锂电池在使用过程中,过充电、过放电和过电流都会影响电池使用寿命和性能,严重者会导致锂电池燃烧、爆炸,现已出现手机锂电池爆炸致人伤亡的案例,经常出现IT和手机厂家召回锂电池产品的事件。所以每块锂电池都要安装一块安全保护板,由一块专用IC和若干个外部元件组成,通过保护环路有效监测并防止对电池产生损害,防止过充、过放和短路造成的燃烧、爆炸等危险。由于每个锂离子电池中都要安装一片电池保护IC,锂电池保护IC市场大得惊人,每年有几十亿美元的市场,专业的微电子生产商士兰微集团是生产「锂电池保护电路芯片」的龙头企业,公司生产的锂电池保护用集成电路,可比日本理光的产品媲美,而价格却低得多,市场潜力很大。
由于锂电池能量密度高,因此难以确保电池的安全性。在过度充电状态下,电池温度上升后能量将过剩,于是电解液分解而产生气体,因内压上升而产生自燃或破裂的危险;反之,在过度放电状态下,电解液因分解导致电池特性及耐久性劣化,因而降低可充电次数。锂电池保护电路包括过度充电保护、过电流/短路保护和过放电保护,要求过充电保护高精密度、保护IC功耗低、高耐压以及零伏可充电等特性。士兰微已开发了SA1412型号双节锂电池保护电路、SA45141型号3节或4节锂电池保护电路、SC8261G型号单节锂电池保护电路、SC121型号内置延时电容单节锂电池保护电路、 SC8201型号单节锂电池保护电路、
SC8821型号内置MOSFET的单节锂电池保护芯片,其中SA1412是锂电池保护用集成电路。当锂电池处于过放电、过充电以及过电流时,对锂电池起到保护作用。SC8821是内置MOSFET的单节锂电池保护芯片,为避免锂电池因过充电、过放电、电流过大导致电池寿命缩短或电池被损坏而设计的,SC8821具有高精确度的电压检测与时间延迟功能。
锂电池的过充、过度放电、过电流及短路保护很重要,否则严重者会导致燃烧、爆炸,致人伤亡,所以通常都会在电池包内设计保护线路用以保护锂电池,锂电池保护电路芯片是每一块锂电池的保护神,市场前景非常广阔。
3 锂电池发展的障碍
锂离子电池也存在许多缺陷:循环寿命短,充电电路复杂,对电池内部保护电路的要求很高等,尤其对全密封铝壳封装的锂离子电池来说,在其安全保护的设计上存在一个极其致命的缺陷。
3.1资源紧缺
地壳中锂元素的比例约为0.0065%,其丰度在各种元素中居第27位。海水中锂的总储量达2600亿t,但浓度太小,提炼困难。世界盐湖锂资源主要分布在智利、阿根廷、中国及美国。花岗伟晶岩锂矿床主要分布在澳大利亚、加拿大、芬兰、中国、津巴布韦、南非和
刚果。印度和法国也发现伟晶岩锂矿床,但是不具有商业开发价值,目前世界上只有少数国家拥有可经济开发利用的锂资源。
中南大学化学电源与材料研究所所长唐有根表示,即便是锂的成本和安全性的问题全部解决了,今后用锂电池替代汽油的话,也满足不了全部需求,因为这相当于用一种紧缺的资源去替代另一种紧缺的资源。
3.2冶炼污染
锂电池中含有的六氟磷酸锂、聚丙二乙烯(醇)等化学物质会对环境造成有机污染。其含有的鈷等重金属元素,也会对环境会造成危害,尤其是鈷,含量相对较高,属于稀有贵重金属,具有很高的回收价值。虽然锂电池本身的污染并不严重,但锂金属在提取冶炼过程中,对环境的污染不亚于汽油产生的污染。金属锂的工业生产方法主要有熔盐电解法和真空热还原法。熔盐电解法系采用氯化锂为原料,在熔融电解槽内电解时分解为金属锂和氯气,在阴极析出锂,在阳极析出氯气。电解进行时,氯化锂离解为锂离子,向阴极移动并放电,形成的金属锂通过熔盐逐渐上升到电解槽表面或到锂收集室。在阳极析出的氯气通过熔盐上升至出口排出或收集。该法的最大缺点是电解时产生氯气污染严重,且产品质量不易控制,生产成本高。
3.3安全问题
专家认为,市场上多半使用的高容量锂电池由于化学成分的不同,在发生质量问题时,容易出现爆炸伤人事故。而相对安全的是镍氢和镍鎘电池。锂元素过于活跃,它使用时不太安全,经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况,后来经过改进型的锂离子电池,加入了能抑制锂元素活跃的成分,从而使锂电提高安全标准和高效。
在锂电池发展过程中,因为采用的正负极材料及其配方不同,出现过爆炸、燃烧等不安全现象。主要是负极采用金属锂,经循环后产生枝晶,致使短路,出现燃烧爆炸;而正极材料采用鈷酸锂或镍鈷锂等,其化学活泼性较高,在石墨负极的配合下,一旦出现高温,容易发生爆炸燃烧。儘管实际发生的概率在十万分之一或百万分之一以上,但由于以手机及笔记本电脑等为主的电子消费品数量极大,使用范围极广,因此累计发生的安全事故绝对数量使人们感觉很多。由于这些电子消费品是人们日常生活相伴,不可或缺的用品,一旦发生安全问题,影响很大,致使人们「谈锂电池色变」。这种在电子数码产品中使用的锂电池的安全问题形成一种成见,开始影响电动助力车用锂电池。
锂电池的安全设计过分依赖其内部电子安全保护芯片,而没有设置必要的物理安全保护措施。在充电以及使用的过程中,一旦出现其安全保护芯片失效的故障,后果是不堪设想的,轻则出现电池内部气体积聚引起电池体涨鼓现象,重则可能因为发生电池内部短路等等异常而导致电池爆炸的悲剧发生。
3.4成本问题
相对于铅酸蓄电池,锂电池用于电动助力车的成本较高是一个突出的特点,也是影响锂电池大规模替代铅酸蓄电池用于电动助力车的关键。
锂电池的正极材料、负极材料、集流体、隔膜、电解质等主材价格比铅酸蓄电池高出很多,其组装辅材和外部电路系统成本则是铅酸蓄电池几乎没有的。虽然锂电池由于能量远高于铅酸蓄电池,因此单位功率的原辅材料成本并没有表现出来的成本差距那麼大,但是二者的材料成本差距确实存在,而且差距以倍数计。由于制作工艺的原因,锂电池的人工成本比较高。在制造成本中,锂电池的人工成本佔40%以上,而铅酸蓄电池的人工成本一般为10%~20%。锂电池在生产中大部分过程是不可逆的,而铅酸蓄电池是可逆修復的,因此锂电池的总体合格率较低。铅酸蓄电池使用之后的回收价值在40%以上,而锂电池的回收价值几乎是零。
4 锂电池的市场前景
目前动力电池主要是镍氢电池和锂电池2种形式,混合动力电池目前多采用镍氢材料,但由于镍氢电池的一些技术性能已经接近理论极限值,因此并不被认为是未来的发展方向。相对而言,锂电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量密度大、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长,得到广泛的认可。