鋰離子電池的二次保護：功能與發展

鋰離子電池二次保護解決方案

鋰離子電池於1991年推出，因其高電壓和低自放電率而迅速成為行動裝置的標準。為了增強其安全性，開發了自控保護器 （SCP） 作為二級保護元件，以防止過充電和過電流。多年來，SCP在鋰離子電池不斷發展的安全措施中發揮了至關重要的作用。本文概述了鋰離子電池，並探討了自控保護器（SCP）在增強電池安全性方面的作用和發展。

什麼是鋰離子電池？

鋰離子電池 （Li-ion） 是一種可充電電池，現在是便攜式電子產品的標準。與傳統電池不同，鋰離子電池可以透過逆轉化學反應來充電。這種充電能力使其成為需要重複使用的設備的理想選擇，例如智慧型手機、筆記型電腦和電動車。鋰離子電池的關鍵部件包括陰極、陽極、電解質和隔膜，所有這些部件協同工作以儲存和釋放能量。這些特性促進了它們在各行業的廣泛採用。

鋰和鋰離子的比較

雖然鋰電池和鋰離子電池都使用鋰作為關鍵成分，但它們之間存在顯著差異。鋰電池一般為原電池（一次性），而鋰離子電池則為可充電電池。鋰電池往往具有更高的能量密度和更長的保質期，但由於其一次性使用性質，其應用受到限制。另一方面，鋰離子電池可以充電數百次，更適合需要頻繁循環的設備。

一次電池與二次電池的差別

原電池是一次性的，一旦耗盡就必須丟棄。相較之下，二次電池可以多次充電和使用，從長遠來看更具成本效益和環保性。二次電池的主要優點在於其可重複使用性，這對於需要長期持續供電的應用尤其重要，例如筆記型電腦、智慧型手機和電動車。
有關鋰離子電池的再利用和回收的更多信息，請參閱本文。邁向永續社會：鋰離子電池和 Dexerials 保護裝置的回收和再利用

什麼是二次鋰電池？

二次鋰電池是指可充電的鋰基電池，例如鋰離子 (Li-ion) 電池和鋰聚合物 (LiPo) 電池。這些電池可以充電並重複使用。二次鋰電池具有高能量密度和長壽命的特點，廣泛應用於從消費性電子產品到電動車等各種領域。

工作原理

鋰離子電池的功能是通過電解質在陽極和陰極之間移動鋰離子。在放電過程中，鋰離子從陽極流向陰極，為連接的設備提供能量。充電時，外部電源將鋰離子返回陽極，儲存能量以備後用。這種可逆的化學過程允許電池多次充電。隨著這項先進技術的發展，人們進一步努力加強安全措施。

歷史悠久的產品

過度充電可能會導致火災或爆炸危險，因為鋰離子電池中的電解質含有易燃有機溶劑。因此，目前市面上的鋰離子電池的電芯和充放電電路始終配備稱為「一次保護」的控制功能，以防止可能導致事故的問題，例如過流或過充。 然而，即使是最好的電子電路在極少數情況下也會發生故障。在 1990 年代初期，Sony Chemicals（現為 Dexerials Corporation）的任務是開發一種二次保護組件，以應對鋰離子電池初級保護失效的情況。

電池保護電路的工作原理

電池保護電路是保護鋰離子電池免受過度充電、過度放電和短路等潛在危險的關鍵部件。這些電路監控電池的電壓和溫度，確保其在安全範圍內運作。如果任何參數超過其閾值，保護電路就會介入，斷開電池與負載或充電器的連接，以防止損壞。

什麼是鋰離子電池保護電路？

鋰離子電池保護電路是專門為保護鋰離子電池而設計的。它通常包括電晶體、二極體和電阻器等電子元件的組合，它們協同工作以控制電流。該電路還具有監控系統，可持續檢查電池狀態並在必要時觸發保護措施。這些電路對於延長鋰離子電池的使用壽命並確保其在各種應用中的安全運作至關重要。了解這些保護措施對於確保電池供電設備在不同應用（包括使用冷凝感測器技術的應用）中的可靠性至關重要。
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凝結感測器技術

SCP 的開發始於攝影機的冷凝感測器。最初，索尼化學公司的目標是利用冷凝感測器技術，製造一種類似 PTC 熱敏電阻的感測器。然而，由於各種挑戰，這項方案未能成功。

一種新方法帶來電路中斷的突破

如果使用傳統的感測器技術切斷電路，一旦溫度恢復到原始狀態，就可以再次使用。然而，繼續使用已經故障的鋰離子電池非常危險。因此，我們轉變了理念，開發了一種能夠在主保護裝置失效的情況下，在發生過充或過流時完全切斷電路的產品。

經過反覆嘗試，最終的解決方案是加裝一個加熱器來熔斷保險絲。這種方法既能處理過充過流，也能物理切斷電路。
SCP 的電氣結構如下圖電路圖所示。左側是通用電路圖，右側則是反映SCP內部結構的三維電路圖。實際的SCP結構是將保險絲以三維交叉的方式排列在加熱器（電阻器）上方。

下圖解釋了 SCP 的運作方式。

正常放電和充電期間的電流流動如下所示。

當發生過電流時，保險絲元件因焦耳熱而熔化，從而中斷電路。

當發生過度充電時，次級保護 IC 會偵測到異常並接通 FET，使加熱器電路工作。在這種情況下，電流從 T1 和 T3 流向加熱器並產生熱量。此熱量傳遞至保險絲元件，燒斷保險絲並中斷電路。與此同時，加熱器電路斷開，發熱停止。

最初，電路的基材是柔性印刷電路板（FPC），但為了適應表面貼裝，基材改為陶瓷基板。就這樣，我們完成了SCP的試製。

對鋰離子電池和 SCP 的需求不斷增長

1994年，我們獲得了SCP加熱器和保險絲層壓結構的基礎專利。同年，推出了在二次保護電路中裝有SCP的鋰離子電池。帶有 SCP 的鋰離子電池很快被許多計算機製造商採用。如今，Dexerials 的 SCP 仍用作包括筆記型電腦在內的許多產品的二級保護電路中的保險絲。

隨著鋰離子電池市場的擴大，對 SCP 的需求也隨之增加。如今，這些電池用於筆記型電腦和大型電氣產品，如無線工具、工業電池和電動車。對於較小的設備，它用於筆記型電腦、平板電腦、快速充電智慧型手機和醫療設備的自動體外除顫器。隨著世界開始從汽油發動機轉向電機，SCP 也將需要處理大型設備中的更高電壓。

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