锂聚合物电池的应用 (图解教程)

锂聚合物电池的开发与应用
　　信息化浪潮席卷全球，便携式通信机器、便携式计算机器、个人数字辅助（PDA）设备等日新月异，成为信息化社会的宠物。以CD、MD为代表的随身听音响机器成了新的时尚。追求高性能、低功耗、多功能，实现信息、通信机器的小、轻、薄已是强大的发展潮流。超薄、超轻、超小型二次电池是便携式电子机器的基本保证，可以说没有前者就不会有后者。锂聚合物电池是可以满足便携式电子机器要求，很有发展前途和应用潜力的二次电池。本文概要介绍锂聚合物电池的发展动向、性能、特征及应用前景。
2电子机器与二次电池
　　从电子机器与二次电池的匹配上考虑，把握其发展动向是极其重要的。
　　图1示出由于半导体集成电路工作电压的不断降低所带来的电子系统的低功耗化，图2示出由此产生的设计技术的变化。显而易见，低电压化的变革势不可挡。例如，数字化携带电话的重量在近5年间减少了三分之二还多，出现了重量不到50克的移动电话，厚度越来越薄。由此可见，对作为工作电源的二次电池的体积、重量的要求多么苛刻。
3聚合物电池的分类
　　广义解释聚合物电池，按照使用的电极材料，聚合物材料可以分类3类：1?聚碳酸脂、活性硫磺材料等的正极聚合物电池；2?聚合物和支持盐构成的干聚合物电池；3?在干聚合物中添加有机电解液等材料以提高离子传导性的凝胶聚合物电池。这里，只介绍后两种聚合物电池的结构、特点、性能及工作安全性。
 
图1电子系统与IC工作电压的关系
 
图2IC的功耗、工作电压与系统的关系
表1聚合物电解质的性能
性能  干SPE  凝胶型SPE  多孔型SPE
  物理交联  化学交联  
温度  低温  室温  高温  低温  室温  高温  低温  室温  高温  低温  室温  高温
导电率  ×  ×  ○  △～○  ○  ○  △～○  ○  ○  ○  ○  ○
机械强度  ○  ○  ○  ○  ○  ×～△  ○  ○  ○  ○  ○  ×～△
保持性  /  /  /  △  △  ×～△  ○  ○  ○  ○  ○  ×～△
安全性  ○  ○  ○  ○  ○  △  ○  ○  ○  ○  ○  △
注：低温<0℃，室温=20℃，高温>80℃。○：好；△：中；×：差
 
图3锂聚合物电池的结构
 
图4锂聚合物电池的充电特性
 
图5锂聚合物电池的放电特性
　　1973年，P?V.Right发现了离子在高分子材料中传导的现象。1978年，M.B.Armand等人提出在电池和电子器件中可以应用固体电解质，此后，聚合物电池的开发和研究日渐活跃起来。
　　聚合物电解质大体上分为3类，即干聚合物、在干聚合物中添加有机溶剂的凝胶体聚合物和在以PVDF为代表的多孔矩阵材料中添加有机溶剂的多孔型聚合物电解质。表1示出这3种聚合物电解质的性能。最初的干聚合物的离子传导性为10－7s/cm，经过改良后，室温下的传导性达到10－4s/cm。但是，这还难以适用于常温工作的电子器件。在干聚合物中添加可塑剂的凝胶型聚合物电解质，传导性提高到10－3s/cm，向实用化迈进了一大步。
　　有些厂家使用的聚合物电解质是含有可塑剂的聚乙烯氧化物和聚丙烯氧化物随机重合制成的凝胶聚合物电解质。
4锂聚合物电池的结构
　　图3示出一种积层型锂聚合物电池的结构。这是将正极（LiCoO2）/凝胶型聚合物电解质/碳和石墨系电池组分锯齿型弯曲或叠加成平板、用铝积层包封的电池结构。
　　人们正在研究用Ni系或Mn系材料作为正极活性物的聚合物电池，但还达不到实用化水平。负极活性物是具有平坦放电电压曲线的石墨系和具有平稳放电斜率的硬碳系材料。现在问世的锂聚合物电池只有两种规格：厚度为1.5mm、容量为175mAh和携带电话用的厚度为3.6mm、容量为500mAh的电池。
5锂聚合物电池的性能
　　图4示出采用恒流恒压充电的0.2CmA和0.5CmA充电量的充电特性。为了保持电池的基本性能，将充电电压的上限设定为4.1V。图5示出从0.2CmA到1CmA放电速率的放电特性。图6示出从60℃－10℃的放电特性，对比25℃下的情况，－10℃下的容量达到85％。为了保持电池的基本性能，放电电压的下限设定为2?7V。图7示出电池的循环试验性能。在20℃和60℃下放置28天的电池照片1日本YUASA公司生产的锂聚合物电池性能评价结果示于图8。在20℃下，电池容量保持率约为95％，与锂离子电池的性能大体相同。
 
图6锂聚合物电池的放电温度特性
 
图7PF500174（3?6V、200mAh）锂聚合物
电池的寿命（循环充放电）特性
 
图8锂聚合物电池的容量保持率
 
图9NPS－24V80电池的放电特性
 
图10各种锂电池的能量密度
　
6锂聚合物电池的安全性
　　使用安全性是一切二次电池的重要性能。不能安全使用的电池，无论其性能怎样好，都不会为人们所欢迎。表2示出没有保护电路的锂离子电池（方型）与锂聚合物电池的安全性比较。可以看出，与液体电池比较，锂聚合物电池更安全。
 
表2锂聚合物电池与方型锂离子电池的安全性比较
（均用无保护电路的裸电池）
评价项目  锂聚合物电池  锂离子电池
钉刺试验  不破裂不着火不漏液（温升不到20℃）  ○  破裂冒白烟漏液（温度升到250℃）  ×
热板加热（200℃）  不破裂不着火不漏液  ○  破裂着火漏液  ×
外部短路  不破裂不着火不漏液（温升不到20℃）  ○  不破裂不着火漏液（温升100℃左右）  △
过充电  不破裂不着火不漏液（温升不到20℃）  ○  破裂漏液（温升100℃左右）  ×
表3示出锂聚合物电池的各种安全试验结果。电池的尺寸为74mm×54mm×2.2mm，容量为400mAh。在没有保护电路的电池中，即使进行1CmA的6小时强制性放电和充电，也没有发现电池破裂或着火。完全充电后的电池在60℃下放置2天后，用直径为3mm的钉子刺孔，在温度达到10℃左右时没有出现破裂和着火。在冲击试验中，虽然将电池分成二段，仍然没有破裂和着火。由此可见，这种锂聚合物电池比液态电解质电池的安全性更好。为了维持电池的基本性能，给这种电池设定了防止过充电电压和过放电电压。照片1是日本YUASA公司生产的锂聚合物电池的外貌。表4示出这种电池的性能规范。
7锂聚合物电池的用途
　　目前，锂聚合物电池的开发还处于初期阶段，生产技术还不成熟，还未大批量生产和上市，只是在个别便携式电子机器中使用。下面简单介绍几点应用情况。
7?1在固体音响中的应用
　　日本NTT公司和神户制钢所共同开发制造一种全部用半导体IC构成的卡片式网络音响机器，
表4锂聚合物电池的性能（型号：LIP－RF510175P）
容量/mAh(0.2CmA,20℃)电压/V尺寸/mm  1753.651(宽)×75（长）×1?5（厚）
重量/g充电电压/V充电时间/h温度范围/℃放电电压/V温度范围/℃贮存温度范围/℃循环寿命(0.2CmA充放电)  9上限4?1标准时间8h,快充电时间3h10～45下限2?70～60－20～45>300
 照片2SolidAudio的外观
表3锂聚合物电池的安全性试验结果
试验项目  试验内容  试验结果
强制放电  
电池温度：28℃→38℃（最高）电池厚度：2.12mm→2.17mm不破裂不着火
异常放电  
电池温度：28℃→42℃（最高）压力上升3.2kg,膨胀大约6mm不破裂不着火
高温钉刺  
60℃，放置2天后用直径为3mm的钉子刺孔。  温度上升到大约10℃不破裂不着火
撞击试验  
将9.1kg重的钢块从61cm的高处下落到放在电池上的金属圆棒上。  温度上升到大约40℃，分成两段，不漏液不破裂不着火
扭曲  
弯曲成圆筒型（R=250、90、70、35、5）  电压无变化
针剌  
用大头针刺6次再充放电。  电池温度25℃→最高46℃不破裂不着火充放电时不漏液
是随身听固体音响（SolidAudio）,从网络上直接下载声频信号。该卡片式音响机的厚度为8mm，重量只有45g，包括锂聚合物电池的重量在内。
　　该机采用NTT公司的高品质音频压缩技术“TwinVQ”实现MPEG－1/AudioLayer3,获得更高压缩率和与CD相同的高品质音乐及再生音乐。表5示出这种固体音响的性能规范，照片2是它的外观。
表5SolidAudio的性能
存储媒体压缩方式处理器压缩率采样频率音质录音时音（16MB）使用的电池连续再生时间最大外形尺寸/mm重量（含电池）/g  SmartMedia(8MB～64MB)TwinVQ(也适应其他方式)DSP（ti公司的C54×）＋微电脑H8与原音之比约为1/1844.1kHz,22kHz,11kHzCD频带，FM频带，AM频带25分钟50分钟100分钟锂聚合物电池约3小时85.4(高)×54?0（宽）×8?4（厚）45
7?2在不间断电源（UPS）中的应用
　　加拿大的一些公司正在生产氧化钒正极/干聚合物电解质/金属锂负极的电池，应用对象是作为比较大的不间断电源和能接收美国ABC幻影的电动汽车电池。由于离子导电性很好，这种电池可在60℃左右的环境温度下工作。表6示出UPS用电池的性能规范。电池的容量为24V80Ah，工作温度比铅电池高得多。图9示出这种电池的放电特性，与使用金属锂作为负极的锂离子电池和凝胶型锂聚合物电池大不相同。
表6UPS用电池的性能
标称电压/V额定容量（在C/8）下/Ah最大放电电流/A浮充电压/V尺寸/mm（英寸）重量/kg（英镑）工作环境温度/℃(?)贮存温度/℃(?)浮充寿命(40℃/104?)循环寿命(60℃/140?)  2480203.1/单节28/电池组长394（15.5），宽176（6?9），高251（9?9）20(441)－40～65(－104～149)－40～80(－104～176)10年以上200次/80％DOD
图10示出各种锂电池的能量密度。可以看出，凝胶聚合物电池的放电率更高，还可进一步改善低温性能。聚合物电池的轻薄性和易加工性是其他电池无法相比的，这种厚度小于4mm的电池，在移动通信和便携式计算中也有巨大的应用潜力。