解读锂离子电池监控电路和保护电路
来源：宝鄂实业
2019-03-18 12:01
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很多电池供电系统都需要一个可视指示器，用于指示何时需要更换电池。一般用LED做这种指示灯，但它们至少要消耗 10mA的电流。这个不小的电流会加速电池的放电，缩短电池的可用寿命。下图使用了一种采样数据技术降低了监控电路的平均功耗。该电路的待机电流为 5μA，在指示低电压时耗电为30μA。
在控制器有效的80μs导通时间内，控制器的VPP输出切换为VCC，而在关断期间则切换为高阻。一个快速安定基准设定了触发点。R2必须足够小，以为 LT1009提供所需最小电流。R3、R4和R5对电池电压做分压，并送入一个比较器的输入端。电阻提供了5.5V的下触发点和5.95V的上触发点。内部比较器有低电流偏置点，从而能够为分压器使用大阻值电阻。R5设定了比较器的迟滞。比较器驱动一个内部RS触发器，当 VINSETPOINT+DELTA时，触发器复位（ON/OFF=ground）。
锂离子电池监控器除了有保护电路外（可保护电池在充电、放电过程免于过充电、过放电和过热），并且能输出电池剩余能量信号（用LCD显示器可形象地显示出电池剩余能量），使用者能随时了解电池的剩余能量状态，以便及时充电或更换电池。它主要用于有μC或μP的便携式电子产品中，如手机、摄像机、照相机、医疗仪器或音、视频装置等。
这里以DS2760为例说明该器件的特点、内部结构及应用电路。该器件有温度传感器，能检测双向电流的电流检测器及电池电压检测器，并有12位ADC将模拟量转模成数字量；有多种存储器，能实现电池剩余能量的计算。它是将数据采集、信息计算与存储及安全保护于一身。另外，它具有外围元件少、电路简单、器件封装尺寸小（3.25mm×2.75mm管芯式BGA封装）的特点。
尽管格雷声称最近取得了突破，但由于上述问题，研究团体的注意力主要转向了锂-硫电池。它为锂离子提供了更便宜、更强大的替代品，但科学家们始终在努力阻止其在阴极上形成的树突（cathode），以及在阳极上的硫磺因重复充电而溶解。索尼声称已经解决了这一问题，并希望到2020年将含有锂-硫电池的消费类电子产品推向市场。
在曼彻斯特大学，材料学家刘旭清(Xuqing Liu)是那些试图从碳阳极中挤出更多能量的人之一，他将类似于石墨烯的二维材料结合起来，以便扩大表面积，从而增加锂原子的数量。刘旭清把它比作增加一本书的页数。这所大学还投资建造干燥的实验室，这将使其研究人员能够安全、轻松地交换不同的元件，以测试不同的电极和电解质的组合。
令人难以置信的是，即使古德诺夫本人也在研究这个问题。去年，94岁的他发表了一篇论文，描述了一种容量是现有锂离子电池三倍的电池。这受到广泛质疑。一位研究人员说:“如果是古德诺夫之外的其他人发表了这篇文章，我可能就要骂娘。”
但是，尽管有成千上万的论文发表，数十亿美元的资金投入，数十家创业公司成立并提供资金支持，自1991年以来，我们大部分消费电子产品的基本化学功能几乎没有改变。在成本、性能和消费性电子产品的便携性方面，还没有什么能够取代锂钴氧化物和碳的组合。iPhoneX的电池的原理几乎和索尼的第一台便携式摄像机一样。
因此，2008年，伯迪切夫斯基从特斯拉离开，开始专注于研究新的电池化学反应。他对寻找石墨阳极的替代品尤其感兴趣，他认为这是制造更好电池的最大障碍。伯迪切夫斯基说:“石墨的使用已经有六七年了，它现在基本上是用在电池的热力学容量上。”2011年，他与特斯拉的前同事亚历克斯·雅各布斯(Alex Jacobs)、佐治亚理工学院材料学教授格莱布·尤辛（Gleb Yushin）共同创立了Sila Nanotechnologies。他们在阿拉米达的湾区办公室有开放式布局，以雅达利游戏命名的会议室，还有充满熔炉和燃气管道的工业实验室。
在调查了所有可能的解决方案之后，三人从理论上确定硅是最有前途的材料。他们只需要让技术发挥作用。许多人在他们之前尝试过，但都以失败告终。不过，伯迪切夫斯基和他的同事们对他们的成功表示乐观。一个硅原子可以附着4个锂离子，这意味着与重量相近的石墨阳极相比，一个硅阳极可以储存10倍的锂。这一潜力意味着，美国国家研究院对硅阳极材料充满了兴趣，Amprius、Enovix和Envia等风投机构支持的初创企业也是如此。
当锂离子在电池充电时附着在阳极上时，它会轻微膨胀，然后在使用时再次收缩。在重复的充电循环中，这种膨胀和收缩破坏了固态电解质界面层，后者是一种保护物质，在阳极表面形成斑块。这种损害会产生副作用，消耗电池中的部分锂。伯迪切夫斯基说：“它被困在无用的垃圾里。”
随着时间的推移，这是智能手机开始快速损失储能的主要原因。石墨阳极膨胀和收缩约7%，因此在性能开始急剧下滑之前，它可以完成大约1000个充放周期。这相当于一部智能手机持续两年、每天充电。但由于硅颗粒能吸附如此多的锂，它们在充电时膨胀的幅度要大得多（高达400%）。大多数硅阳极经过几次充电循环后会发生断裂。在实验室的5年多时间里，Sila Nanotechnologies创造了一种纳米复合材料来解决膨胀问题。
伯迪切夫斯基解释说，如果石墨阳极是个“公寓区”，那么所有的“房间”都是一样大小，而且都紧紧地挤在一起。经过3万次迭代（不同的柱子和房间组合），他们形成了阳极，那里每层都有足够的空间让硅原子在获取锂时膨胀。他说：“我们把多余的空间困在建筑内部。”这就解决了膨胀问题，同时保持阳极的外部尺寸和形状稳定。
伯迪切夫斯基表示，明年Sila Nanotechnologies将向制造商提供的第一代材料，将使能源密度提高20%，并最终提高40%，同时也能提高安全性。他说：“硅能让你远离边缘，你可以空出1%或2%的空间，以真正大幅提高你的安全。”最重要的是，它也可以直接转换成现有的设计。随着亚洲的电池生产商争相增加工厂产能，为电动汽车时代到来做准备，伯迪切夫斯基认为，任何与当前生产工艺不兼容的产品都可能被排除在外。他说：“如果现在还不存在可以替代锂离子的技术，到上市的时候，它将迎来无数的用户群。”
当电池充满电并放电时，锂离子在两个电极之间舞动，有时它们很难返回。相反，尤其是当电池充电太快时，它们会在电极的外面聚集，逐渐形成树枝状的分支，就像洞穴顶部的钟乳石。最终，这些看起来像窗玻璃上结了霜的树突，可以通过电解质一路延伸，穿透隔膜，并通过触碰对面的电极产生短路。
随着各层之间的距离越来越近，这种风险就会增加，出错的可能性也会随之增加。正如三星去年发现的那样，出错可能会造成损害，代价相当高昂。微小的制造缺陷曾导致Galaxy Note 7手机电池内部短路。在某些设备上，阳极和阴极最终彼此接触，这起灾难性的召回事件估计导致三星损失了34亿欧元。Ionic Materials公司的齐默尔曼解释道：“当这种情况发生时，电池会变得非常热，液体电解质会发生热逃逸，最终引发火灾和爆炸。”
因为这种情况非常危险，实际上锂离子电池中没有那么多锂，仅为百分之二左右。但如果有一种方法可以安全地把纯金属锂从金属钴氧化物笼子里释放出来，就像惠廷汉姆在20世纪70年代尝试的那样，可能会带来增加十倍的能量密度。这被称为电池研究的“圣杯”，齐默尔曼可能发现了它。
他认为电解质实际上是增加电池能量密度的最大障碍。人们已经逐渐不再使用浸在液体电解质中的物质，而是使用凝胶和聚合物，但它们通常仍然是易燃的，而且对阻止快速的热逃逸过程毫无帮助。齐默尔曼自己承认，他不是一个“电池控”。他主修的专业是材料科学，尤其是聚合物，他在贝尔实验室和塔夫茨大学任教了14年，之后才开始创业。
21世纪初，齐默尔曼开始对可充电电池产生兴趣。当时，有些人在努力从液态电解质转向固态电解质。资深储能科学家唐纳德·海格特（Donald Highgate）解释说：“原则上，因为固态电解质电池更安全，你可以让它更努力工作。同样的应用程序，你可以使用更小的电池。”但它们大多是陶瓷或玻璃制品，因此很脆，很难大规模生产。”
塑料已经在电池中被用于隔离器，即位于电解质中间以阻止电极接触的部分。齐默尔曼认为，如果他能找到合适的材料，他就可以抛弃液体电解质和分离器，取而代之的是一层固体塑料，这层塑料是可以防火的，而且还可以防止在两层之间生长树突。通过Ionic Materials，齐默尔曼用一种全新的传导机制创造了一种聚合物，它模仿了电子穿过金属的方式。这是第一个能在室温下导电锂离子的固态聚合物。材料是灵活的，低成本的，经得起各种各样的考验。
在一次实验中，他们把原材料送到了弹道学实验室，那里通常被用来测试防弹背心，并用9mm的子弹来射击它。两根电线将电池（扁平的银袋子）连接到三星平板电脑上，后者的电源被小心移除。子弹击中后，电池就像火山一样炸开了。在慢镜头里，可以看到塑料和金属从火山口喷出，就像熔岩。但电池内部没有爆发，没有爆炸或起火。每次碰撞，设备都保持开启状态。齐默尔曼说:“我们一直认为聚合物会使它更安全，我们从来没有指望电池还能继续工作。”
据齐默尔曼说，这种聚合物将推动锂金属的发展，并加速采用新的电池化学物质，如锂-硫或锂-空气。但长远的未来可能不只是锂。曼彻斯特大学的研究员刘旭清表示:“这种改进不能与设备性能的改进速度相匹配，我们需要一场革命。”
在牛津郡庞大的哈韦尔科学与创新园区，也就是约翰·古德诺夫(John Goodenough)签署协议宣布放弃他在锂离子领域取得重大突破专利的地方，史蒂芬·沃勒（Stephen Voller）举着一块与饮料杯大小和形状相似的碳纤维。沃勒是一位和蔼可亲的曼城球迷，年近50岁。在加盟首个浏览器品牌网景（Netscape）公司之前，他曾在IBM担任软件工程师。在公司被AOL收购后，沃勒对笔记本电脑电池续航时间的限制越来越感到失望，于是决定采取些措施。
沃勒的第一个想法是使用氢燃料电池来延长电池巡航时间，但它的波动性证明是便携式电子产品无法克服的挑战。他说:“让氢气通过机场安检是相当困难的。”然后，通过牛津大学的熟人，沃勒听说了一些令人兴奋的研究，包括性能更像超级电容器的极快充电材料。当电池以化学方式储存能量时，超级电容器却可将其置于电场中，就像气球上的静电收集一样。
超级电容器的问题在于，它们不能像电池一样储存那么多的能量，而且电量会很快泄露出去。如果你不经常使用，锂离子电池的放电可持续2周，而超级电容器只能保持数小时。许多业内人士认为，将超级电容器与电池结合起来，可能对智能手机和其他耗电的消费科技产品有利。海格特表示，超级电容器可以被用来制造一、两分钟内就能充满电的混合手机，而且还可以作为备用的锂离子电池。他说:“如果你可以非常快速的充电，你可以把它放在感应圈上，在你搅拌咖啡的时候充电。”
沃勒认为，他可以做得更好。2013年，他创立了ZapGo，该公司正在开发碳基电池，其充电速度与超级电容器一样快，但充电时间与锂离子电池差不多。到2017年11月，该公司的员工已增至22人，分别在哈韦尔的卢瑟福德阿普尔顿实验室和北卡罗来纳州夏洛特的办公室工作。它的第一个消费电池将被用在今年年底推出的第三方产品上，包括用于汽车的助推起动装置，以及充电时间从8小时缩短至5分钟的电动滑板车。
沃勒手里拿着的那块碳纤维是一块电池，使用了固态电解质，不会着火。两个电极是由薄层铝制成的，上面覆盖着纳米结构的碳，用来增加表面积。沃勒说：“你希望它看起来像喜马拉雅山。”尽管在显微镜下，它更像是城市天际线的轮廓。ZapGo技术的关键在于提高效率和减少漏电量，主要是通过确保电解液无缝地与上面的碳天际线相吻合，就像尼龙搭扣一样。
碳基电池的最大优势是长寿。因为ZapGo的电池存储更像气球，而不是传统的电池。正如沃勒所说“没有化学反应”，他声称新电池可以持续10万个放电周期，这是锂离子电池的100倍。即使每天给手机充电，也可以使用30年。目前的第三代ZapGo电池还没有强大到可以运行智能手机的地步，但由于使用的材料没有提供增加电压的障碍，沃勒预计这种电池将在2022年，也就是“iPhone 15前后”投入应用。
