介绍锂离子电池的特点及应用

锂离子电池管理芯片的应用与开发

 

1.1.1锂离子电池的特点及应用

 

1912年开始对锂电池的研究，这种电池使用锂作为电极，而非可充电锂电池的首次商业应用直到20世纪70年代才开始。20世纪80年代，研究的重点是可充电的锂离子电池，但未能解决安全问题。直到1991年，索尼才第一次实现了锂离子电池的商业化，这被认为是能源技术领域的一个重要里程碑。

 

如表1.1所示，与其他二次电池如镍镉电池相比，锂离子电池具有更高的能量密度(包括质量比能和体积比能)、更高的充放电周期、更低的放电速率和更高的单块电池工作电压(3.6v)。显然，锂离子电池的高工作电压将有助于减小移动设备的尺寸，高能量密度将有助于使电池更轻，低放电率将确保在存储期间的正常使用。

 

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十多年来，锂离子电池的应用得到了很大的发展，现已成为通信电子产品的主要能源之一，广泛应用于笔记本电脑、GSM/CDMA、数码相机、摄像机、PDA等高端便携式消费类电子产品[2]。如果说1997年之前适应笔记本市场，降低电池成本，增加容量被称为锂离子电池的第一个黄金时代，那么手机、相机等便携式电子产品的普及将使锂离子电池行业进入第二个黄金时代。以2004年为例，94%的手机电池是锂离子电池。随着技术的发展，对锂离子电池的需求将会越来越大，2005年预计将达到12亿桶。从锂离子电池的生产和销售情况来看，2000年以前，日本是世界上最大的锂离子电池生产国和销售国，占有95%以上的市场份额。但近年来中国和韩国的迅速崛起已经颠覆了日本的单打独斗，预计到2005年，日本在全球市场的份额将跌至50%以下。

 

1.1.2锂离子电池管理芯片的重要性

 

在锂离子电池的研究与开发中，提高锂离子电池的使用安全性一直是研究的重点。由于质量比能量高，电解液多为有机可燃物，当电池产热速度大于散热速度时，可能存在安全问题。研究表明，锂离子电池在被误用时，其温度可以达到700℃以上，从而导致烟、火甚至爆炸。当过放电小于1V时，正极表面会析出铜，导致电池内部短路。在过流的情况下，电池内部温度也容易升高，使电池性能恶化甚至损坏。图1.1.1展示了锂离子电池在过充和过放电条件下的化学反应和性能变化。式中，M表示Co、Al、Ni等金属离子。

 

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为了提高锂离子电池的安全性，除了深入的机理研究、选择合适的电极材料和优化整体结构外，还需要通过电池外部的集成电路(IC)对电池进行有效的管理。报告称，电池管理芯片，包括销售和电源管理芯片，预计将在近年来增长最快。锂离子电池管理目标包括电池电压监测、充放电电流监测、温度监测、数据计算和存储。在管理芯片中，保护电路、燃料检测电路和传输电池数据的系统称为智能电池系统(SBS)。SBS电池结构如图1.1.2所示。它由温度传感器、可检测双向电流的电流检测器、ADC、EEPROM存储器、时钟、状态/控制电路、与主系统的单线接口和地址以及锂离子电池的保护电路组成。ADC转换的数字量存储在相应的存储器中，通过单线接口连接到主系统，对内部存储器进行访问和控制。除了有效的电池保护，SBS还可以输出剩余的电池能量信号(可用于LCD显示)，这将是锂离子电池管理芯片发展的主要目标。目前，SBS应用程序已经发展为SBdata1.1(数据协议)和SMbus2.0(总线协议)，而IBM等膝上型计算机中有几个模型