护电路（PCM）
3.外壳即胶壳
电池的分类
从锂离子电池与手机配合情况来看,一般分为外置电池和内置电池,这种叫法很容易理解,外置电池就是直接装在手上背面,如:
MOTOROLA191,SAMSUNG系列等;
而内置电池就是装入手机后,还另有一个外壳把其扣在手机电池内,如:
MOTOROLA 998,8088,NOKIA的大部分机型
1.外置电池
外置电池的封装形式有超声波焊接和卡扣两种:
1.1超声波焊接
外壳
这种封装形式的电池外壳均有底面壳之分,材料一般为ABS+PC料,面壳一般喷油处理,代表型号有:
MOTOROLA191,SAMSUNG系列,原装电池的外壳经喷油处理后长期使用一般不会磨花,而一些品牌电池或水货电池用上几天外壳喷油就开始脱落了.其原因为:
手机电池的外壳较便宜,而喷油处理的成本一般为外壳的几倍（好一点的）,这样处理一般有三道工序:
喷光油（打底）,喷油（形成颜色）,再喷亮油（顺序应该是这样的,如果我没记错的话）,而一些厂商为了降低成本就省去了第一和第三道工序,这样成本就很低了.
超声波焊塑机
其作用为:
行业内比较好的国产超声波焊塑机应该是深圳科威信机电公司生产的.
焊接
有了好的超声波焊塑机不够的,是否能够焊接OK,还与外壳的材料和焊塑机参数设置有很大关系,外壳方面主要与生产厂家的水口料掺杂情况有关,而参数设置则需自己摸索,由于涉及到公司一些技术资料,在这里不便多讲.
1.2卡扣式
卡扣式电池的原理为底面壳设计时形成卡扣式,其一般为一次性,如果卡好后用户强行折开的话,就无法复原,不过这对于生产厂家来讲不是很大的难度（卡好后再折开）,其代表型号有:
爱立信788,MOTOROLAV66.
2.内置电池
内置电池的封形式也有两种,超声波焊接和包标（使用商标将电池全部包起）
超声波焊接的电池主要有:
NOKIA8210,8250,8310,7210等.
包标的电池就很多了,如前两年很浒的MOTO998,8088了.
第二节锂离子电芯的基本知识
锂离子电芯是一种新型的电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中，只有锂离子在正负极间往来运动，电极和电解质不参与反应。
锂离子电芯的能量容量密度可以达到300Wh/L，重量容量密度可以达到125Wh/L。
一、电芯原理
锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳定。
其反应示意图及基本反应式如下所示：
二、电芯的构造
电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。
根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走XLi后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。
通过研究发现当X>
0.5时Li1-XCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。
所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值，一般充电电压不大于4.2V那么X小于0.5，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。
负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li留在负极C6中，心以保证下次充放电Li的正常嵌入，否则电芯的压倒很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。
所以锂电芯的安全充电上限电压≤4.2V，放电下限电压≥2.5V。
三、电芯的安全性
电芯的安全性与电芯的设计、材料及生产工艺生产过程的控制等因素密切相关。
在电芯的充放电过程中，正负极材料的电极电位均处于动态变化中，随着充电电压的增高，正极材料（LixCoO2）电位不断上升，嵌锂的负极材料（LixC6）电位首先下降，然后出现一个较长的电位平台，当充电电压过高（>
4.2V）或由于负极活性材料面密度相对于正极材料面密度（C/A）比值不足时,负极材料过度嵌锂，负极电位则迅速下降，使金属锂析出（正常情况下则不会有金属锂的的析出），这样会对电芯的性能及安全性构成极大的威胁。
电位变化见下图：
在材料已定的情况下，C/A太大，则会出现上述结果。
相反，C/A太小，容量低，平台低，循环特性差。
这样，在生产加工中如何保证设计好的C/A比成了生产加工中的关键。
所以在生产中应就以下几个方面进行控制：
1.负极材料的处理
1）将大粒径及超细粉与所要求的粒径进行彻底分离，避免了局部电化学反应过度激烈而产生负反应的情况，提高了电芯的安全性。
2）提高材料表面孔隙率，这样可以提高10%以上的容量，同时在C/A比不变的情况下，安全性大大提高。
处理的结果使负极材料表面与电解液有了更好的相容性，促进了SEI膜的形成及稳定上。
2.制浆工艺的控制
1）制浆过程采用先进的工艺方法及特殊的化学试剂，使正负极浆料各组之间的表面张力降到了最低。
提高了各组之间的相容性，阻止了材料在搅拌过程“团聚”的现象。
2）涂布时基材料与喷头的间隙应控制在0.2mm以下，这样涂出的极板表面光滑无颗粒、凹陷、划痕等缺陷。
3）浆料应储存6小时以上，浆料粘度保持稳定，浆料内部无自聚成团现象。
均匀的浆料保证了正负极在基材上分布的均匀性，从而提高了电芯的一致性、安全性。
3.采用先进的极片制造设备
1）可以保证极片质量的稳定和一致性，大大提高电芯极片均一性，降低了不安全电芯的出现机率。
2）涂布机单片极板上面密度误差值应小于±
2%，极板长度及间隙尺寸误差应小于2mm。
3）辊压机的辊轴锥度和径向跳动应不大于4μm，这样才能保证极板厚度的一致性。
设备应配有完善的吸尘系统，避免因浮尘颗粒而导致的电芯内部微短路，从而保证了电芯的自放电性能。
4）分切机应采用切刀为辊刀型的连续分切设备，这样切出的极片不存在荷叶边，毛刺等缺陷。
同样设备应配有完善的吸尘系统，从而保证了电芯的自放电性能。
4.先进的封口技术
目前国内外方形锂离子电芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口技术，它是利用YAG棒（钇铝石榴石）激光谐振腔中受强光源（一般为氮灯）的激励下发出一束单一频率的光（λ=1.06mm）经过谐振折射聚焦成一束，再把聚焦的焦点对准电芯的筒体和盖板之间，使其熔化后亲合为一体，以达到盖板与筒体的密封熔合的目的。
为了达到密封焊，必须掌握以下几个要素：
1）必须有能量大、频率高、聚焦性能好、跟踪精度高的激光焊机。
2）必须有配合精度高的适用于激光焊的电芯外壳及盖板。
3）必须有高统一纯度的氮气保护，特别是铝壳电芯要求氮气纯度高，否则铝壳表面就会产生难以熔化的Al2O3（其熔点为2400℃）。
四、电芯膨胀原因及控制
锂离子电芯在制造和使用过程中往往会有肿胀现象，经过分析与研究，发现主要有以下两方面原因：
1锂离子嵌入带来的厚度变化
电芯充电时锂离子从正极脱出嵌入负极，引起负极层间距增大，而出现膨胀，一般而言，电芯越厚，其膨胀量越大。
2．工艺控制不力引起的膨胀
在制造过程中，如浆料分散、C/A比离散性、温度控制都会直接影响电芯电芯的膨胀程度。
特别是水，因为充电形成的高活性锂碳化合物对水非常敏感，从而发生激烈的化学反应。
反应产生的气体造成电芯内压升高，增加了电芯的膨胀行为。
所以在生产中，除了应对极板严格除湿外，在注液过程中更应采用除湿设备，保证空气的干燥度为HR2%，露点（大气中的湿空气由于温度下降,使所含的水蒸气达到饱和状态而开始凝结时的温度）小于-40℃。
在非常干燥的条件下，并采取真空注液，极大地降低了极板和电解液的吸水机率。
五、铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较
铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势，以下是不同的压力实验：
注：
压力是电芯压力为电芯内部之压力（单位：
Kg），表内数据为电芯之厚度（单位：
mm）由此可见钢壳对内压反映十分迟钝，而铝壳对内压反应却十分敏锐。
因此从厚度上就基本能判断出电芯的内压，而钢壳电芯往往隐含着内压带来的不安全隐患。
其中钢壳电芯型号为063448。
第三节锂离子电池保护线路（PCM）
由第二节锂离子电芯的知识我们可以看出,锂离子电池至少需要三重保护-----过充电保护,过放电保护,短路保护,那么就应而产生了其保护线路,那么这个保护线路针对以上三个保护要求而言:
过充电保护:
过充电保护IC的原理为：
当外部充电器对锂电池充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。
此时，保护IC需检测电池电压，当到达4.25V时（假设电池过充点为4.25V）即启动过度充电保护，将功率MOS由开转为切断，进而截止充电。
过放电保护:
过放电保护IC原理：
为了防止锂电池的过放电，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过放电电压检测点（假定为2.5V）时将启动过放电保护，使功率MOSFET由开转变为切断而截止放电，以避免电池过放电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅0.1uA。
当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。
另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。
过放电保护及过充电保护IC主要生产厂家有:
美上美（MITSUMI）,精工,台湾富晶（DW01,FS301,302）,理光,MOTOROLA等封装形式主要为SOT26,SOT6
过电流及短路电流
因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路，为确保安全，必须使其立即停止放电。
过电流保护IC原理为，当放电电流过大或短路情况产生时，保护IC将启动过（短路）电流保护，此时过电流的检测是将功率MOSFET的Rds（on）当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，运算公式为:
V-=I×
Rds（on）×
2（V-为过电流检测电压，I为放电电流）。
假设V-=0.2V，Rds（on）=25mΩ，则保护电流的大小为I=4A。
同样地，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。
通常在过电流产生后，若能去除过电流因素（例如马上与负载脱离），将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作
一、电池原理与标识
1.什么叫电池？
电池Batteries是一种能量转化与储存的装置它通过反应将化学能或物理能转化为电能根据电池即一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供能。
2.一次电池与二次电池的有哪些异同点？
一次电池只能放电一次，二次电池可反复充放电循环使用，可充电电池在放电时电极体积和结构之间发生可逆变化，因此设计时必须调节这些变化，而一次电池内部则简单得多，因为它不需要调节这些可逆性变化，一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般充电电池，但内阻远比二次电池大，因此负载能力较低，另外，一次电池的自放电远小于二次电池。
3.什么是IEC标准？
电池常用标准有哪些？
IEC标准即国际电工委员会（InternationalElectricalCommission），是由各国电工委员会组成的世界性标准化组织，其目的是为了促进世界电工电子领域的标准化。
其中关于镍镉电池的标准为IEC285，关于镍氢电池的标准是IEC61436，锂离子电池目前IEC标准，一般电池行业依据的是SANYO或Panasonic的标准。
电池常用IEC标准有镍镉电池的标准为IEC602851999;
镍氢电池的标准为IEC614361998.1;
锂电池的标准为IEC619602000.11。
电池常用国家标准有镍镉电池的标准为GB/T11013_1996GB/T18289_2000;
镍氢电池的标准为GB/T15100_1994GB/T18288_2000;
锂电池的标准为GB/T10077_1998YD/T998_1999,GB/T18287_2000。
另外电池常用标准也有日本工业标准JISC关于电池的标准及SANYOPANASONIC公司制定的关于电池企业标准。
4.镍镉电池的电化学原理是什么?
镍镉电池采用Ni（OH）2作为正极，CdO作为负极，碱液（主要为KOH）作为电解液，镍镉电池充电时，正极发生如下反应Ni（OH）2–e+OH-→NiOOH+H2O
负极发生的反应：
Cd（OH）2+2e→Cd+2OH-
总反应为：
2Ni（OH）2+Cd（OH）2→2NiOOH+Cd+2H2O
放电时，反应逆向进行NiOOH+H2O+e→Ni（OH）2+OH-Cd+2OH-+2e→Cd（OH）2
充电时，随着NiOOH浓度的增大，Ni（OH）2浓度的减小，正极的电势逐渐上升，而随着Cd的增多，Cd（OH）2的减小，负极的电势逐渐降低，当电池充满电时，正极、负极电位均达到一个平衡值，二者电势之差即为电池之充电电压。
5.镍氢电池的电化学原理是什么？
（主要为KOH）作为电解液，镍氢电池充电时，正极发生反应如下：
Ni（OH）2–e+OH-→NiOOH+H2O
电解质7moL/LKOH+15g/LLioH
负极反应：
MHn+ne→M+n/2H2
放电时，正同的Ni氧化物作为镍氢电池采用与镍镉电池相正极，储氢金属作为负极，碱液正极：
NiOOH+H2O+e→Ni（OH）2+OH-
负极：
M+n/2H2→MHn+ne
6.锂离子电池的电化学原理是什么（LiPLiBPLB）
锂离子电池正极主要成分为LiCoO2负极主要为C充电时
正极反应：
LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-
负极反应：
C+xLi++xe-CLix
电池总反应：
LiCoO2+CLi1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。
7.电池的主要结构组成是什么?
电池的主要组成部分为：
正极片、负极片、隔膜纸、盖帽、外壳、绝缘层，电解质。
8.手机锂电池由哪些部分组成及各部分的功能是什么？
手机锂电池主要由塑料壳上下盖锂电芯保护线路板（PCB）组成和可恢复保险丝polyswitch有的厂家还配置了NTC识别电阻或震动马达或充电电路等组件。
各部分功能如下：
锂电芯：
提供可充放电源。
保护线路板：
防止电池过充过放短路。
可恢复保险丝Position（PTC）:
正热敏电阻起到高温保护作用同时又是保护线路板实效后的二重保护。
（其阻值随温度升高而增大；
NTC相反）
可恢复保险丝NegativeTemperatureCoefficient（NTC）:
负热敏电阻,感应电池内部温度起到低温保护作用。
识别电阻：
识别原装电池非原装电池不能使用。
9.电池的包装材料有哪些?
1.不干介子纸如纤维纸双面胶2.PVC膜商标管3.连接片不锈钢片纯镍片镀镍钢片
4.引出片不锈钢片易于焊锡纯镍片点焊牢5.插头类
6.保护元器件类如温控开关过流保护器限流电阻7.纸箱纸盒8.塑料壳类
10.电池包装组合及设计的目的的是什么?
1.美观品牌印字商标的设计2.电池电压的限制要获得较高电压需串联多只电池
3.保护电池防止短路延长电池使用寿命4.尺寸的限制
5.便于运输如纸箱纸盒的设计等6.特殊功能的设计如防水特殊外型设计等
11.IEC规定的可充电电池的标识方法是什么？
根据IEC标准镍镉镍氢电池的标识由5部分组成
1.电池种类KR标识镍镉电池HF表示镍氢电池HR表示型镍氢电池
2.电池尺寸资料包括圆形电池的直径高度方型电池的高度宽度厚度数值之间用斜杠隔开单位mm
3.放电特性符号L表示适宜放电电流倍率在0.5C以内
M表示适宜放电电流倍率在0.5-3.5C以内
H表示适宜放电电流倍率在3.5-7.0C以内
X表示电池能在7C-15C高倍率的放电电流下工作
4.高温电池符号用T表示
5.电池连接片表示CF代表无连接片HH表示电池拉状串联连接片用的连接片HB表示电池带并排串联连接用连接片
例如HF18/07/49表示方形镍氢电池宽为18mm,厚度为7mm高度为49mm
KRMT33/62HH表示镍镉电池放电倍率在0.5C-3.5之间高温系列单体电池无连接片直径33mm高度为62mm
根据IEC61960标准二次锂电池的标识如下:
1.电池标识组成3个字母后跟5个数字圆柱形或6个方形数字
2.第一个字母表示电池的负极材料I表示有内置电池的锂离子L表示锂金属电极或锂合金电极
3.第二个字母表示电池的正极材料C基于钴的电极N基于镍的电极M基于锰的电极V基于钒的电极
4.第三个字母表示电池的形状R表示圆柱形电池L表示方形电池
5.数字圆柱形电池5个数字分别表示电池的直径和高度直径的单位为毫米高
度的单位为十分之一毫米直径或高度任一尺寸大于或等于100mm时两个尺寸之间应加一条斜线
方型电池6个数字分别表示电池的厚度宽度和高度单位毫米三个尺寸任一个大于或等于100mm时尺寸之间应加斜线三个尺寸中若有任一小于1mm,则在此尺寸前加字母t此尺寸单位元元为十分之一毫米。
例如：
ICR18650表示一个圆柱形二次锂离子电池正极材料为钴其直径约为18mm高约为65mm。
ICR20/1050
ICP083448表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴其厚度约为8mm,宽度约为34mm高约为48mm。
ICP08/34/150表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴其厚度约为8mm,宽度约为34mm高约为150mm。
ICPt73448表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴其厚度约为0.7mm,宽度约为34mm高约为48mm。
12．BYD锂离子电池的标识和含义是什么?
标识由三部分组成:
例LC18650
锂离子电池圆柱型电池规格直径为18mm高65.0mm
LP083448SH
锂离子电池方型电池规格厚度为8mm高48mm宽度为34mm钢壳高容量
LP083467AR
锂离子电池方型电池规格厚度为8mm高67mm宽度为34mm铝壳圆角
二、电池性能与测试
1．二次电池性能主要包括哪些方面?
主要包括电压、内阻、容量、内压、自放电率、循环寿命、密封性能、安全性能、储存性能、外观等，其它还有过充、过放、可焊性、耐腐蚀性等。
手机电池块有哪些电性能指标怎么测量？
电池块的电性能指标很多这里只介绍最主要的几项电特性：
A.电池块容量
该指标反映电池块所能储存的电能的多少是以毫安培培小时计,例如:
1600mAH是意昧着电池以1600mA放电可以持续放电一小时.
B.电池块寿命
该指标反映电池块反复充放电循环次数
C.电池块内阻
上面已提到电池块的内阻越小越好但不能是零
D.电池块充电上限保护性能
锂电池充电时，其电压上限有一额定值，在任何情况下不能﹤4.2V，锂电池的电压不允许超过此额定值该额定值。
由PCB板上所选用的IC来决定和保证。
E.电池块放电下限保护性能
锂电池块放电时,在任何情况下锂电池的电压不允许低于某一额定值不能小于2.75V该额定值,由PCB板上所选用的IC来决定和保证。
需要说明的是，在手机中一般锂电池块放电时，尚未到达下限保护值，手机就因电池电量不足而关机。
F.电池块短路保护特性
锂电池块外露的正负极片在被短路时,PCB板上的IC应立即加以判断,并作出反应关断MOSFET。
当短路故障排除后，电池块又能立即输出电能，这些均有PCB
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