1、手机锂离子电池与电芯的基本知识doc 16页手机锂离子电池与电芯的基本知识（doc 16页）第一节 锂离子电池的基本知识一般而言,锂离子电池有三部分构成: 1.锂离子电芯 2.保护电路(PCM) 3.外壳即胶壳电池的分类从锂离子电池与手机配合情况来看,一般分为外置电池和内置电池,这种叫法很容易理解,外置电池就是直接装在手上背面,如: MOTOROLA 191,SAMSUNG 系列等;而内置电池就是装入手机后,还另有一个外壳把其扣在手机电池内,如:MOTOROLA998,8088,NOKIA的大部分机型1.外置电池 外置电池的封装形式有超声波焊接和卡扣两种: 包标的电池就很多了,如前两年很浒的M
2、OTO998 ,8088了.第二节 锂离子电芯的基本知识锂离子电芯是一种新型的电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中，只有锂离子在正负极间往来运动，电极和电解质不参与反应。锂离子电芯的能量容量密度可以达到300Wh/L，重量容量密度可以达到125Wh/L。一、 电芯原理锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳定。其反应示意图及基本反应式如下所示：二、 电芯的构造 电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用
3、纳米碳。 根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走XLi后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。通过研究发现当X0.5时Li1-XCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值，一般充电电压不大于4.2V那么X小于0.5 ，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但
4、化成之后必须有一部分Li留在负极C6中，心以保证下次充放电Li的正常嵌入，否则电芯的压倒很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压4 .2V，放电下限电压2.5V。三、 电芯的安全性 电芯的安全性与电芯的设计、材料及生产工艺生产过程的控制等因素密切相关。在电芯的充放电过程中，正负极材料的电极电位均处于动态变化中，随着充电电压的增高，正极材料（LixCoO2）电位不断上升，嵌锂的负极材料（LixC6）电位首先下降，然后出现一个较长的电位平台，当充电电压过高（ 4.2V）或由于负极活性材料面密度相对于正极材料面密度(C/A)比值不足时,负
5、极材料过度嵌锂，负极电位则迅速下降，使金属锂析出(正常情况下则不会有金属锂的的析出)，这样会对电芯的性能及安全性构成极大的威胁。电位变化见下图：在材料已定的情况下，C/A太大，则会出现上述结果。相反，C/A太小，容量低，平台低，循环特性差。这样，在生产加工中如何保证设计好的C/A比成了生产加工中的关键。所以在生产中应就以下几个方面进行控制：1.负极材料的处理1)将大粒径及超细粉与所要求的粒径进行彻底分离，避免了局部电化学反应过度激烈而产生负反应的情况，提高了电芯的安全性。2）提高材料表面孔隙率，这样可以提高10%以上的容量，同时在C/A 比不变的情况下，安全性大大提高。处理的结果使负极材料表面
6、与电解液有了更好的相容性，促进了SEI膜的形成及稳定上。2.制浆工艺的控制1)制浆过程采用先进的工艺方法及特殊的化学试剂，使正负极浆料各组之间的表面张力降到了最低。提高了各组之间的相容性，阻止了材料在搅拌过程“团聚”的现象。2)涂布时基材料与喷头的间隙应控制在0.2mm以下，这样涂出的极板表面光滑无颗粒、凹陷、划痕等缺陷。3)浆料应储存6小时以上，浆料粘度保持稳定，浆料内部无自聚成团现象。均匀的浆料保证了正负极在基材上分布的均匀性，从而提高了电芯的一致性、安全性。3.采用先进的极片制造设备1)可以保证极片质量的稳定和一致性，大大提高电芯极片均一性，降低了不安全电芯的出现机率。2)涂布机单片极板
7、上面密度误差值应小于2%，极板长度及间隙尺寸误差应小于2mm。3)辊压机的辊轴锥度和径向跳动应不大于4m，这样才能保证极板厚度的一致性。设备应配有完善的吸尘系统，避免因浮尘颗粒而导致的电芯内部微短路，从而保证了电芯的自放电性能。4)分切机应采用切刀为辊刀型的连续分切设备，这样切出的极片不存在荷叶边，毛刺等缺陷。同样设备应配有完善的吸尘系统，从而保证了电芯的自放电性能。4.先进的封口技术目前国内外方形锂离子电芯的封口均采用激光（LASER）熔接封口技术，它是利用YAG棒（钇铝石榴石）激光谐振腔中受强光源（一般为氮灯）的激励下发出一束单一频率的光（=1.06mm）经过谐振折射聚焦成一束，再把聚焦的
8、焦点对准电芯的筒体和盖板之间，使其熔化后亲合为一体，以达到盖板与筒体的密封熔合的目的。为了达到密封焊，必须掌握以下几个要素：1)必须有能量大、频率高、聚焦性能好、跟踪精度高的激光焊机。2)必须有配合精度高的适用于激光焊的电芯外壳及盖板。3)必须有高统一纯度的氮气保护，特别是铝壳电芯要求氮气纯度高，否则铝壳表面就会产生难以熔化的Al2O3（其熔点为2400）。四、电芯膨胀原因及控制 锂离子电芯在制造和使用过程中往往会有肿胀现象，经过分析与研究，发现主要有以下两方面原因：1锂离子嵌入带来的厚度变化电芯充电时锂离子从正极脱出嵌入负极，引起负极层间距增大，而出现膨胀，一般而言，电芯越厚，其膨胀量越大。
9、2 工艺控制不力引起的膨胀 在制造过程中，如浆料分散、C/A比离散性、温度控制都会直接影响电芯电芯的膨胀程度。特别是水，因为充电形成的高活性锂碳化合物对水非常 敏感，从而发生激烈的化学反应。反应产生的气体造成电芯内压升高，增加了电芯的膨胀行为。所以在生产中，除了应对极板严格除湿外，在注液过程中更应采用除湿设备，保证空气的干燥度为HR2%，露点（大气中的湿空气由于温度下降,使所含的水蒸气达到饱和状态而开始凝结时的温度）小于-40。在非常干燥的条件下，并采取真空注液，极大地降低了极板和电解液的吸水机率。五、铝壳电芯与钢壳电芯安全性比较 铝壳相对于钢壳具有很高的安全优势，以下是不同的压力实验：注：压
10、力是电芯压力为电芯内部之压力（单位：Kg），表内数据为电芯之厚度(单位：mm)由此可见钢壳对内压反映十分迟钝，而铝壳对内压反应却十分敏锐。因此从厚度上就基本能判断出电芯的内压，而钢壳电芯往往隐含着内压带来的不安全隐患。其中钢壳电芯型号为063448。第三节 锂离子电池保护线路(PCM)由第二节锂离子电芯的知识我们可以看出,锂离子电池至少需要三重保护-过充电保护,过放电保护,短路保护,那么就应而产生了其保护线路,那么这个保护线路针对以上三个保护要求而言: 过充电保护: 过充电保护 IC 的原理为：当外部充电器对锂电池充电时，为防止因温度上升所导致的内压上升，需终止充电状态。此时，保护 IC 需检
11、测电池电压，当到达 4.25V 时（假设电池过充点为 4.25V）即启动过度充电保护，将功率 MOS 由开转为切断，进而截止充电。 过放电保护: 过放电保护 IC 原理：为了防止锂电池的过放电，假设锂电池接上负载，当锂电池电压低于其过放电电压检测点（假定为 2.5V）时将启动过放电保护，使功率 MOSFET 由开转变为切断而截止放电，以避免电池过放电现象产生，并将电池保持在低静态电流的待机模式，此时的电流仅 0.1uA。 当锂电池接上充电器，且此时锂电池电压高于过度放电电压时，过度放电保护功能方可解除。另外，考虑到脉冲放电的情况，过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。 过放电保护及过充电
12、保护IC主要生产厂家有:美上美(MITSUMI),精工,台湾富晶(DW01,FS301,302),理光,MOTOROLA等封装形式主要为SOT26,SOT6 过电流及短路电流因为不明原因（放电时或正负极遭金属物误触）造成过电流或短路，为确保安全，必须使其立即停止放电。 过电流保护 IC 原理为，当放电电流过大或短路情况产生时，保护 IC 将启动过（短路）电流保护，此时过电流的检测是将功率 MOSFET 的 Rds(on) 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形，如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电，运算公式为: V- = I Rds(on) 2（V- 为过电流检测电压，I 为放电电流）。 假
13、设 V- = 0.2V，Rds(on) = 25m，则保护电流的大小为 I = 4A。 同样地，过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。 通常在过电流产生后，若能去除过电流因素(例如马上与负载脱离)，将会恢复其正常状态，可以再进行正常的充放电动作。一、激光焊接的主要特性。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。
14、高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：1、速度快、深度大、变形小。2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定
15、位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来， 在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。但是，激光焊接也存在着一定的局限性：1、要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。2、激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。 二、激光焊接
16、热传导。激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，使金属熔化形成焊接。在激光与金属的相互作用过程中，金属熔化仅为其中一种物理现象。有时光能并非主要转化为金属熔化，而以其它形式表现出来，如汽化、等离子体形成等。然而，要实现良好的熔融焊接，必须使金属熔化成为能量转换的主要形式。为此，必须了解激光与金属相互作用中所产生的各种物理现象以及这些物理现象与激光参数的关系，从而通过控制激光参数，使激光能量绝大部分转化为金属熔化的能量，达到焊接的目的。三、激光焊接的工艺参数。1、功率密度。功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，
17、产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在104106W/CM2。2、激光脉冲波形。激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有6098%的激光能量反射而损失掉，且反射率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很大。3、激光脉冲宽度。脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数
18、。4、离焦量对焊接质量的影响。激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。离焦方式有两种：正离焦与负离焦。焦平面位于工件上方为正离焦，反之为负离焦。按几何光学理论，当正负离做文章一相等时，所对应平面上功率密度近似相同，但实际上所获得的熔池形状不同。负离焦时，可获得更大的熔深，这与熔池的形成过程有关。实验表明，激光加热50200us材料开始熔化，形成液相金属并出现问分汽化，形成市压蒸汽，并以极高的速度喷射，发出耀眼的白光。与此同时，高浓度汽体使液相金属运动至熔池边缘，在熔池中心形成凹陷。当负离焦时，材料内部功
19、率密度比表面还高，易形成更强的熔化、汽化，使光能向材料更深处传递。所以在实际应用中，当要求熔深较大时，采用负离焦；焊接薄材料时，宜用正离焦。四、激光焊接工艺方法。1、片与片间的焊接。包括对焊、端焊、中心穿透熔化焊、中心穿孔熔化焊等4种工艺方法。2、丝与丝的焊接。包括丝与丝对焊、交叉焊、平行搭接焊、T型焊等4种工艺方法。3、金属丝与块状元件的焊接。采用激光焊接可以成功的实现金属丝与块状元件的连接，块状元件的尺寸可以任意。在焊接中应注意丝状元件的几何尺寸。4、不同金属的焊接。焊接不同类型的金属要解决可焊性与可焊参数范围。不同材料之间的激光焊接只有某些特定的材料组合才有可能。五、激光钎焊。有些元件的
20、连接不宜采用激光熔焊，但可利用激光作为热源，施行软钎焊与硬钎焊，同样具有激光熔焊的优点。采用钎焊的方式有多种，其中，激光软钎焊主要用于印刷电路板的焊接，尤其实用于片状元件组装技术。采用激光软钎焊与其它方式相比有以下优点：1、由于是局部加热，元件不易产生热损伤，热影响区小，因此可在热敏元件附近施行软钎焊。2、用非接触加热，熔化带宽，不需要任何辅助工具，可在双面印刷电路板上双面元件装备后加工。3、重复操作稳定性好。焊剂对焊接工具污染小，且激光照射时间和输出功率易于控制，激光钎焊成品率高。4、激光束易于实现分光，可用半透镜、反射镜、棱镜、扫描镜等光学元件进行时间与空间分割，能实现多点同时对称焊。5、
21、激光钎焊多用波长1.06um的激光作为热源，可用光纤传输，因此可在常规方式不易焊接的部位进行加工，灵活性好。6、聚焦性好，易于实现多工位装置的自动化。六、激光深熔焊。1、冶金过程及工艺理论。激光深熔焊冶金物理过程与电子束焊极为相似，即能量转换机制是通过“小孔”结构来完成的。在足够高的功率密度光束照射下，材料产生蒸发形成小孔。这个充满蒸汽的小孔犹如一个黑体，几乎全部吸收入射光线的能量，孔腔内平衡温度达25000度左右。热量从这个高温孔腔外壁传递出来，使包围着这个孔腔的金属熔化。小孔内充满在光束照射下壁体材料连续蒸发产生的高温蒸汽，小孔四壁包围着熔融金属，液态金属四周即围着固体材料。孔壁外液体流动
22、和壁层表面张力与孔腔内连续产生的蒸汽压力相持并保持着动态平衡。光束不断进入小孔，小孔外材料在连续流动，随着光束移动，小孔始终处于流动的稳定态。就是说，小孔和围着孔壁的熔融金属随着前导光束前进速度向前移动，熔融金属填充着小孔移开后留下的空隙并随之冷凝，焊缝于是形成。2、影响因素。对激光深熔焊产生影响的因素包括：激光功率，激光束直径，材料吸收率，焊接速度，保护气体，透镜焦长，焦点位置，激光束位置，焊接起始和终止点的激光功率渐升、渐降控制。3、激光深熔焊的特征及优点。特征：（1）高的深宽比。因为熔融金属围着圆柱形高温蒸汽腔体形成并延伸向工件，焊缝就变得深而窄。（2）最小热输入。因为源腔温度很高，熔化
23、过程发生得极快，输入工件热量极低，热变形和热影响区很小。（3）高致密性。因为充满高温蒸汽的小孔有利于熔接熔池搅拌和气体逸出，导致生成无气孔熔透焊接。焊后高的冷却速度又易使焊缝组织微细化。（4）强固焊缝。（5）精确控制。（6）非接触，大气焊接过程。优点：（1）由于聚焦激光束比常规方法具有高得多的功率密度，导致焊接速度快，热影响区和变形都较小，还可以焊接钛、石英等难焊材料。（2）因为光束容易传输和控制，又不需要经常更换焊炬、喷嘴，显著减少停机辅助时间，所以有荷系数和生产效率都高。（3）由于纯化作用和高的冷却速度，焊缝强，综合性能高。（4）由于平衡热输入低，加工精度高，可减少再加工费用。另外，激光焊
24、接的动转费用也比较低，可以降低生产成本。（5）容易实现自动化，对光束强度与精细定位能进行有效的控制。4、激光深熔焊设备。激光深熔焊通常选用连续波CO2激光器，这类激光器能维持足够高的输出功率，产生“小孔”效应，熔透整个工件截面，形成强韧的焊接接头。就激光器本身而言，它只是一个能产生可作为热源、方向性好的平行光束的装置。如果把它导向和有效处理后射向工件，其输入功率就具有强的相容性，使之能更好的适应自动化过程。为了有效实施焊接，激光器和其他一些必要的光学、机械以及控制部件一起共同组成一个大的焊接系统。这个系统包括激光器、光束传输组件、工件的装卸和移动装置，还有控制装置。这个系统可以是仅由操作者简单
25、地手工搬运和固定工件，也可以是包括工件能自动的装、卸、固定、焊接、检验。这个系统的设计和实施的总要求是可获得满意的焊接质量和高的生产效率。七、钢铁材料的激光焊接。1、碳钢及普通合金钢的激光焊接。总的说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量。就象其它焊接工艺一样，硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。为了获得满意的焊接质量，碳含量超过0.25%时需要预热。当不同含碳量的钢相互焊接时，焊炬可稍偏向低碳材料一边，以确保接头质量。低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊接。低碳镇静钢由于低的杂质含量，焊接效果就很好。中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后处理，以消除应
26、力，避免裂纹形成。2、不锈钢的激光焊接。一般的情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接头。由于高的焊接速度热影响区很小，敏化不成为重要问题。与碳钢相比，不锈钢低的热导系数更易于获得深熔窄焊缝。3、不同金属之间的激光焊接。激光焊接极高的冷却速度和很小的热影响区，为许多不同金属焊接融化后有不同结构的材料相容创造了有利条件。现已证明以下金属可以顺利进行激光深熔焊接：不锈钢低碳钢，416不锈钢310不锈钢，347不锈钢HASTALLY镍合金，镍电极冷锻钢，不同镍含量的双金属带。革新中的手机能源技术目前人们经常遇上这种扫兴的情况：手机用上几天就没电了，甚至在紧要时刻没法跟外界交流。因此随着手机功
27、能的增强以及耗电量大的彩屏手机、PDA手机、有数码相机功能的手机等的普及，很多厂商都在研发新一代的手机电池。在手机上，目前用得最多的锂离子电池已经不能满足当今手机对电力的需求。一定体积、重量的锂离子电池只能存储一定容量的电能，这个限定就叫做比能量。虽然锂离子电池的比能量相对于以前的电池已经很高了，但是由于现代手机对于体积和重量的要求，不能通过增大电池体积的方法来增加电池的容量，所以只能寻找更高比能量的电池。锂离子电池虽然不含铅、镉、汞等对环境有害的重金属物质，但是锂电池对于环境依然有害。此外，锂离子电池对充电的要求很高，要求精密的充电电路以保证充电的安全。同时锂离子电池的价格还是处在相对较高的
28、水平。一种新的物质橄榄磷酸锂不久前已由美国麻省理工学院实验成功，其导电性能超过目前用于商品电池的导电材料的许多倍，这意味着可以开发出电存储容量极高的锂电池。实验表明，电极采用橄榄磷酸锂的电池的电存储容量及产生的电能，比目前的锂电池高出每克1020。最近出现的金属锂电池可以说是传统锂离子电池的改进型，也是目前比较受厂家瞩目的一种新型材料电池。锂金属电池的质量比能量是锂聚合物电池和锂离子电池的8倍，而且关键是它直接采用了锂金属，最大特点在于能充分发挥负极金属材料的电池反应，使新型电池的能源储备量达到传统锂离子电池的两倍以上，而在放电容量方面，甚至能达到传统产品的10倍。更可贵的是锂金属电池不会有记
29、忆效应，自放电率为每个月1至2，非常小。鉴于用手机传输数据要消耗大量电能，而今后普及应用第三代手机打电话的时间将更长，用户将上网下载数据或是查寻信息，因此近年来用燃料电池取代手机锂电池的呼声渐高。与现有储存电能的封闭电池不同的是，燃料电池是一种开放式的设备，它使用可再次充填的能源，例如甲醇或天然气，然后将其转变为电能。分析人士指出，随着手机和其他移动设备的日益普及，燃料电池必将有一天取代锂电池。日本最大的手机制造商NEC公司正在研制一种使用甲醇和纳米技术的燃料电池，该公司表示这种电池的电能储量将是普通锂电池的10倍，这意味着使用现有型号手机的用户在一个月内不用对手机进行充电，或者持续24小时使
30、用笔记本电脑。NEC表示将在2005年前推出商用手机燃料电池。英国伯明翰大学的科学家则另辟蹊径，不久前开发出一种只有几毫米大小的微型发动机，有望用在手机等携带式设备上。别看这种小到可以放在指甲盖上的发动机样子不起眼，但提供的能量却是普通电池的300倍。科学家甚至还“异想天开”：用糖为手机提供能源。去年2月，两位美国科学家宣布，他们已发明出世界上第一粒能效高的“细菌电池”。原来，电池电力来源是地下土壤中的细菌，它们可以消耗糖分，将能量转换成电力。这种细菌名叫Rhodoferaxferriducens，生长在弗吉尼亚州牡蛎湾附近地下深处没有空气的沉积层中，被看作很有前途的糖分氧化介质。通常微生物电池一般的能效只有普通电池的“10或者不到10”，而这种新型细菌电池的能效是83。人们相信，手机所需的能源随着手机技术的发展将不断趋于完善。
