如何為移動設備選擇合適的鋰離子電池

　　在制作電池封裝時，大多數(shù)封裝制造商在選擇封裝內(nèi)使用的鋰離子電池類型時會遵循幾個關(guān)鍵原則。如果設計要求強調(diào)高性價比的供電，并且使用環(huán)境比較惡劣，或者封裝外形的所有尺寸都超過22毫米，那么圓柱形電池通常是理想的選擇。但是，如果設計要求強調(diào)很薄的厚度，需要定制或非常特殊的外形尺寸，或重量很輕的電池，那么鋰聚合物電池通常是更好的選擇。

　　鋰離子（Li-ion）電池有三種基本的外形尺寸：圓柱形，棱形（矩形磚塊狀）和扁平的鋰聚合物（LiPo）電池。最常用的鋰離子電池是圓柱形18650電池（圖1）。這種電池每個月產(chǎn)量達幾百萬個，被廣泛用于大多數(shù)筆記本電腦。

　　18650電池具有最低的每瓦時成本。“18”指的是單位為毫米的電池直徑，“650”代表長度為65毫米。鋰離子電池的圓柱（或棱形）材料層像蛋卷一樣卷在一起。圓柱（或棱形）鋰離子電池一般封裝在金屬罐內(nèi)。18650電池的典型容量從2200毫安時至3000毫安時不等。

　　圖1：圓柱形18650電池是最常用的鋰離子電池，主要用于筆記本電腦，它具有最低的每瓦時成本。

　　棱形或磚狀電池通常性價比較高，而且尺寸種類繁多，高度可以從約4毫米至約12毫米不等。最常見的外形尺寸是50毫米長和34毫米寬。

　　采用薄聚合物層的鋰離子棱形電池可以封裝在金屬罐內(nèi)（圖2）。值得注意的是，棱形電池有一個壓力排泄孔，并且端子做在金屬罐上。聚合物電池上的正極和負極為突出于電池的極耳。棱形電池的典型容量范圍在1000毫安時到3000毫安時之間。

　　圖2：棱形或磚狀鋰離子電池通常具有很高的性價比，并且尺寸種類繁多。

　　鋰聚合物電池有時也被稱為疊層電池，外形尺寸可以定制。這種電池可以做得非常薄或非常大，取決于實際的用途。鋰聚合物電池的主要優(yōu)點是有多變的外形尺寸。鋰聚合物電池可以封裝在柔軟的鋁箔層壓袋中，類似于“咖啡袋”材料，僅0.1毫米厚，而圓柱或棱形電池使用的鋁或鋼罐厚度一般為0.25毫米至0.4毫米。

　　鋰聚合物電池通過在扁平三明治結(jié)構(gòu)中堆疊電極和電解液材料制作而成，而不是像其它圓柱或棱形電池那樣以蛋卷方式纏繞而成（圖3）。長度和寬度可以做得非常大。電池容量范圍從諸如藍牙耳機使用的小型電池的50毫安時到電動汽車電池用的10安時以上。

　　圖3：鋰聚合物電池通過在扁平三明治結(jié)構(gòu)中堆疊電極和電解液材料制作而成，不是像圓柱或棱形電池那樣以蛋卷的方式卷繞而成。

　　鋰電池的工作原理

　　在放電過程中鋰離子從負極移動到正極，充電時則從正極移動到負極。鋰離子電池的三個主要功能組件是陽極、陰極和電解液，每個組件都可以使用不同的材料。陰極材料通常是以下三種之一：分層氧化物（如氧化鋰鈷），基于聚陰離子的材料（如磷酸鋁鋰），尖晶石（如錳）。

　　圓柱和棱形鋰離子電池使用單獨的多孔聚合膜，通常是聚乙烯（PE）膜。這種膜位于電極之間。等到組裝好以后，再回填電解液。

　　鋰聚合物電池使用聚乙烯、聚丙烯（PP）或PP/PE隔離物。有些鋰聚合物電池使用包含電解液的聚合物凝膠，將它涂覆在電極表面。在封裝之前這種結(jié)構(gòu)可能先要進行層壓處理。

　　鋰聚合物電池可以卷起來，或像紙牌一樣疊起來。鋰聚合物電池可以做得非常薄，最小可以做到約半個毫米。然而，這種極限封裝可能會浪費很多空間，因此電池厚度一般在2毫米至6.5毫米之間。

　　電池的機械特性

　　人們可能會對鋰聚合物電池及其柔性封裝產(chǎn)生誤解。這種柔性封裝經(jīng)常誤導人們的認識，因為鋰聚合物電池在裝入設備時應保持平坦，在電池系統(tǒng)中安裝時甚至不能彎曲。

　　彎曲鋰聚合物電池會使陽極和陰極材料彼此靠近，可能導致意外的電鍍和短路，從而縮短電池循環(huán)使用次數(shù)，并產(chǎn)生潛在的安全風險。聚合物電池上面的軟包裝很容易穿孔，也比金屬罐更容易膨脹。

　　與圓柱形電池相比，鋰聚合物電池具有較低的體積能量密度，這是因為圓柱形電池具有特別強健的形狀，不會產(chǎn)生變形，因此可以使用非常高的電極密度。而且材料選擇也更加容易，因為圓柱形電池產(chǎn)生的少量氣體對性能或形狀沒有影響。

　　對鋰聚合物電池來說情況就不是這樣了。不過能量密度方面的這種缺點可以通過封裝密度方面的優(yōu)點加以彌補。除了電池之間損失的空間外，圓柱形電池是固定尺寸的，大多數(shù)直徑是18毫米，因此在實際使用時無法利用上所有可用空間。

　　電池的電氣特性

　　電池的電壓不取決于封裝，而是取決于內(nèi)部的有源材料。從最高電壓到最低電壓排列，這些材料包括錳尖晶石、氧化鈷（CO）、鎳錳鈷（NMC）和磷酸鐵。包括鋰聚合物電池在內(nèi)的絕大部分鋰離子電池使用的有源材料是氧化鈷、鎳錳鈷或兩者的混合物，因此電壓范圍應該是相同的，從最低的3V到最高的4.2V。

　　鋰聚合物和棱形電池的充電次數(shù)都要比圓柱形電池多，因為它們的約束不是很嚴格，允許電極在循環(huán)充電期間更自由地膨脹和收縮。就拿具有1C充電/放電循環(huán)壽命的2.7安時圓柱形電池為例，在經(jīng)過500次充放電后仍具有初始容量的90%。即將推出的最新電池設計在500次充放電后仍可以達到初始容量的95%，循環(huán)次數(shù)甚至可以超過1000次。

　　鋰聚合物電池封裝的考慮

　　與封裝在鋼或鋁罐中的電池相比，刺破電池將使鋰聚合物電池面臨大得多的風險。穿孔的電池可能導致內(nèi)部短路，并使電池發(fā)熱。即使電池沒有短路，泄漏也會使?jié)駳膺M入，最終導致電池自放電和失效。電池也會因陽極與濕氣發(fā)生反應而膨脹。因此在使用電池以及封裝設計時必須十分謹慎，不能讓尖銳的物體接觸電池。

　　邊緣短路是另一個容易被忽視的問題。封裝中的鋁層是導電的，因此當它在封裝邊緣暴露出來時，可能使與它接觸的元件發(fā)生短路。另外，當連接鋁層的極耳短路時，電池內(nèi)部將發(fā)生腐蝕反應。當極耳沿封裝邊緣彎曲時就會發(fā)生這種現(xiàn)象。再次重申一下，電池的使用和封裝設計要求十分謹慎。

　　對于所有鋰離子電池來說都存在過度放電損壞問題，但鋰聚合物電池中產(chǎn)生的氣體更加明顯。當電池電壓太低時（大約1.5V），陽極反應開始產(chǎn)生氣體。隨著電壓繼續(xù)下降至1V以下，陽極集電極的銅開始溶解，進而使整個電池短路。嵌入在電池封裝中的電池管理系統(tǒng)（BMS）應防止過度放電。

　　過度充電會產(chǎn)生同樣的問題。當電池處于高電壓（大約4.6V）時，電解液開始分解，陰極處將產(chǎn)生氣體。圓柱形電池集成有壓力激活電流中斷器件（CID），當產(chǎn)生氣體壓力時會阻止過充。聚合物電池沒有任何CID器件。雖然它們的膨脹有助于通過增加電池阻抗而阻止進一步過充，但這應該只是最后的防護手段。除了通過充電器對充電過程加以控制外，通常還會增加外部熱熔絲實現(xiàn)過充保護。

　　外部短路時由于發(fā)熱和過度放電可能導致電池膨脹。圓柱形電池集成有正溫度系數(shù)（PTC）器件，當外部短路導致大電流而使該器件被加熱或自發(fā)熱時自身將因擴張而形成高電阻。聚合物電池沒有這種集成的PTC，因此只能增加外部PTC或熱熔絲進行短路保護。

　　與其它類型的鋰離子電池相比，鋰聚合物電池每瓦時的成本更高，原因有多個方面。首先，高質(zhì)量疊層材料和允許密封口袋的專用極耳非常昂貴。其次，制造速度比較慢，從而增加了勞動力和開銷成本。最后，雖然慢速生產(chǎn)有助于實現(xiàn)尺寸靈活性，但會導致較低的良率和較高的原型創(chuàng)建成本。

　　本文小結(jié)

　　在制作電池封裝時，大多數(shù)封裝制造商在選擇封裝內(nèi)使用的鋰離子電池類型時會遵循幾個關(guān)鍵原則。如果設計要求強調(diào)高性價比的供電，并且使用環(huán)境比較惡劣（即存在沖擊、跌落、振動的可能），或者封裝外形的所有尺寸都超過22毫米，那么圓柱形電池通常是理想的選擇。

　　但是，如果設計要求