新型电池技术给予便携系统设计师指望与风险

　　要 点
　　锂离子电池将继续是便携式消费电子产品的主流电源，如膝上型电脑和手机。
　　有些锂离子电池的充电电压和输出电压都会变化。
　　会损坏老式电池组以及设备电路的较高的电压不得不防，需要对电池进行鉴定，防止用户换用老式或可能不安全的电池。

　　对于依赖于电池或电池组的便携系统来说，系统 IC 日益增加的复杂性和速度以及由此产生对能量需求的增长提出了一系列问题：虽然 IC 可以跟上摩尔定律的工艺与速度浪潮，但电池技术的发展却落在了后面。10年内，锂离子电池的能量容量仅仅翻了一番多，从 1995 年的 280 Whr/l(瓦小时/升)提高到 2005 年的 580 Whr/l。与 IC 每 18 个月复杂度翻一番的速度相比较，我们就能看出便携设备功率需求与功率供给之间的失衡。

　　尽管电池没有 IC 那么风光，但锂离子技术仍然取得了重大的进步。通过改变阳极和阴极的化学配制，锂离子电池制造商们正在增加电池的能量容量，使之更耐用，成本更低。然而，在制造商取得进展的同时，也出现了一些变化。系统设计师需要注意电池的配制，要懂得电池的充电电压和输出电压是不断变化的，它会影响系统的需求。

　　锂离子并不是电池组中使用的唯一一种可充电电池。较老式但仍在普遍应用的还有 NiMH（镍金属氢）和 NiCd（镍镉）电池。锂离子电池在 1991 年面市，它是最新的技术，由于具有相对较低的成本和高能量密度的优势，所以能够攻城掠地（表 1）。（关于电池术语的定义，如“电池”（cell）和“电池组”（pack），见附文“电池的定义”。）

　　是什么推动锂离子电池中的化学作用？除需要更高的能量密度以外，电池制造商还希望电池有更便宜的配制，以及更安全、更耐用。对电池阴极中的锂及其它化学成分的改变会影响到电池成本、容量、耐用性和电压。

　　在今天的锂离子电池中，通常采用18650尺寸的圆柱型封装，阳极是石墨混合物，阴极则是锂、镍和钴的组合。当锂电池1990年代首次面市时，钴还相对较便宜，并且价格稳定。但10年后，钴的价格开始上升，电池制造商便研究新的阴极材料，以取代钴。

　　Micro Power 公司是一家电池组开发商，它将多家制造商的电池组合成自己的电池组，公司产品营销工程师 Robin Tichy 称：“根据现有LiCoO2 (锂二氧化钴)配制基础上的锂电池路线图是，供应商正在逐步淘汰 2 Ahr，2.2 Ahr 正在量产，而 2.4Ahr 正等待进入量产。”Tichy 说制造商正在评估 2.6 Ahr 技术以及规划 2.8 Ahr 技术。她认为：“一旦达到 3 Ahr，我们就实现了 18650 电池中锂二氧化钴的理论最大值。”

　　Tichy 还指出，除了相对较高的成本以外，钴的化学性质要比其它可用的阴极材料（例如镍和锰）更具发散性。她说：“与钴相比，镍不易发散，而且经济和化学稳定。但是它在充电循环效率上要差很多。锰很便宜，并且有安全的大电流速率放电能力。锰的缺点是能量密度差，在电解液中会轻微溶解。”

　　第一个可能取代 18650 电池中锂二氧化钴的是采用固态 NCM 方案（镍钴锰）。锰与镍将部分替代被淘汰的钴材料，但不是全部，这样电池价格会更便宜，但不会增加能量密度。

　　由于电池的电压是来自阳极和阴极之间的电位差，改变阴极材料就会改变电池的输出电压。虽然 NCM 配制只将电池电压升高约 0.1V，但这一变化已足以对主机设计造成影响。NCA（锂-镍-钴-铝二氧化物）是继 NCM 之后的一种配制，它的电位差将更高。

　　NCA 配制来自松下公司，预计将于 2006 年底面市。据 Tichy 称，该种配制与 NCM类似，但含有更多镍，并用铝代替了锰，这也意味着更不容易发散和出现爆炸性电位。“另一个优点是含镍越多，容量越高。”在 620 Whr/l 时，NCA 可提供业界最高的能量密度。相对应的是，该电池的输出电压也可能达到 3.6V。

　　新电池化学物质除了产生更高输出电压以外，电池的充电电压也更高了，这就为系统充电器提出了一个问题，即它要能够区别出电池的类型，然后以更高的电压充电。Brian Barnett 是 Tiax LLC 的管理总监以及“便携电源 2005 研讨会”的会议主席，他说：“我们面临的不是一个简单的世界，在这个世界上有很多种锂离子电池，它们的特性各不相同。如果你现在用的是 4.2V 锂二氧化钴技术电池，不小心放到一个不能智能识别不同化学物质的充电器上，那就有大麻烦了。”系统设计人员可以在电池组中加入鉴定电路，防止用户使用错误的电压对电池充电（参考文献 1）。

　　Dave Heacock 是德州仪器公司便携式电源管理部门副总裁，他看到很多电子系统设计师都试图从系统电池组内榨取每一分电能。他说：“做得好的话，电池可以成为市场营销上的一个差异点，为电池多花费一些钱会从系统销售中得到回报。”新型锂离子电池的配制很有吸引力，但也可能为电池特性带来一些以前没有的变化。他还表示：“很多电池制造商都努力在相同空间内获取更多能量，并且使电池更安全。当他们首次开发一种阴极或阳极，并试图使新产品达到像某些成熟的化学物质所能达到的相同性能时，经常会遇到一些困难。”新的电池有严格的操作范围，系统设计人员可能需要选择内置电池管理电路的电池组，例如鉴定电路。

　　但是，系统设计人员也不能够将所有关于电池组的决定都交给电池组供应商。Heacock 警告说：“你一定要知道里面的详情，”尤其是对电池本身。锂离子电池的工艺技术已经很成熟，特别是那些老公司，如三洋、松下和索尼，它们生产的产品是可重复的。但是，对新兴的电池制造商来说（如中国制造商），不同批量电池之间的规格差异可能相当大，例如温度与放电率。Heacock 说：“新兴公司要进行价格竞争，因此你要知道从价格里得到了什么。要问清楚不同批电池之间的稳定性如何。”

Tichy 同意这个观点：“一旦新的配制开始出现，例如 NCM，我们会看到所有供应商的变动情况。阴极配制的改变可能会造成供应商产品之间的差异。由于每家供应商采用材料的精确混合比例各不相同，因此电压也可能会有略微的不同。”每个制造商都要标注自己电池的工作电压，并给客户一个厂家预期的曲线。但是，如果电池组供应商已用一家供应商的电池设计了一个电池组，就不可能再为新配制获取第二家来源。

　　Heacock 列出了一些现在带鉴定功能智能电池组的有用信息，例如电池的 ID 号、额定过压、温度报告以及剩余容量。他指出，当系统设计人员要努力使系统为所有用户工作时，这类信息就非常重要。他说：“不同环境下电池的表现不同。在空调办公室内的 MP3 播放机用的电池与炎炎夏日内留在车里的一台播放机用的电池，它们的响应特性完全不同。性能的差异可能使责怪电池的用户心烦意乱。但如果在设计电池系统时就考虑到消费者的使用差异，就不会显示出电池的问题了。”

　　除了要考虑系统环境对电池性能的影响以外，设计师还必须假定终端消费者会用不适当的电池组作为一种经济性的备份或替换。Maxim 公司热量与电池管理部的总监 Gene Armstrong 描述了一种类似情况：“我们的一些客户打算更换新的电池，它们的充电电压高达 4.4V，但从安全角度看这种变换会造成一些问题，因为一旦他们作了更换，就会出现不知来自何处的假冒电池组，它们使用 老工艺的电池，充电电压达到4.2V。如果充电系统在这些旧电池上加上 4.4V 电压，就会出现危险的情况。”电池组里的鉴定装置可以防止充电电路把过高的电压加到市场上克隆的电池组上。

　　大多数锂离子电池组都用于膝上型电脑和手机。根据 Tiax 的 Barnett 说法，这两类应用要占锂离子电池销售量的 80%。然而，新的阴极配制正在出现，使锂离子更适用于大电流应用，如可再充电的便携式电动工具，这是现在镍镉技术占据的阵地。LiMn2O4（锂锰氧化物）技术能够在一秒或两秒短脉冲内达到 300A。（今天典型的锂 18650 电池可以支持 4 A 至 6A 的脉冲电流。）新的电池可以扩展到 10 秒 80A 的能力。现在，电动工具主要采用镍镉电池，因为它能支持大电流速率。但是，镍镉电池不符合 RoHS（降低有害物质）和 WEEE（电子与电气设备废弃物）的法规，因此，使用锂锰氧化物的新型锂电池将会逐步取代在电动工具中的镍镉电池。