新型電池技術(shù)給予便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)師指望與風(fēng)險(xiǎn)

新型電池技術(shù)給予便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)師指望與風(fēng)險(xiǎn)

在不久的將來(lái)，大多數(shù)便攜系統(tǒng)還要依賴于現(xiàn)有的鋰離子電池。所幸鋰離子電池在成本、耐用性和能量容量方面正不斷加以改善。但要注意那些“克隆”電池組可能為系統(tǒng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

鋰離子電池將繼續(xù)是便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品的主流電源，如膝上型電腦和手機(jī)。

有些鋰離子電池的充電電壓和輸出電壓都會(huì)變化。

會(huì)損壞老式電池組以及設(shè)備電路的較高的電壓不得不防，需要對(duì)電池進(jìn)行鑒定，防止用戶換用老式或可能不安全的電池。對(duì)于依賴于電池或電池組的便攜系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng) IC 日益增加的復(fù)雜性和速度以及由此產(chǎn)生對(duì)能量需求的增長(zhǎng)提出了一系列問(wèn)題：雖然 IC 可以跟上摩爾定律的工藝與速度浪潮，但電池技術(shù)的發(fā)展卻落在了后面。10年內(nèi)，鋰離子電池的能量容量?jī)H僅翻了一番多，從 1995 年的 280 Whr/l(瓦小時(shí)/升)提高到 2005 年的 580 Whr/l。與 IC 每 18 個(gè)月復(fù)雜度翻一番的速度相比較，我們就能看出便攜設(shè)備功率需求與功率供給之間的失衡。

盡管電池沒(méi)有 IC 那么風(fēng)光，但鋰離子技術(shù)仍然取得了重大的進(jìn)步。通過(guò)改變陽(yáng)極和陰極的化學(xué)配制，鋰離子電池制造商們正在增加電池的能量容量，使之更耐用，成本更低。然而，在制造商取得進(jìn)展的同時(shí)，也出現(xiàn)了一些變化。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要注意電池的配制，要懂得電池的充電電壓和輸出電壓是不斷變化的，它會(huì)影響系統(tǒng)的需求。

鋰離子并不是電池組中使用的唯一一種可充電電池。較老式但仍在普遍應(yīng)用的還有 NiMH（鎳金屬氫）和 NiCd（鎳鎘）電池。鋰離子電池在 1991 年面市，它是最新的技術(shù)，由于具有相對(duì)較低的成本和高能量密度的優(yōu)勢(shì)，所以能夠攻城掠地。（關(guān)于電池術(shù)語(yǔ)的定義，如“電池”（cell）和“電池組”（pack），見(jiàn)附文“電池的定義”。）

是什么推動(dòng)鋰離子電池中的化學(xué)作用？除需要更高的能量密度以外，電池制造商還希望電池有更便宜的配制，以及更安全、更耐用。對(duì)電池陰極中的鋰及其它化學(xué)成分的改變會(huì)影響到電池成本、容量、耐用性和電壓。

在今天的鋰離子電池中，通常采用18650尺寸的圓柱型封裝，陽(yáng)極是石墨混合物，陰極則是鋰、鎳和鈷的組合。當(dāng)鋰電池1990年代首次面市時(shí)，鈷還相對(duì)較便宜，并且價(jià)格穩(wěn)定。但10年后，鈷的價(jià)格開(kāi)始上升，電池制造商便研究新的陰極材料，以取代鈷。

Micro Power 公司是一家電池組開(kāi)發(fā)商，它將多家制造商的電池組合成自己的電池組，公司產(chǎn)品營(yíng)銷工程師 Robin Tichy 稱：“根據(jù)現(xiàn)有LiCoO2 (鋰二氧化鈷)配制基礎(chǔ)上的鋰電池路線圖是，供應(yīng)商正在逐步淘汰 2 Ahr，2.2 Ahr 正在量產(chǎn)，而 2.4Ahr 正等待進(jìn)入量產(chǎn)。”Tichy 說(shuō)制造商正在評(píng)估 2.6 Ahr 技術(shù)以及規(guī)劃 2.8 Ahr 技術(shù)。她認(rèn)為：“一旦達(dá)到 3 Ahr，我們就實(shí)現(xiàn)了 18650 電池中鋰二氧化鈷的理論最大值。”

Tichy 還指出，除了相對(duì)較高的成本以外，鈷的化學(xué)性質(zhì)要比其它可用的陰極材料（例如鎳和錳）更具發(fā)散性。她說(shuō)：“與鈷相比，鎳不易發(fā)散，而且經(jīng)濟(jì)和化學(xué)穩(wěn)定。但是它在充電循環(huán)效率上要差很多。錳很便宜，并且有安全的大電流速率放電能力。錳的缺點(diǎn)是能量密度差，在電解液中會(huì)輕微溶解。”

第一個(gè)可能取代 18650 電池中鋰二氧化鈷的是采用固態(tài) NCM 方案（鎳鈷錳）。錳與鎳將部分替代被淘汰的鈷材料，但不是全部，這樣電池價(jià)格會(huì)更便宜，但不會(huì)增加能量密度。

由于電池的電壓是來(lái)自陽(yáng)極和陰極之間的電位差，改變陰極材料就會(huì)改變電池的輸出電壓。雖然 NCM 配制只將電池電壓升高約 0.1V，但這一變化已足以對(duì)主機(jī)設(shè)計(jì)造成影響。NCA（鋰-鎳-鈷-鋁二氧化物）是繼 NCM 之后的一種配制，它的電位差將更高。

NCA 配制來(lái)自松下公司，預(yù)計(jì)將于 2006 年底面市。據(jù) Tichy 稱，該種配制與 NCM類似，但含有更多鎳，并用鋁代替了錳，這也意味著更不容易發(fā)散和出現(xiàn)爆炸性電位?！傲硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是含鎳越多，容量越高。”在 620 Whr/l 時(shí)，NCA 可提供業(yè)界最高的能量密度。相對(duì)應(yīng)的是，該電池的輸出電壓也可能達(dá)到 3.6V。

新電池化學(xué)物質(zhì)除了產(chǎn)生更高輸出電壓以外，電池的充電電壓也更高了，這就為系統(tǒng)充電器提出了一個(gè)問(wèn)題，即它要能夠區(qū)別出電池的類型，然后以更高的電壓充電。Brian Barnett 是 Tiax LLC 的管理總監(jiān)以及“便攜電源 2005 研討會(huì)”的會(huì)議主席，他說(shuō)：“我們面臨的不是一個(gè)簡(jiǎn)單的世界，在這個(gè)世界上有很多種鋰離子電池，它們的特性各不相同。如果你現(xiàn)在用的是 4.2V 鋰二氧化鈷技術(shù)電池，不小心放到一個(gè)不能智能識(shí)別不同化學(xué)物質(zhì)的充電器上，那就有大麻煩了?！毕到y(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以在電池組中加入鑒定電路，防止用戶使用錯(cuò)誤的電壓對(duì)電池充電（參考文獻(xiàn) 1）。

Dave Heacock 是德州儀器公司便攜式電源管理部門(mén)副總裁，他看到很多電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)師都試圖從系統(tǒng)電池組內(nèi)榨取每一分電能。他說(shuō)：“做得好的話，電池可以成為市場(chǎng)營(yíng)銷上的一個(gè)差異點(diǎn)，為電池多花費(fèi)一些錢(qián)會(huì)從系統(tǒng)銷售中得到回報(bào)。”新型鋰離子電池的配制很有吸引力，但也可能為電池特性帶來(lái)一些以前沒(méi)有的變化。他還表示：“很多電池制造商都努力在相同空間內(nèi)獲取更多能量，并且使電池更安全。當(dāng)他們首次開(kāi)發(fā)一種陰極或陽(yáng)極，并試圖使新產(chǎn)品達(dá)到像某些成熟的化學(xué)物質(zhì)所能達(dá)到的相同性能時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到一些困難。”新的電池有嚴(yán)格的操作范圍，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可能需要選擇內(nèi)置電池管理電路的電池組，例如鑒定電路。

但是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也不能夠?qū)⑺嘘P(guān)于電池組的決定都交給電池組供應(yīng)商。Heacock 警告說(shuō)：“你一定要知道里面的詳情，”尤其是對(duì)電池本身。鋰離子電池的工藝技術(shù)已經(jīng)很成熟，特別是那些老公司，如三洋、松下和索尼，它們生產(chǎn)的產(chǎn)品是可重復(fù)的。但是，對(duì)新興的電池制造商來(lái)說(shuō)（如中國(guó)制造商），不同批量電池之間的規(guī)格差異可能相當(dāng)大，例如溫度與放電率。Heacock 說(shuō)：“新興公司要進(jìn)行價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)，因此你要知道從價(jià)格里得到了什么。要問(wèn)清楚不同批電池之間的穩(wěn)定性如何。”

Tichy 同意這個(gè)觀點(diǎn)：“一旦新的配制開(kāi)始出現(xiàn)，例如 NCM，我們會(huì)看到所有供應(yīng)商的變動(dòng)情況。陰極配制的改變可能會(huì)造成供應(yīng)商產(chǎn)品之間的差異。由于每家供應(yīng)商采用材料的精確混合比例各不相同，因此電壓也可能會(huì)有略微的不同?！泵總€(gè)制造商都要標(biāo)注自己電池的工作電壓，并給客戶一個(gè)廠家預(yù)期的曲線。但是，如果電池組供應(yīng)商已用一家供應(yīng)商的電池設(shè)計(jì)了一個(gè)電池組，就不可能再為新配制獲取第二家來(lái)源。

Heacock 列出了一些現(xiàn)在帶鑒定功能智能電池組的有用信息，例如電池的 ID 號(hào)、額定過(guò)壓、溫度報(bào)告以及剩余容量。他指出，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員要努力使系統(tǒng)為所有用戶工作時(shí)，這類信息就非常重要。他說(shuō)：“不同環(huán)境下電池的表現(xiàn)不同。在空調(diào)辦公室內(nèi)的 MP3 播放機(jī)用的電池與炎炎夏日內(nèi)留在車?yán)锏囊慌_(tái)播放機(jī)用的電池，它們的響應(yīng)特性完全不同。性能的差異可能使責(zé)怪電池的用戶心煩意亂。但如果在設(shè)計(jì)電池系統(tǒng)時(shí)就考慮到消費(fèi)者的使用差異，就不會(huì)顯示出電池的問(wèn)題了?！?/P>

除了要考慮系統(tǒng)環(huán)境對(duì)電池性能的影響以外，設(shè)計(jì)師還必須假定終端消費(fèi)者會(huì)用不適當(dāng)?shù)碾姵亟M作為一種經(jīng)濟(jì)性的備份或替換。Maxim 公司熱量與電池管理部的總監(jiān) Gene Armstrong 描述了一種類似情況：“我們的一些客戶打算更換新的電池，它們的充電電壓高達(dá) 4.4V，但從安全角度看這種變換會(huì)造成一些問(wèn)題，因?yàn)橐坏┧麄冏髁烁鼡Q，就會(huì)出現(xiàn)不知來(lái)自何處的假冒電池組，它們使用 老工藝的電池，充電電壓達(dá)到4.2V。如果充電系統(tǒng)在這些舊電池上加上 4.4V 電壓，就會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)的情況?！彪姵亟M里的鑒定裝置可以防止充電電路把過(guò)高的電壓加到市場(chǎng)上克隆的電池組上。

大多數(shù)鋰離子電池組都用于膝上型電腦和手機(jī)。根據(jù) Tiax 的 Barnett 說(shuō)法，這兩類應(yīng)用要占鋰離子電池銷售量的 80%。然而，新的陰極配制正在出現(xiàn)，使鋰離子更適用于大電流應(yīng)用，如可再充電的便攜式電動(dòng)工具，這是現(xiàn)在鎳鎘技術(shù)占據(jù)的陣地。LiMn2O4（鋰錳氧化物）技術(shù)能夠在一秒或兩秒短脈沖內(nèi)達(dá)到 300A。（今天典型的鋰 18650 電池可以支持 4 A 至 6A 的脈沖電流。）新的電池可以擴(kuò)展到 10 秒 80A 的能力。現(xiàn)在，電動(dòng)工具主要采用鎳鎘電池，因?yàn)樗苤С执箅娏魉俾?。但是，鎳鎘電池不符合 RoHS（降低有害物質(zhì)）和 WEEE（電子與電氣設(shè)備廢棄物）的法規(guī)，因此，使用鋰錳氧化物的新型鋰電池將會(huì)逐步取代在電動(dòng)工具中的鎳鎘電池。
電池的定義

鋰離子：這一技術(shù)是大多數(shù)消費(fèi)產(chǎn)品中最流行的可充電電池技術(shù)。鋰是最輕的金屬，在所有電池配制中有最高的能量密度。然而，它也極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在充電過(guò)程中不穩(wěn)定。電池中幾乎都使用鋰離子，這是更穩(wěn)定的形態(tài)。但是，這種離子形態(tài)在某些情況下仍會(huì)發(fā)生爆炸。（關(guān)于鋰離子電池芯在過(guò)流情況下的圖示，見(jiàn)參考文獻(xiàn)A中的附文“Techflicks”。）

鋰聚合物電池與鋰離子有類似的規(guī)格，但具有半剛性和薄的形狀因子，壽命則只有一半。它的“柔韌性”經(jīng)常被誤解，因?yàn)殇嚲酆衔镫姵匕惭b在設(shè)備中時(shí)應(yīng)保持平坦，在電池系統(tǒng)中安裝時(shí)也不能折彎。它們的價(jià)格也較高（參考文獻(xiàn) B）。

鎳基電池：兩種最常見(jiàn)的是 NiCd（鎳鎘）和 NiMH（鎳金屬氫）電池。鎳鎘電池可以提供大電流，因此是電動(dòng)工具中必用的技術(shù)。例如，一支電鉆要產(chǎn)生足夠的扭矩就要獲得大電流。但是，由于鎘是有毒的，按照 RoHS（減少有害物質(zhì)）的要求，在可能的情況 下制造商必須逐步放棄鎳鎘電池。NiMH 在低成本系統(tǒng)中很流行，如無(wú)繩電話。由于鋰離子電池具備大電流和低成本的特點(diǎn)，因而它正在侵占 NiCd 和 NiMH 的傳統(tǒng)領(lǐng)地。

電池：一個(gè)電池是指在電池組中使用的一節(jié)電池。最常見(jiàn)的鋰離子電池是 18650，它是直徑為 18 mm、長(zhǎng)度 65 mm 的圓柱體。

電池組：電池組是指一組電池，以及保護(hù)/鑒定/安全電路（圖 B）。大多數(shù)鋰離子充電電池都是包含一個(gè)電池的電池組，例如用于手機(jī)中的電池組，也有多達(dá)四個(gè)電池的電池組，如膝上型電腦中的電池。電池組不僅是一種電池匹配與封裝的簡(jiǎn)單方法：鋰離子安全規(guī)格要求電池組必須包含有安全電路。即使一個(gè)設(shè)備僅需要單支鋰離子電池，做成一個(gè)單芯電池組，也需要有安全電路，然后整個(gè)單元用熱縮或塑封封裝。單芯電池組（如手機(jī)中使用的電池）要求有 7 W 至 8 W；膝上型電腦用的四芯電池組則需要 35 W至 70 W

充電循環(huán)：大多數(shù)鋰離子電池都是快速充電到其容量的 80%，然后用涓流充電至滿容量。一個(gè)充電循環(huán)要用到一個(gè)電池的整個(gè)能量，但不需要來(lái)自一次充電。例如，如果一次設(shè)備放電到一半的能量，然后再充滿，第二天再重復(fù)這一過(guò)程，則計(jì)為一個(gè)充電循環(huán)。每次充電循環(huán)完成時(shí)，電池容量都會(huì)略微下降。

  

參考文獻(xiàn):

[1]. NCA datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/NCA_2435502.html.
[2]. Maxim  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/Maxim+_1062568.html.
[3]. 80A  datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/80A+_1297705.html.

來(lái)源:xiangxueqin