锂离子电池的二次保护：功能与发展

锂离子电池二次保护解决方案

锂离子电池于 1991 年推出，因其高电压和低自放电率而迅速成为移动设备的标准。为了提高它们的安全性，开发了自控保护器 （SCP） 作为二级保护元件，以防止过充电和过流。多年来，SCP在锂离子电池不断发展的安全措施中发挥了至关重要的作用。本文概述了锂离子电池，并探讨了自控保护器（SCP）在增强电池安全性方面的作用和发展。

什么是锂离子电池？

锂离子电池 （Li-ion） 是一种可充电电池，现在是便携式电子产品的标准。与传统电池不同，锂离子电池可以通过逆转化学反应进行充电。这种充电能力使其成为需要重复使用的设备的理想选择，例如智能手机、笔记本电脑和电动汽车。锂离子电池的关键部件包括阴极、阳极、电解质和隔膜，所有这些部件协同工作以存储和释放能量。这些特性促进了它们在各行各业的广泛采用。

锂和锂离子的比较

虽然锂电池和锂离子电池都使用锂作为关键部件，但它们之间存在显着差异。锂电池一般为原电池（一次性），而锂离子电池则为可充电电池。锂电池往往具有更高的能量密度和更长的保质期，但由于其一次性使用性质，其应用受到限制。而锂离子电池可以充电数百次，更适合需要频繁循环电源的设备。

一次电池与二次电池的区别

原电池是一次性的，一旦耗尽就必须处理掉。相比之下，二次电池可以多次充电和使用，从长远来看更具成本效益和环保性。二次电池的主要优势在于其可重复使用性，这对于需要长期持续供电的应用尤其重要，例如笔记本电脑、智能手机和电动汽车。
有关锂离子电池的再利用和回收的更多信息，请参阅本文。迈向可持续发展的社会：锂离子电池和 Dexerials 保护装置的回收和再利用

什么是二次锂电池？

二次锂电池是指可充电的锂基电池，例如锂离子 (Li-ion) 电池和锂聚合物 (LiPo) 电池。这些电池可以充电并反复使用。二次锂电池具有高能量密度和长寿命的特点，广泛应用于从消费电子产品到电动汽车等各种领域。

工作原理

锂离子电池通过电解质在阳极和阴极之间移动锂离子来发挥作用。在放电过程中，锂离子从阳极流向阴极，为连接的设备提供能量。充电时，外部电源将锂离子返回阳极，储存能量以备后用。这种可逆的化学过程允许电池多次充电。随着这项先进技术的发展，人们进一步努力加强安全措施。

历史悠久的产品

过度充电会导致火灾或爆炸危险，因为锂离子电池中的电解质含有易燃有机溶剂。因此，目前市场上的锂离子电池的电池和充放电电路始终配备称为“一次保护”的控制功能，以防止可能导致事故的问题，例如过流或过充。 然而，即使是最好的电子电路在极少数情况下也会发生故障。1990 年代初期，索尼化学公司（现为 Dexerials Corporation）的任务是开发一种二次保护组件，以应对锂离子电池初级保护失效的情况。

电池保护电路的工作原理

电池保护电路是保护锂离子电池免受过度充电、过度放电和短路等潜在危险的关键部件。这些电路监控电池的电压和温度，确保其在安全范围内运行。如果任何参数超过其阈值，保护电路就会进行干预，断开电池与负载或充电器的连接，以防止损坏。

什么是锂离子电池保护电路？

锂离子电池保护电路专门设计用于保护锂离子电池。它通常包括电子元件的组合，例如晶体管、二极管和电阻器，它们协同工作以控制电流。该电路还具有监控系统，可持续检查电池状态并在必要时触发保护措施。这些电路对于延长锂离子电池的使用寿命并确保其在各种应用中的安全运行至关重要。了解这些保护措施对于确保电池供电设备在不同应用中的可靠性至关重要，包括那些使用冷凝传感器技术的应用。
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凝结传感器技术

SCP 的开发始于摄像机的冷凝传感器。最初，索尼化学公司的目标是利用冷凝传感器技术，制造一种类似于 PTC 热敏电阻的传感器。然而，由于各种挑战，这一方案未能成功。

一种新方法带来电路中断的突破

如果使用传统的传感器技术切断电路，一旦温度恢复到原始状态，就可以再次使用。然而，继续使用已经出现故障的锂离子电池非常危险。因此，我们转变了理念，开发了一种能够在主保护装置失效的情况下，在发生过充或过流时完全切断电路的产品。

经过反复尝试，最终的解决方案是加装一个加热器来熔断保险丝。这种方法既能处理过充过流，也能物理切断电路。
SCP 的电气结构如下图电路图所示。左侧是通用电路图，右侧是反映SCP内部结构的三维电路图。实际的SCP结构是将保险丝以三维交叉的方式排列在加热器（电阻器）上方。

下图解释了 SCP 的运作方式。

正常放电和充电期间的电流流动如下所示。

当发生过电流时，保险丝元件因焦耳热而熔化，从而中断电路。

当发生过充电时，二级保护集成电路会检测到异常，并打开 FET，使加热器电路工作。在这种情况下，电流从 T1 和 T3 流向加热器并产生热量。热量传导至保险丝元件，烧断保险丝并中断电路。同时，加热器电路断开，发热停止。

最初，电路的基材是柔性印刷电路板（FPC），但为了适应表面贴装，基材改为陶瓷基板。就这样，我们完成了SCP的试制。

对锂离子电池和 SCP 的需求不断增长

1994年，我们获得了SCP加热器和保险丝的层压结构的基础专利。同年，推出了在二次保护电路中装有SCP的锂离子电池。带有 SCP 的锂离子电池很快被许多计算机制造商采用。如今，Dexerials 的 SCP 仍被用作包括笔记本电脑在内的许多产品的二级保护电路中的保险丝。

随着锂离子电池市场的扩大，对SCP的需求也在不断扩大。如今，这些电池用于笔记本电脑和大型电气产品，如无绳工具、工业电池和电动汽车。对于较小的设备，它用于笔记本电脑、平板电脑、快速充电智能手机和医疗设备的自动体外除颤器。随着世界开始从汽油发动机转向发动机，SCP 也将需要处理大型设备中的更高电压。

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