锂电池的相关基本知识_四_张天星

电子报/2012年/4月/22日/第013版

爱好者园地

锂电池的相关基本知识(四)

河北 张天星

(紧接上期本版)

(3)电化学极化

这种极化是由于电极表层进行的电化学反应的速度，即溶液锂离子得到或失去电子的速度远远落后于电极上电子运动的速度(光速)造成的。因而一个极板上堆积电子，另一个极板则缺少电子，这种现象称为电化学极化，当充电或放电电流停止后消失速度比离子扩散的速度稍快。电化学极化经常和浓差极化重叠在一起。

需要指出的是，正是电化学极化的存在，充电才能得以进行，使电能转化为化学能。

五、锂电池标识

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个数字(方形)。

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基于钻的电极，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mm，高度的单位为%mm。直径或高度任一尺寸大于或等于100mmm时，两个尺寸之间应加一条斜线。方型电池的6个数字，分别表示电池的厚度、宽度和高度(单位mm)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，此尺寸单位为1/10mm。

例如:ICRl8650表示一个圆柱形二次锂离子电池，正极材料为钻，其直径约为18mm，高约为65mmm。ICP083448表示一个方形二次锂离子电池，正极材料为钻，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，正极材料为钻，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。

目前，国内还是各厂商自立标准。所以无论配套还是经销锂电池，一定要向厂商索取资料。

六、过充电与过放电问题

1.过充、过放对铅酸蓄电池的影响

(1)铅酸蓄电池的构造

铅酸蓄电池是由浸渍在电解液中的正极板(二氧化铅Pb02)和负极板(海绵状纯铅Pb)组成的，电解液是硫酸(H2SO4)的水溶液。

当蓄电池和负载接通放电时，正极板上的PbO2和负极板上的Pb都变成PbS04，电解液中的H2504减少，相对密度下降。

充电时按相反的方向变化:正极板上的PbS04还原成过氧化铅Pb02；负极板上的PbS04还原成绒状Pb；电解液中的硫酸增加，相对密度变大。

正极板的结构是板栅中填满铅膏，板栅是铅的合金，铅膏经生产时化成和使用后主要成分是α二氧化铅(Pb02)和β二氧化铅(Pb02)。负极板的结构也是板栅中填满铅膏，铅膏经生产时化成和使用后主要成分是海绵状(绒状多孔)纯铅Pb。

(2)过度放电和大电流深放电的恶果

将正极板的α二氧化铅比作树枝，β二氧化铅比作树叶，树枝、树叶都能参与光合反应，荷氧(电)量后者大于前者。正常充、放电时，只有β二氧化铅和硫酸铅(PbSO4)来回转换，相当于光合反应，α二氧化铅不参与光合反应。

过度放电时，α二氧化铅会被迫参与电化学反应，变为硫酸铅。但是，充电时麻烦就来了，在酸性环境下硫酸铅不能变回α二氧化铅了，只能变为β二氧化铅。阳极板没有树枝支撑就不坚固了。业内称这种现象叫“阳极软化”，寿命会大大缩短。容量开始似乎有所提升，但因树叶很容易脱落，容量迅速下滑。脱落物还会造成自放电严重等问题。

大电流深度放电和过度放电一样，会对阳极造成同样不可逆的损坏。

(3)过充电的失与得

过充电一般会造成失水，适量补充合格的去离子水或二次蒸馏水即可。在铅酸电池使用将近一年时，每个月用泳冲方式适当过充电，可以强制将电池拉均衡，延长整个电池组寿命。

2.过充、过放对锂电池的危害

电子显微镜下，锂电心负极为层状结构，正极是一些有棱角晶体的堆积，形状因阳极材料而异。

过放电的重要恶果是造成负极板层状塌落。再充电时，限制了镶嵌进负极板内锂离子的数量和方便。容量下降、内阻增加、寿命缩短并不可以恢复。

过充电更可怕!

电池达到全充满状态，负极由锂离子的嵌入反应变成锂金属在负极表面的沉积，溶剂被氧化(由过充而引起的溶剂氧化放出的热量远远高于可逆状态下锂离子与溶剂反应放出的热量)；随着电池温度的升高，金属锂与溶剂、嵌锂碳与溶剂的反应相继发生，电池着火、爆炸。随着电解液的分解，粘结剂与锂金属也能反应。

过充后，极片上到处都是针状锂金属结晶，剌穿隔膜会发生微短路。轻则，加剧自放电；重则晶枝短路电流造成电池温度急剧升高，电解液分解气化。这种情形，不论是温度过高使材料燃烧爆炸，还是外壳先被撑破，使空气进去与锂金属发生激烈氧化，都是以燃烧爆炸收场。 总而言之，锂电的死穴就是过放和过充。解决的方法就是给每个单心配套保护板。

七、锂电心的保护板

锂电池主要缺点有三个:①安全系数差容易燃烧和爆炸，起因主要有外部短路、过压持续充电、温度过高使用、撞击造成内短路；②过充电会造成不可逆损坏；③过放电同样造成不可逆损坏减少寿命。

解决的方法，一方面从电心制造完善安全问题，降低燃烧和爆炸的几率，另一方面就是配套保护板。

1.保护板的核心器件和电路简介

(1)电子开关

保护板最基本的功能就是欠压保护和过压保护。欠压保护另一个代名词叫放电保护；过压保护另一个代名词叫充电保护。实际就是两个开关:充电时，单电心过压，充电保护开关断开，切断充电电路；放电时，单电心到达截止电压，放电保护开关断开，切断外电路放电。

无论放电保护开关还是充电保护开关，要求速度很快，只有电子开关才能胜任。综合成本和内阻，NMOS功率管是最佳选择。电路图符号见图3(a)NMOS管符号。

NMOS即N沟道增强型场效应管，属于电压控制型半导体器件，有三条引线分别为漏极D、源极S和栅极G。正确的供电方式为漏极D高电位、源极S低电位，栅极G的电位控制着漏极D源极S之间的导通和截止。把漏极D和源极S近似看作是一个开关。

当G比S电位高、达到开启电压(手册上VGS)时，D、S之间导通，相当于开关闭合；当GS之间电压为0V时，DS之间导电沟道被夹断，相当于开关截止断开。见图3 NMOS功率管(c)等效图。

还必须介绍一个生产实际，制造NMOS管时，在漏极D和源极S之间自然生成一只硅二极管。这只硅二极管的正极P和源极D同极，硅二极管的负极N和漏极S同极，也就是等效开关还并联着一只硅功率二极管。常称这只客观存在的硅二极管为寄生或者体二极管，实际应该表示为图3(b)。在设计、分析保护板时不可以忽视它的存在。本文在不可忽视寄生二极管作用的地方均采用图3(b)NMOS管实物完整符号。NMOS管在正向导通时，属于电子导电，D、S之间导通电阻很小、可到1OmΩ级，见图3(c)NMOS管等效图的左图。几只NMOS管并联正向导通时，可以按电阻并联计算，电流从漏极流向源极，DS之间压降很小，接近0V。此时，寄生二极管截止，对DS导通没有任何影响。

NMOS管截止时，DS之间电阻无穷大，见图3(c)NMOS管等效图的中图。此时，如果DS之间加反电压，即S电位高于D电位，见图3(c)NMOS管等效图的右图。请注意，该电压对寄生

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