電子報/2023年/4月/22日/第013版
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鋰電池的相關基本知識(四)
河北張天星
(緊接上期本版)
(3)電化學極化
這種極化是由於電極表層進行的電化學反應的速度，即溶液鋰離子得到或失去電子的速度遠遠落後於電極上電子運動的速度(光速)造成的。因而乙個極板上堆積電子，另乙個極板則缺少電子，這種現象稱為電化學極化，當充電或放電電流停止後消失速度比離子擴散的速度稍快。電化學極化經常和濃差極化重疊在一起。
需要指出的是，正是電化學極化的存在，充電才能得以進行，使電能轉化為化學能。
五、鋰電池標識
根據iec61960標準，二次鋰電池的標識如下:
1.電池標識組成3個字母後跟5個數字(圓柱形)或6個數字(方形)。
2.第乙個字母表示電池的負極材料，i表示有內建電池的鋰離子，l表示鋰金屬電極或鋰合金電極。
3.第二個字母表示電池的正極材料，c基於鑽的電極，n基於鎳的電極，m基於錳的電極，v基於釩的電極。
4.第三個字母表示電池的形狀，r表示圓柱形電池，l表示方形電池。
5.數字，圓柱形電池5個數字，分別表示電池的直徑和高度。直徑的單位為mm，高度的單位為%mm。
直徑或高度任一尺寸大於或等於100mmm時，兩個尺寸之間應加一條斜線。方型電池的6個數字，分別表示電池的厚度、寬度和高度(單位mm)三個尺寸任乙個大於或等於100mm 時，尺寸之間應加斜線，三個尺寸中若有任一小於1mm，則在此尺寸前加字母t，此尺寸單位為1/10mm。
例如:icrl8650表示乙個圓柱形二次鋰離子電池，正極材料為鑽，其直徑約為18mm，高約為65mmm。icp083448表示乙個方形二次鋰離子電池，正極材料為鑽，其厚度約為8mm，寬度約為34mm，高約為48mm。
icp08/34/150表示乙個方形二次鋰離子電池，正極材料為鑽，其厚度約為8mm，寬度約為34mm，高約為150mm。icpt73448表示乙個方形二次鋰離子電池，正極材料為鈷，其厚度約為0.7mm，寬度約為34mm，高約為48mm。
目前，國內還是各廠商自立標準。所以無論配套還是經銷鋰電池，一定要向廠商索取資料。
六、過充電與過放電問題
1.過充、過放對鉛酸蓄電池的影響
(1)鉛酸蓄電池的構造
鉛酸蓄電池是由浸漬在電解液中的正極板(二氧化鉛pb02)和負極板(海綿狀純鉛pb)組成的，電解液是硫酸(h2so4)的水溶液。
當蓄電池和負載接通放電時，正極板上的pbo2和負極板上的pb都變成pbs04，電解液中的h2504減少，相對密度下降。
充電時按相反的方向變化：正極板上的pbs04還原成過氧化鉛pb02；負極板上的pbs04還原成絨狀pb；電解液中的硫酸增加，相對密度變大。
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正極板的結構是板柵中填滿鉛膏，板柵是鉛的合金，鉛膏經生產時化成和使用後主要成分是α二氧化鉛(pb02)和β二氧化鉛(pb02)。負極板的結構也是板柵中填滿鉛膏，鉛膏經生產時化成和使用後主要成分是海綿狀(絨狀多孔)純鉛pb。
(2)過度放電和大電流深放電的惡果
將正極板的α二氧化鉛比作樹枝，β二氧化鉛比作樹葉，樹枝、樹葉都能參與光合反應，荷氧(電)量後者大於前者。正常充、放電時，只有β二氧化鉛和硫酸鉛(pbso4)來回轉換，相當於光合反應，α二氧化鉛不參與光合反應。
過度放電時，α二氧化鉛會被迫參與電化學反應，變為硫酸鉛。但是，充電時麻煩就來了，在酸性環境下硫酸鉛不能變回α二氧化鉛了，只能變為β二氧化鉛。陽極板沒有樹枝支撐就不堅固了。
業內稱這種現象叫「陽極軟化」，壽命會大大縮短。容量開始似乎有所提公升，但因樹葉很容易脫落，容量迅速下滑。脫落物還會造成自放電嚴重等問題。
大電流深度放電和過度放電一樣，會對陽極造成同樣不可逆的損壞。
(3)過充電的失與得
過充電一般會造成失水，適量補充合格的去離子水或二次蒸餾水即可。在鉛酸電池使用將近一年時，每個月用泳衝方式適當過充電，可以強制將電池拉均衡，延長整個電池組壽命。
2.過充、過放對鋰電池的危害
電子顯微鏡下，鋰電心負極為層狀結構，正極是一些有稜角晶體的堆積，形狀因陽極材料而異。
過放電的重要惡果是造成負極板層狀塌落。再充電時，限制了鑲嵌進負極板內鋰離子的數量和方便。容量下降、內阻增加、壽命縮短並不可以恢復。
過充電更可怕!
電池達到全充滿狀態，負極由鋰離子的嵌入反應變成鋰金屬在負極表面的沉積，溶劑被氧化(由過充而引起的溶劑氧化放出的熱量遠遠高於可逆狀態下鋰離子與溶劑反應放出的熱量)；隨著電池溫度的公升高，金屬鋰與溶劑、嵌鋰碳與溶劑的反應相繼發生，電池著火、**。隨著電解液的分解，粘結劑與鋰金屬也能反應。
過充後，極片上到處都是針狀鋰金屬結晶，剌穿隔膜會發生微短路。輕則，加劇自放電；重則晶枝短路電流造成電池溫度急劇公升高，電解液分解氣化。這種情形，不論是溫度過高使材料燃燒**，還是外殼先被撐破，使空氣進去與鋰金屬發生激烈氧化，都是以燃燒**收場。
總而言之，鋰電的死穴就是過放和過充。解決的方法就是給每個單心配套保護板。
七、鋰電心的保護板
鋰電池主要缺點有三個:①安全係數差容易燃燒和**，起因主要有外部短路、過壓持續充電、溫度過高使用、撞擊造成內短路；②過充電會造成不可逆損壞；③過放電同樣造成不可逆損壞減少壽命。
解決的方法，一方面從電心製造完善安全問題，降低燃燒和**的機率，另一方面就是配套保護板。
1.保護板的核心器件和電路簡介
(1)電子開關
保護板最基本的功能就是欠壓保護和過壓保護。欠壓保護另乙個代名詞叫放電保護；過壓保護另乙個代名詞叫充電保護。實際就是兩個開關:
充電時，單電心過壓，充電保護開關斷開，切斷充電電路；放電時，單電心到達截止電壓，放電保護開關斷開，切斷外電路放電。
無論放電保護開關還是充電保護開關，要求速度很快，只有電子開關才能勝任。綜合成本和內阻，nmos功率管是最佳選擇。電路圖符號見圖3(a)nmos管符號。
nmos即n溝道增強型場效電晶體，屬於電壓控制型半導體器件，有三條引線分別為漏極d、源極s和柵極g。正確的供電方式為漏極d高電位、源極s低電位，柵極g的電位控制著漏極d 源極s之間的導通和截止。把漏極d和源極s近似看作是乙個開關。
當g比s電位高、達到開啟電壓(手冊上vgs)時，d、s之間導通，相當於開關閉合；當gs 之間電壓為0v時，ds之間導電溝道被夾斷，相當於開關截止斷開。見圖3 nmos功率管(c)等效圖。
還必須介紹乙個生產實際，製造nmos管時，在漏極d和源極s之間自然生成乙隻矽二極體。這只矽二極體的正極p和源極d同極，矽二極體的負極n和漏極s同極，也就是等效開關還併聯著乙隻矽功率二極體。常稱這只客觀存在的矽二極體為寄生或者體二極體，實際應該表示為圖3(b)。
在設計、分析保護板時不可以忽視它的存在。本文在不可忽視寄生二極體作用的地方均採用圖3(b)nmos管實物完整符號。nmos管在正嚮導通時，屬於電子導電，d、s之間導通電阻很小、可到1omω級，見圖3(c)nmos管等效圖的左圖。
幾隻nmos管併聯正嚮導通時，可以按電阻併聯計算，電流從漏極流向源極，ds之間壓降很小，接近0v。此時，寄生二極體截止，對ds導通沒有任何影響。
nmos管截止時，ds之間電阻無窮大，見圖3(c)nmos管等效圖的中圖。此時，如果ds
之間加反電壓，即s電位高於d電位，見圖3(c)nmos管等效圖的右圖。請注意，該電壓對寄生
二極體pn結來說是正向偏置電壓。大家知道矽二極體正向偏置電壓小於0.5v，矽二極體保持截止，矽二極體正向偏置電壓大於0.
5v，開始導通，電流從p流向n，pn結的壓降從0.5v～0.7v →1v不等，電流小時保持在0.
5v～0.7v之間，電流大到一定程度保持在0.7v左右，再大可到1v。
二極體導通具有空穴導電的性質，才存在正向壓降類似指數曲線的特性。因此，幾隻二極體併聯導通也不能減小pn兩極之間的壓降。
小結:保護板nmos管正嚮導通時ds之間壓降近似0v；nmos「反嚮導通」時ds之間壓降恆定在0.7v～1v左右；寄生二極體的電流級別同nmos管。
(2)電壓比較器
電壓比較器是乙個積體電路，電路符號如圖4，電壓比較器(a)所示，有五個接線端:電源+正極，電源-負極；兩個輸入端，同相輸入端，反相輸入端；乙個輸出端，見圖4(a)電壓比較器電路符號。
為了敘述輸出和輸入的關係，用a代表同相輸入端，b代表反相輸入端，c代表輸出端。如圖4(b)電壓比較器輸入輸出關係所示。
同相輸入端電位高於反相輸入端，輸出高電位；同相輸入端電位低於反相輸入端，輸出低電位。規律非常好記:輸出總是和同相端相同，和反相端相反。
保護板的實際應用，有兩個電壓比較器，乙個用於充電過壓檢測，輸出控制充電保護開關的g；乙個用於放電截止電壓的檢測，輸出控制放電保護開關的g。
例如錳酸鋰電保護板，見圖5。圖(a)充電過壓保護:將充電過壓保護的電壓比較器的a接參考電位4.
2v，b接電心的正極。當b低於4.2v的a時，c輸出高電位，使充電保護開關接通，充電正常進行；當b高於4.
2v的a時，c輸出低電位，使充電保護開關切斷，充電停止。
再看圖5(b)放電欠壓保護，負責放電欠壓保護的電壓比較器的b，接參考電位3v，a接電心的正極，當a高於3v的b時，c輸出高電位，使放電保護開關接通，正常放電；當a低於3v 的b時，c輸出低電位，使放電保護開關切斷，對外放電停止。
(未完待續)
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