上世紀90年代初，鋰離子電池走出實驗室，并很快實現商業(yè)化生產。以鋰離子化學為基礎的電池，其輸出電壓通常是鎳鎘電池或鎳氫電池的三倍，輸出電能總量是同樣大小鎳鎘電池的兩倍。鋰離子電池儲存的電功率目前已經能夠達到2200毫安-小時，所以設計人員經常選用鋰離子電池作為便攜式設備的電源。

鋰離子電池與鎳氫電池或鎳鎘電池相比有兩個明顯的優(yōu)點：重量輕和儲能密度高(見圖1)。每個鋰離子電池可以提供的能量密度大約為100瓦特-小時/公斤或200瓦特-小時/升，輸出電壓可在4.2V~3.7V。由于這類電池的自放電率很低，所以比較適合在使用期限長，但不經常使用的設備中作為電源使用。

Kamen Nechev說：“使用者應該知道鋰離子電池有兩種類型：一種是普通的鋰離子電池，另一種是新型鋰聚合物電池。”Kamen Nechev是Saft公司Cockeysville醫(yī)學設備部的高級科學家。 鋰聚合物電池使用固態(tài)的聚合材料作為電解質。“這種電解質在室溫下導電性能不好，”Kamen Nechev接著說，“因此鋰聚合物電池需要高溫(80℃~100℃)環(huán)境才能正常工作，所以鋰聚合物電池的用處很有限。”

“所以現在當人們談論起鋰聚合物電池時，通常是指采用有機電解質的電池，在電池的兩個電極之間充滿了凍膠狀聚合物材料，”Kamen Nechev接著說。“這種不含水份的電解質在聚合體內能保持穩(wěn)定。在小型電池中(電容量< 500毫安-小時)，這種電池結構可以提供比較高的安全性，但功率密度會因此而稍微減小一些。但對尺寸大的電池來說，并不能因此而提高安全性。”

軟封裝和凍膠狀電解質提高了安全性。當充電超過規(guī)定的容量時，軟封裝的電池比采用金屬外殼封裝的液體電解質的鋰離子電池發(fā)散壓力容易得多，因而也就更加安全。這種凍膠狀電解質天生就能減緩離子的傳送，因此就能防止電池電流的急劇增大，從而減少電池內部在短時間內聚集起過多的熱量。

圖1  鋰離子電池的化學機理使其與其他類型的電池相比性能

更杰出(即提供高的能量密度)。

圖2 典型鋰離子電池的放電曲線，顯示在不同的放電速率下，輸出電壓隨時間的改變。2.0C那條曲線(放電速率為正常放電時間為一個小時時的放電速率的兩倍)表示一個30分鐘的放電過程。

圖3  Saft公司的大號電池，能夠在很短的放電時間內提供很大的電流。而且需要長期供應電能的應用場合也可以使用大號電池。

能量和功率

鋰離子電池制造商讓用戶來選擇需要電池能量還是功率。Valence Technology公司的工程部主任Rick Thompson說：“電池以規(guī)則的、適當的速率給諸如筆記本電腦之類的設備提供電力。一塊標準的電能容量為2200毫安-小時的‘18650&rsquo;圓柱型電池，如果以1100毫安電流放電，可以維持兩個小時。”圖2中的C表示的是電池的電荷，不是庫侖。

隨著電池放電速率的增加，電池的能量效率就逐步降低。請看一個例子：標稱電能容量為2000毫安-小時的電池，如果以2000毫安電流放電，應該可以維持一個小時，但實際上如按照此速率放電，只能提供1900毫安-小時的能量，即只有9 5%的儲存電能。若用更大的電流放電，假設在20分鐘內把電池的能量放完，則電池只能供應1600毫安-小時的電能，即能量效率只有80%。有些應用需要較大的功率，即必須在較短的時間內給出較大的電流，為此制造廠商提供了功率型電池，這種電池為了提高輸出的功率，必須以犧牲一部分儲存的能量作為代價。功率電池可以規(guī)定只允許充入1700毫安-小時的電能，它可以在很寬的放電速率范圍內輸出1700毫安電流。

 “人們存在一個錯誤觀念，認為鋰離子電池只能做成小號電池，儲存的電能也不多，” Kamen Nechev說，“我們制造了可以以500安培電流放電20秒的電池。這種電池可以用在諸如激光或微波干擾臺等定向能量系統(tǒng)。鋰離子電池也能在很低的溫度下工作，最低可以達到 -40℃，可用于飛機或各種車輛。當然，這種電池需要特殊的構造，與移動電話中所使用的鋰電池構造不同。”(見圖3)

為在鋰離子電池中儲存更多電能，許多電池制造商付出了很大努力，英特爾公司可能會給他們一些幫助。用在筆記本電腦上的英特爾Centrino芯片(1.7GHz)，采用自動關掉部分電路電源的方法，即不使用某功能時就切斷這部分的電源，只有當必需接通這部分電源時才啟動的管理方法，以節(jié)省電能，使電池可以持續(xù)使用長達400分鐘。標準配置的奔騰4(2.6GHz)筆記本電腦，若使用同樣電能容量的電池，則只能維持290分鐘。

隨著制造商不斷地在移動電話產品中增加新的功能和特色，電池的使用周期卻越來越短。根據《華爾街》雜志報道，日本生產了一款新手機，可以接收電視和廣播節(jié)目，但是電池只能維持手機運行一個小時。

兩種形狀電池滿足大部分需要

雖然薄片電池可以在一些應用場合找到用武之地，但大多數鋰離子電池只采用兩種形狀：圓柱狀和矩形塊狀，也稱為棱柱狀。通常圓柱狀的電池可以提供較高的電能密度，而隨著棱柱狀電池的尺寸減小，其電能密度也隨之減小。

圓柱型電池的橫截面看起來象是一個由導體、絕緣體和電解質組成的果凍卷。最常用的棱柱型電池看起來象是一個壓扁的果凍卷，因為它是環(huán)繞著一個扁平的心軸，而不是環(huán)繞著一個針狀物卷起來而形成的。除了提供圓柱型和棱柱型電池外，Valence Technology公司也提供由Bellcore公司開發(fā)的疊板技術(stacked plate technology)。“我們可以在電極上沖孔，把它們堆疊起來，然后放在一個柔性的包裝內形成電池。”Valence Technology公司的Rick Thompson說(見圖4)。

多層電極構造在幾年前就受到眾多關注，當時工程師們正在思考如何設計特殊形狀的電池。由于定做特殊形狀的電池價格比較高，因此迫使廠商提供標準尺寸的系列電池。但客戶仍然可以定做特殊形狀的電池，只是需要付一筆相當可觀的定制(NRE)費。

電池尺寸

通常在指定電池尺寸的規(guī)格時，很容易搞錯。例如18650這個數表示直徑為18毫米，高為65毫米的圓柱型電池。棱柱型電池的尺寸規(guī)格也使用類似的數字表示方法，例如，383555表示3.8mm&times;35mm×55mm的棱柱形電池。十進制小數點的隨意浮動很容易造成混亂，所以還需要查看數據手冊，進一步核實不同標號電池的尺寸大小。

仔細閱讀有關充電信息的說明書也很重要。大多數鋰離子電池并不需要復雜的充電線路—只要能提供恒定的電流(速率為C/2)并能保持4.2V的恒定電壓就可以了。當電池電壓達到4.2V時，電流應該降到100毫安，表示電池已充滿。有些電路還可以繼續(xù)施加很小的電流或者浮動的電荷。充電通常需要花一到三個小時。加拿大的Cadex公司是一家電池測試器和充電器的制造廠，建議用戶最好用4.1V電壓充電，這樣可以延長鋰離子電池的使用壽命。但是為了延長電池的使用壽命，代價是減少了10%的電能容量。

產品大規(guī)模上市后，我們將會看到鋰離子電池的電容量在其使用壽命期間，會出現某種程度的下降，一般可以進行300到500次充/放電過程(見圖5)。這一類電池壽命從出廠時算起，而不是從第一次充電算起，大約為兩到三年。

“制造廠家可以提供壽命長達10到15年的鋰離子電池”Saft公司的Nechev先生說。 “有些放電徹底的電池，可以經得起5000次充放電循環(huán)，還有一些放電不徹底的電池，例如用在汽車里的鋰離子電池，每次放電只占總容量的2%到3%，可以經得起一百萬次充放電循環(huán)。”

電池需要保護

鋰離子電池的內部需要有監(jiān)視溫度、電壓和電流的保護電路，以保證電池在規(guī)定的工作極限條件下運行。使用者不得改變這些電路，但是必須知道電路的存在和作用。如果電池變得很熱，其保護電路就會把線路斷開。如果電壓降至預先設定的極限下(一般降到3.2V 至 3.0V)，電池也會斷開。如果放電的電流太大，電池內部的保險絲也會開路。

有些保護電路具有可編程性，特別在充電期間，它們可以監(jiān)視電池運行。電池技術指標說明書還提供了內部保護電路的操作說明。

圖4  Valence Technology公司等制造廠商可以為特殊應用提供多種尺寸的鋰離子電池。電池結構可以采用多層電極和電解質材料的方式或卷軸方式。

圖5  批量上市的鋰離子電池在其使用壽命期間一般只能經得起幾百次充放電循環(huán)，而且電池所儲存的電量每次充放電后都有所下降。

電池技術的進步

不同類型的鋰離子電池化學原理也有些不同。許多電池采用鋰-鈷陰極，但是其化學原理要求當輸出電壓降到大約3.2V時，就關閉電池。Saft公司采用了基于鋰-鎳氧化物的陰極，可以使鋰離子電池能提供更高的能量和更大的功率。“雖然基于鈷的電池很容易制造，” Saft公司的Nechev先生說。“但是我們正在市場上積極促銷基于鎳化學原理的大號鋰離子電池，這類電池能提供很高的能量和很大的功率。”

Saft公司最近與美國國防部簽訂了一個合同，為美國陸軍改進的目標采集系統(tǒng)(ITAS)替換老式的銀-鋅電池。老式的電池需要使用有腐蝕性的電解液。Saft公司不只提供電池，而是提供了一套完整的系統(tǒng)，其中包括堅固結實的外殼、電池和包括自測試能力在內的控制電子設備。老式銀-鋅電池的有效使用期限一般只有一年，而替換后的鋰離子電池可以使用許多年。

Valence Technology公司還提供另一種基于磷酸鹽的陰極材料。磷酸鹽本質上就很安全，經得起過充電、短路和高溫。若確實發(fā)生上述情況，磷酸鹽不會燃燒也不易發(fā)生熱量的失控。

Valence Technology公司宣布，該公司目前的Saphion技術使鋰離子化學性能在輸出電壓為3.2V時能量密度方面只有少量的降低，而鋰-鈷陰極的電池此時的輸出電壓為3.7V。據Valence Technology公司的Rick Thompson說，“下一代Saphion電池應該達到或者超過目前鋰離子技術的能量密度，并且輸出電壓將與鋰-鈷電池相同。”