李锦仪：蜂窝移动电话用锂离子电池简介

　　李锦仪

　　随着移动通信的迅猛发展蜂窝电话用的电池的作用也越来越重要，对电池的质量和功能也提出了更高的要求，这使电池技术不断的更新换代，更高更优的新品种电池不断的涌现。蜂窝电话用的电池也从镍镉电池(Ni-CD) 镍金属氢化物Ni-MH发展到效能更高的锂离子电池。本文主要对锂离子电池的特性及测试进行一些简单的介绍。

　　关键词：锂离子电池 蜂窝电话

　　蜂窝电话用电池的发展

　　众所周知在蜂窝电话用的电池主要有三种：镍镉电池、金属氢化物镍电池、锂离子电池。

　　镍镉电池和镍氢电池在电池质量、体积大、容量相对小，这些劣势正是锂离子电池的优势。毫无疑问由于锂离子电池的成本降低和安全问题的解决最终取代了镍镉电池和镍氢电池在移动终端产品的位置。而最新的锂聚合物电池(锂电池的新产品)在也应用在蜂窝电话上。

　　下面将简单的介绍一下这几种电池：

　　镍镉电池：镍镉电池是最早应用于手机的可充电电池。这种电池充电路简单，充电速度快，自放电率适中，但是有记忆效应(所谓记忆效应是指电池容量在每一次充放电的过程中电池容量减少)，对环境的污染严重，这也是这种电池被市场淘汰的主要原因。

　　镍氢电池：镍氢电池在很多方面都优于镍镉电池，可在大电流状态下充电，对环境的污染也小于镍镉电池。和镍镉电池一样镍氢电池也存在记忆效应，充电时间、充电温度都有些苛刻的要求，其电路也较复杂。但是性价比还不错，目前在一些低端的产品中还在使用。

　　锂离子电池：是目前各类手机电池中贮能密度最高的，可大大降低手机重量并延长待机时间，无记忆效应，AA尺寸的锂离子电池平均工作电压为3.6V，重量/能量比100WH/kg，体积/重量比225WH/1，自放电率8%每/月，工作温度范围在零下20℃至50℃之间。可见锂离子电池的综合性能优于镍氢镍镉电池，然而锂离子电池也有其缺点：锂离子电池的安全要求高，在电池上需配有保护元器件或保护电路以防止电池芯损坏。此外锂离子电池充电要求也很高，要保证终止电压精度在1%之内。成本略高，但目前量化生产成本已大幅度下滑。成为移动设备的主要供电源。

　　锂聚合物电池：锂聚合物电池是锂电池的新产品，其特点有无电池漏液问题,其电池内部不含液态电解液,使用胶态的固体，可制成薄型电池：如在电压为3.6V 容量为400mAh的电池，其厚度可薄至0.5mm，电池可设计成多种形状，电池可弯曲变形，高分子电池最大可弯曲90o左右，由于本身无液体，可在单颗内做成多层组合来达到高电压，容量将比同样大小的锂离子电池高出一倍。

　　锂离子电池的特点

　　蜂窝电话用的锂电池有多种，锂离子电池、新开发的锂-聚合物电池等。本文着重介绍一下锂离子电池，锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池，它根据不同的电子产品的要求可以做成扁平长方形、圆柱形、长方形及扣式，并且有由几个电池串联在一起组成的电池组。锂电池的最大特点是比能量高。比能量是指的是单位重量或单位体积的能量。

　　比能量＝Wh/kg或Wh/L(Wh是能量的单位，W是瓦、h是小时；kg是千克，L是升)。

　　Wh＝电池的额定电压×电池的额定容量

　　一般情况，锂离子电池比镍镉、镍氢电池的必能量高出2-3倍左右。锂离子电池的额定电压容量一般为3.6V也有的产品为3.7V。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：阳极材料为石墨的4.2V；阳极材料为焦炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大，其放电曲线也略有差别，一般称为4.1V锂离子电池及4.2V锂离子电池。锂离子电池的终止放电电压为2.5V～2.75V(电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同)。低于终止放电电压继续放电称为过放，过放对电池会有损害。锂离子电池也不适合用作大电流放电，过大电流放电时会降低放电时间(内部会产生较高的温度而损耗能量)。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。

　　锂离子电池对充电的要求是很高的，它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的±1%(例如，充4.2V的锂离子电池，其允差为±0.042V)，过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流(过热)。一般常用的充电率为0.2C～1C(C是电池的容量，如C=800mAh，1C充电率即充电电流为800mA)。锂离子电池对温度有一定要求，工厂给出了充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。在大电流充电时往往要检测电池温度，以防止过热损坏电池或产生爆炸。

　　锂离子电池充电分为两个阶段：先恒流充电，到接近终止电压时改为恒压充电，如一种800mAh容量的锂离子电池，其终止充电电压为4.2V。电池以160mA(充电率为0.2C)恒流充电，开始时电池电压以较大的斜率升压，当电池电压接近4.2V时，变成4.2V恒压充电，电流渐降，电压变化不大，到充电电流降为0.01C(约8mA)时，认为接近充满，可以终止充电。

　　锂离子电池在充电或放电过程中若发生过充、过放或过流时，会造成电池的损坏或降低使用寿命。为此，开发出各种保护元件及由保护IC组成的保护电路。它安装在电池或电池组中，使电池获得完善的保护。

　　锂离子电池的组成是由外壳、锂电芯、保护线路板(PCB)组成和可恢复保险丝，有的厂家还配置了NTC识别电阻或震动马达或充电电路等元件。保护线路板是防止电池过充过放和短路的安全装置。同样可恢复保险丝又是保护线路板实效后的二重保护，它主要起到高温保护的作用。

　　锂离子电池的测试

　　蜂窝电话用电池在移动通信手持机中起着心脏的作用，其性能的好坏直接影响着移动通信手持机的使用。目前手机的投诉率很高，分析其原因除了手机软件、硬件的问题外，最突出的就是电池，因此电池的质量是尤为重要的。对电池性能指标的要求是保证电池质量的重要依据。锂离子电池性能主要包括电压、容量、自放电率、循环寿命、密封性能、安全性能、储存性能、外观等，其它还有过充、过放、可焊性、耐腐蚀性等。这些指标的要求对电池的质量提供了保证。

　　首先锂离子电池的充电不同于镍镉镍氢电池，它的充电分为两个阶段：先恒流充电，充电率为0.2～1 C5A，当电池端电压达到充电限制电压时改为恒压充电，直到充电电流降为小于或等于0.01C5A，最长充电时间不大于8小时，可以终止充电。

　　20℃时放电性能：放电性能的指标有两个，当以0.2C5A进行放电时，放电时间应在5小时以上；以1C5A进行放电时，放电时间应大于51分钟。放电性能是其实就是对电池容量的一种评估。

　　自放电又称荷电保持能力：它是指在开路状态下，电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。一般而言，自放电主要受制造工艺，材料，储存条件的影响自放电是衡量电池性能的主要参数之一。一般而言，电池储存温度越低，自放电率也越低，但也应注意温度过低或过高均有可能造成电池损坏无法使用，将电池充满电后在温度为20℃±5℃的条件下开路搁置28天，以0.2 C5A进行放电，放电时间不低于4.25小时。

　　考察锂离子电池的环境适应性是由高温、低温、恒定湿热、振动、碰撞、自由跌落6个项目来检验。高低温及恒定湿热性能：这是对电池温湿度环境适应性方面的测试，要求电池在极端环境中无明显的变型、无冒烟爆炸，放电时间满足要求。首先高温性能是将充满的电池在高温55℃±2℃环境中恒温2小时，以1 C5A电流放电至终止电压放电时间不低于51分钟。放入室温中电池外观无变型、无爆裂；低温性能要求充满的电池在-20℃±2℃环境中恒温16-24小时，以0.2 C5A电流放电至终止电压放电时间不低于3小时。放入室温中电池外观无变型、无爆裂；恒温湿热性能是充满的电池在温度为55℃±2℃相对湿度为90%-95%环境中搁置48小时，以1 C5A电流放电至终止电压放电时间不低于36分钟；锂离子电池碰撞的条件是峰值加速度在100m/S2,脉冲持续时间为16ms,碰撞次数为1000＋10,次碰撞结束后目测电池外观应无异常现象，电压不低于3.6V；锂离子电池的自由跌落是将电池组充满电后从三个不同方向于1m高处跌落于硬质橡胶板上,每个方向做1次,电池组电性能应正常,外包装无破损；锂离子电池振动实验方法为， 电池在X、Y、Z三个相互垂直的方向上以10Hz-55Hz频率进行振动，在10Hz-30Hz时位移幅值为0.38mm，在30Hz-55Hz时位移幅值为0.19mm，振动时间为30分钟。完成振动试验后电池不爆炸、不起火、不漏液外包装无破损。

　　锂离子电池的安全保护性能的测试有3个项目分别是锂离子电池过充电保护、过放电保护、短路保护：锂离子电池过充电保护测试是将充满的电池用恒流恒压源持续给电池加载8小时，电压设为2倍的标称电压，电流设为2C5A，电池最终不爆炸、不起火、不漏液；锂离子电池过放电保护测试是以0.2 C5A放电至终止电压后，在接个(30×n)Ω的负载放电24小时，电池最终不爆炸、不起火、不漏液；短路保护是将充满电的电池在防爆箱内用一根导线连接正负极短路1小时,电池不应爆炸或起火，以1 C5A瞬时充电5s后电压应不小于3.6V×n。

　　锂离子电池的安全要求是电池在误用和滥用的情况下对电池的安全性要求，它包括重物冲击、热冲击、过充电、短路、贮存5个内容。重物冲击是将电池充满电后,用一个10公斤的重物从1m的高度掉下来冲击固定在夹具中的电池，电池不应爆炸起火或漏液；热冲击试验是将电池放置热箱中以(5℃±2℃)/min的速率升至150℃±2℃并保温30分钟，电池不应爆炸起火或漏液；过充电是拆除电池的保护线路进行的，将电池芯接在恒压恒流的电源上，调节电压为n×10V，电流为3 C5A充电直到电池电压为n×10V电流降0到接近0A时结束充电，当电池的温度降到比峰值低约10℃时观察电池电池应不起火和爆炸；同样短路也是对电池芯的测试，要求电池芯在短路后观察温度变化，当温度下降到比峰值低10℃时，电池应不起火和爆炸。贮存是指先将电池充入40%-50%的容量，在温度为20℃±2℃相对湿度为45%-85%环境中贮存12个月，经完全充电后以0.2 C5A进行放电放电时间不小于4小时。

　　锂离子电池标准循环寿命测试为: 电池以1C5A的电流恒流充电之后在恒压充电直到充电电流小于20mA，搁置1小时，再以1C5A放电至终止电压，搁置1小时。到此为一个循环。重复充放电循环，直到连续放电的时间小于36分钟，则认为寿命终止，电池的循环寿命不低于300次。

　　锂离子电池使用中应注意的问题

　　锂离子电池价格昂贵，正确的使用和妥善的保养，可以使锂电池的使用时间更长，充分发挥出锂电池的优秀特点，因此在使用锂电池中应注意以下几点：

　　1.应正确的选择与手机匹配的电池，目前锂离子电池有4.1V及4.2V终止充电的不同品种，因此在充电时注意的是4.1V的电池不能用4.2V的充电器充电，否则会有过充的危险(4.1V与4.2V的充电器用的充电器IC是不同的!)。

　　2.电池放置一段时间后则进入休眠状态，此时容量低于正常值，因此在购入电池后要经过3—5次充电可激活电池，恢复正常容量。

　　3.对电池充电时，尽量使用专用充电器充电，环境温度不能超过产品特性表中所列的温度范围，尤其不能反向充电。

　　4.锂离子电池放电电流不能超过产品特性表中给出最大放电电流。放电电流较大时，会产生较高的温度(损耗能量)，减少放电时间。

　　5.在使用中勿将移动电话电池的正负极部分与金属物品接触，在放置时也要远离金属物品及温度高的地方以免造成电池的短路。当电池无意间短路时，锂电池内部保护电路会切断供电回路以确保使用者的安全，将电池取出重新充电便可恢复。

　　6.当长期不使用时，保存电池是很重要的，电池应保存在低温、干燥坏境中；要远离热源，也不要置于阳光直射的地方。

　　锂离子电池是的蜂窝电话中价格较高的附件，其利润也相对较高，这就造成锂离子电池的假货泛滥，严重损害了消费者的利益。作为普通的消费者在选择锂离子电池时应注意：要确认的是电池的性质(是镍镉、镍氢，还是锂电池)、标称的容量(多少毫安时，要求经销商确认所售电池的标称容量与实际容量相符)等基本要素。选择有售后服务，国际、国家认同的品牌电池，此种电池采用优质的原材料，具有完善的保护电路，外壳精美、耐磨、有防伪芯片，并与手机配合良好，可以达到良好的通讯效果。在非专业的条件下，可以采用以下的方法：同等容量的电池，锂离子电池比镍氢、镍镉电池手感要轻；用锂离子电池专用充电器对电池进行充电，若充电过程中电池发热，则是镍氢、镍镉电池，若温度无大的变化，则是锂离子电池；将电池正、负极“瞬间”短路后使用，如该电池“没电”则是锂离子电池，若仍“有电”则是镍氢、镍镉电池。

　　结束语

　　从蜂窝电话的发展趋势来看，锂离子电池的市场潜力巨大，因为蜂窝电话的发展趋势是体积小型化，功能多样化，大屏LCD、彩色LCD的产品涌现等，这势必对电池的要求更高，而锂离子电池可使便携式电子产品体积减小、重量减轻，其放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点使得锂离子电池在蜂窝电话市场中有着巨大的优势。

[中国泰尔实验室供稿]