锂电池最新研究进展_曹金亮

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ａｎｏｄｅ ａｎｄ ｃａｔｈｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ， ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ａｎｄ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ， ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｐｌａｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ＩＣ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ； ａｎｏｄｅ ａｎｄ ｃａｔｈｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ； ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ； ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ； ＳＯＣ
目 前 ，锂 电 池 广 泛 采 用 的 充 电 方 式 为 恒 流 恒 压 充 电 方 式[1]，如图 1 所示。
锂电池的恒流恒压（CC-CV）方式又分为三个阶段：预充 电、恒流充电和恒压充电。在 CC-CV 充电模式下，充电器先给 电池提供小充电电流;当电池的电压达到预定值时，再使用大 电 流 对 电 池 进 行 快 速 充 电 ；当 电 池 的 端 电 压 达 到 上 限 电 压 4.2 V 时，改为恒压充电，直至电池充满。
因此，可以预见随着对锂电池的深入研究以分钟为量级 的快速充电将很快到来，为锂电池的应用普及奠定了坚实的 基础。
３ 锂电池管理方案的发展
在实际的应用中，为了获取更大的电池容量，就需要把许 多单体锂电池通过使用安全保护电路组装成电池组或电池模 块的形式，以此满足特殊的功率需求[5-6]。这就需要均衡保护电 路对电池组进行管理。均衡电路的作用就是找到荷电量最高 的电池对其释放能量，或找到荷电量最低的电池对其补充能 量，两者也可以同时进行。
电容均衡法均衡电路如图 2 所示。 能量耗散型是现在人们广泛采用的均衡管理方式，这种 电路结构简单，且成本也较低，只需将容量高的单体电池的能 量消耗掉，但这种方式存在能量浪费和热管理的缺陷，不符合 现在节能的理念。能量非耗散型通过变压器把能量从电池组
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出很大的优越性。 根据电解质锂电池可分为锂离子电池和聚合物锂电池。
聚合物锂电池代表了锂电池的发展的最高技术。聚合物锂离 子电池和液态锂离子电池的区别就在于电解质的存在形式,聚 合物锂离子电池的电解质为凝胶型或纯固态聚合物。与传统 的锂离子电池相比，聚合物锂电池塑性灵活、安全性好、循环 寿命更长、体积利用率比液体锂离子电池高 10%～20%，且易 于大规模工业化生产。根据 IIT 数据，目前苹果全系列产品均 采用锂聚合物电池，iPad 用的大聚合物电芯主要由 ATL、力 神、SDI、Sony、LGC 共同提供。其他品牌高端消费电子产品也 主要采用锂聚合物电池。另外丰田、日产等日系车企也在大力 研发聚合物锂电池，用以匹配普锐斯和 LEAF 等新能源汽车。
锂离子聚合物的胶状或固态的电解质是聚合物锂电池安 全性能好于液态锂离子电池主要原因。为改善锂电池的安全 性，国外研究也取得了最新的突破。英国利兹大学研究人员开 发出一种性能与传统相当，却减小了起火等安全隐患且更为 廉价的新型锂电池。利兹大学研究人员设法将液体电解质和 聚合物薄膜融合到一起，制作出一种类似果冻的胶状物，电池 的正负极连在这种胶状物上。此种锂电池有望广泛用于笔记 本电脑、手机等电子产品。
由于锂聚合物电池在安全性、可塑性方面远好于液态锂 离子电池，由此可以设想锂聚合物电池是锂电池未来发展的 主攻方向。
２ 充电方法及快充的发展
２．１ 锂电池恒流恒压（ＣＣ－ＣＶ）充电模式
锂电池最为简单且相对节省的充电方式是恒压充电，但 是这种充电方式需要充电的时间很长。充电时间长的原因在 于在恒定电压充电下，电池的充电电流降低得很快，所以其充 电速率就会变低。
锂电池主要由正极材料、负极材料、电解质和电池均衡保 护电路组成。现在就对其进行分别介绍。
１ 正负极材料及电解质的发展
１．１ 正极材料
锂电池的发展史也就是材料的发展史[2]。时至今日，用于 锂离子电池的正极材料主要是磷酸盐类，其已广泛应用在小 型电池，但它由于安全问题不宜用于 EV、HEV 大型动力电池
中图分类号：ＴＭ ９１２．９
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７ Ｘ（２０１３）０８－１４６０－０４
Latest research progress of lithium batteries
CAO Jin-liang, CHEN Xiu-qiang, ZHANG Chun-guang, LI Hong (School of Electronic and Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan Shanxi 030024, China)
目前锂电池组均衡控制的方法，从电路对能量的消耗情 况分析，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。能量耗散 型是通过给电池组中每只单体电池并联一个电阻进行放电分 流，从而实现均衡的。能量非耗散型均衡是通过开关信号，由 锂离子电池组整体向单体电池进行补充，或者由单体电池向 电池组通过同轴线圈进行能量转换。能量非耗散型的均衡方 法有电容均衡法、变压器均衡法。
１．２ 负极材料
目前对负极材料的研究相对较少，负极材料应选择低电 位的嵌锂化合物。除石墨材料外，其他的各类材料如软碳、硬 碳等还处于研发阶段，尚有一些未解决的问题，还不能用于实 际之中。
１．３ 电解质
电解质作为锂离子电池的关键材料之一影响甚至决定着 电池的比能量、寿命、安全性能、充放电性能和高低温性能等 多种宏观电化学性质。现在的电解质已经从以前的液态电解 发展到固态电解质，也就是聚合物电解质。以聚合物电解质取 代液态电解质，是锂离子电池发展的一个重大进步，其显著特 点就是提高了电池的安全性能，易于加工成膜，可做成全塑结 构，从而可制造超薄和各种形状的电池；能够很好地适应电池 冲放电过程中电极的体积变化，同时又有较好的化学和电化 学稳定性能。因此在新型高能锂电池及电化学的应用上显示
CSMC 公司研制开发的 0.6 μm 的 CMOS 工艺流片就是 基于 CC-CV 的充电模式。充电器先对电池进行大电流充电， 在电池电压还没有达到设定值之前时，充电电流便开始减小；
图 １ ＣＣ－ＣＶ 充电模式
当电池电压达到设定值并保持恒定之后，充电电流就会进一 步减小。这种充电方法的优点在于能够避免在电池电压在设 定值附近仍对电池进行大电流充电的危害,从而避免电池因大 电流充电而出现过热现象的发生。基于恒流恒压充电机理而 研制的充电集成电路还有 TI 公司 bq246xx 系列，能对多达 7 节的电池组进行充电；ST 公司的 TMS1015 同样基于 CC-CV 充电模式。
综
述
锂电池最新研究进展
曹金亮， 陈修强， 张春光， 李 虹 （太原科技大学 电子信息工程学院，山西 太原 030024）
摘要：从锂电池的正负极材料、电解质以及电池均衡管理电路角度，简洁且全面地论述了锂电池最新的研究进展，着重
叙述了锂电池管理方案的发展及现有的 ＩＣ 产品。
关键词：锂电池；正、负电极材料；电解质；电池均衡；ＳＯＣ
制约锂电池普及应用的主要障碍与瓶颈是电池的充电时 间与安全问题。锂电池的安全问题一直是困扰业界的一个主 要问题，电子器件的召回及发生的意外事故也使得消费者对 电池的安全性日渐重视，比如最近第一代 iPod nano 因出现电 池过热等安全隐患，苹果将会召回存在此问题的第一代 iPod nano 音乐播放器，便引发了人们对电池的安全性问题的广泛 关注。
锂电池根据正极材料分为磷酸钴锂、磷酸锰锂、磷酸铁锂 三种。其中磷酸钴锂价格相对较昂贵，从电池制作成本角度， 磷酸钴锂不是首选的正极材料；磷酸锰锂的安全性与使用寿 命方面逊色于磷酸铁锂，由此可见，磷酸铁锂电池将成为当下 主要发展的动力能源之一。
印度最大汽车制造商 Tata 与英国动力传动系统工程师 合作，计划打造第二代 Indica。该款车电池就选用 31 kWh 的磷 酸铁锂电池，其续航里程可达 160 km，最高可达 200 km。可见 磷酸铁锂电池在实际的应用中具有可行性。
２．２ 其他快速充电法
围绕最佳充电曲线还设计了很多其他快速充电方法，如: 脉冲式充电法、ReflexTM 快速充电法[3]、变电流间歇式充电 法[4]、变电压间歇充电法[4]、变电压变电流波浪式间歇正负零脉 冲快速充电法。
２．３ 快速充电将成为现实
目前，锂电池快速充电问题，也是各国竞相研究的重要方 向。日本关西大学的工程师和研究人员利用氧化钨和氧化钒 创造了新的电容电极，而不是普通的碳材料。新的电容电极可 以容纳更多的能量，并且在不减少容量和电压的情况下能够 显著地减少充电时间，预计该技术成熟后 10 min 即可将一颗 电动的充满。日本东芝公司近日推出商业化的锂离子充电电 池“SCiB（Super Charge ion Battery）”，它可以在 5 min 内充 满 90%，而且保持长寿命循环性能。国内比亚迪公司使用先进 的充电技术能使续驶里程长达 300 km，最高时速达 140 km 的 E6 先行者在专用的充电站 15 min 即可充满 80%的容量。另 外，美国西北大学教授 Harold Kung 及其团队利用在石墨层上 打了数百万计、直径在 10～20 nm 的小孔使得锂离子可快速 通过石墨层的方法，可使锂电池从 0 到充满电仅需 15 min。
收稿日期：２０１３－０１－０５ 作者简介：曹金亮（１９６９—）男，河南省人，博士，主要研究方向为 检测技术及其自动化。
中。相对于大多数金属氧化物正极材料，其具有良好的热稳定 性和高安全性，再加上其良好的电化学性能，因此自问世以 来，一直受到人们的广泛关注，目前已经成为锂离子电池正极 材料研究的热点之一。
能源、信息与环保是 21 世纪人类面临的重要课题。面临 石油等不可再生能源的日渐枯竭，清洁能源和可再生能源的 研发与利用已经引起各国的广泛重视。锂电池早在 20 世纪 90 年代就开始应用，随着对其研究的不断深入，世界各国都普遍 认为锂电池将成为 21 世纪的主要候选动力能源之一。
锂电池的显著优势在于其比能量高、循环寿命长、自放电 率低、无记忆效应和环境污染[1]。当今世界各国的科研人员对 锂电池的研究热点主要集中在大容量、长寿命和安全性三个 方面。现已经在电池设计、正负极材料制备工艺、电解液及其 添加剂改进、电池生产工艺和一体化电池保护电路等方面同 样进行了深入研究，并将大量研究成果应用于生产实践中。
图 ２ 电容均衡器
转换到指定的低能量的电池上去，由于同轴线圈存在一定的 能量损耗，使得均衡效率降低，也造成均衡电路体积增大，同 时线圈绕组较难控制，且成本也相对较高，目前应用得较少。 如图 3 所示基于变压器的能量非耗散型均衡电路。
图 ３ 变压器均衡器 现在还出现了一种基于总线的均衡方式，把电压高的单 体电池多余的能量通过 DC/AC 变换，变压器耦合后，将多余 的能量传递到总线上，然后再利用 AC/DC 模块，把多余的电 量转移到电池组中电压低的单体电池中。这也是一种能量非 耗散型均衡方式，而且这种均衡方式传递的效率较高，且易于 模块化，适合串联数量比较多的大容量电池组，但是使用成本 相对也比较高。 随着便携式设备整合了更多功能，为了满足消费者对电 池续航力的追求，这意味着锂电池的操作电压范围必须不断 往高低两端延伸，以应付未来的功能整合所需。锂电池管理方 案未来的发展方向之一是扩展电池的工作电压范围，以及电 池在不同的输出电压状态下都能维持高档的能源转换效率。 目前位居电源管理元件全球前五强的 National Semiconductors、TI、Linear Technology、Freescale、Maxim，无一不向此方向 努力探索。 目前，各大公司都对电池管理系统（BMS）推出了一些电 池管理芯片。ATMEL 公司的 ATA6870 每颗芯片可同时监控 6 个单体电池，最多可级联 16 颗芯片，ATA6871 每颗芯片可监 测 4～6 个单体电池，最多可级联 16 颗芯片。此种芯片需要配 置微处理器实现对电池的电压、电流等的检测。ISL78600 单颗 芯片可监控 6～12 个单体电池，具有电压温度检测，SOC 预测 等功能。Linear Technology 开发的专用于锂离子电池组电压检 测的电池管理芯片有：LTC6802-1 多节电池的电池组监视器可 测量多达 12 个串联锂离子电池的电压(最大值为 60 V)，采用 可堆叠式架构可以实现测量电压高于 1 000 V 的系统。Maxim 公司的 Max11080、Max11068 单颗芯片可监测 1～12 个单体 电池，最多可以 31 颗芯片级联。TI 公司的 BQ77PL900 可监控 5～10 个单体电池，具有主动均衡功能，可独立管理电池系统。