艾德克斯IT6412在鋰電池安全測試中的應用

　　我們的電池安全、耐用、可靠嗎?從手機電池安全事件到波音787電池事件，人們前所未有地在關(guān)注電池問(wèn)題。的確，巨大的移動(dòng)數碼和通信設備的需求、電動(dòng)工具的快速發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)和節能環(huán)保對大容量電池的需求，使整個(gè)電池行業(yè)欣欣向榮。但鋰電池充電時(shí)產(chǎn)生的枝晶會(huì )使電池短路，目前尚未徹底解決其安全問(wèn)題。如何通過(guò)嚴格可靠的測試，控制并保證鋰電池的安全運行并提升其工作壽命，不僅是從事鋰電池開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的工程師面對的挑戰，也同樣是對產(chǎn)品設計工程師在選用電池和設計產(chǎn)品用電特性時(shí)，需要充分考慮的問(wèn)題。艾德克斯IT6412的鋰電池安全測試方案，可以從循環(huán)充放電、保護性能以及電池保護板性能等各個(gè)方面測試便攜式以及可穿戴設備的鋰電池，既安全又高效。

　　一、枝晶效應

　　圖一、鋰電池工作的原理

　　鋰電池是通過(guò)鋰離子的傳遞來(lái)完成充放電的。如圖一所示，鋰離子電池由正極，負極，隔膜，電解質(zhì)組成?，F在鋰聚合物電池常使用高分子膠體取代常規液體電解質(zhì)，比傳統鋰離子電池更輕薄，能量密度更高，安全性更好。

　　鋰離子電池的充電和放電可以通過(guò)嵌入和脫嵌兩個(gè)過(guò)程來(lái)完成(如圖二所示)，在放電時(shí)，鋰離子從正極材料中移出至電解液，再像水進(jìn)入海綿一樣的進(jìn)入到負極材料，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為脫嵌。而在充電狀態(tài)下這個(gè)過(guò)程則相反，稱(chēng)之為入嵌。上圖中左為鋰電池的入嵌過(guò)程，右為脫嵌過(guò)程。

　　圖二、鋰離子電池的嵌入和脫嵌

　　所謂枝晶效應，就是在充電過(guò)程中，鋰離子從正極脫嵌，穿越隔膜，跳進(jìn)電解液后，在充電器給予的外電場(chǎng)作用下向負極運動(dòng)，依次進(jìn)入石墨組成的負極，在負極表面形成碳鋰化合物。當充電速度過(guò)快時(shí)，鋰離子還來(lái)不及鉆進(jìn)負極的小洞穴，就在負極附近的電解液中聚集起來(lái)，一些靠近碳負極的鋰離子就會(huì )與電子結合，從而變成金屬鋰。如此這般，時(shí)間一長(cháng)，金屬鋰就會(huì )在負極堆積起來(lái)、形成像樹(shù)枝一樣的晶體，大家習慣地稱(chēng)呼這種樹(shù)枝狀晶體為“枝晶”。

　　那么，出現枝晶的后果是，枝晶大到一定程度會(huì )刺穿正負極之間的隔膜，一旦刺穿，電池會(huì )立即短路，輕者電池報廢了事，重者發(fā)生爆炸。

　　二、IT6412的充放電安全測試保障電池壽命

　　鋰離子電池充電分為三個(gè)階段(如圖三所示)：一、預充電階段：小電流預充電;二、電流控制階段：達到最小充電電壓后，以額定電流恒流充電;三、電壓控制和充電結束階段：當電池兩端電壓接近控制電壓時(shí)改為恒壓充電。通常當充電電流降為1/10C(典型值80mA)時(shí)，認為接近充滿(mǎn)，可以終止充電。

　　鋰離子電池充電要求保證終止電壓精度在1%之內。鋰電池的放電測試則需要電池在不同的溫度下進(jìn)行電池放電試驗，觀(guān)察電池變化，記錄電池的容量。小功率鋰電子尤其適合如圖三所示的線(xiàn)性充電，待充電電池的電壓往往在3V-4.2V之間，電流通常在0~2A之間，艾德克斯IT6412精度高，響應速度快，尤其適合小功率鋰電池的充放電測試。

　　圖三:鋰電池充電曲線(xiàn)

　　艾德克斯IT6412是一款專(zhuān)為便攜式電池測試設計的雙極性電源，電流可實(shí)現正負極變化，具有獨特的電池充放電模式，可觀(guān)測電池的電壓、電流和電池已充電容量。不僅如此，IT6412還有示波功能，用戶(hù)可通過(guò)外部存儲設備，清晰、便捷的保存當前電池放電的曲線(xiàn)。

　　圖四、充電終止電壓與電池壽命的關(guān)系

　　如圖四所示，充電終止電壓越高，電池壽命越短。在4.2V附近，1%的電壓誤差會(huì )導致壽命變化1/3。

　　圖五、充電終止電壓對容量的影響

　　如圖五所示，鋰電池1%的終止電壓的變化，會(huì )使容量改變8%，因為過(guò)充電會(huì )使容量看起來(lái)更大，欠充電會(huì )使容量得不到充分的利用。因此，終止電壓的精度是一個(gè)非常重要的參數。IT6412電壓解析度1mV，并具有萬(wàn)分之二的電壓精度，電池測試功能可以精確設置充電截止電壓、充電時(shí)間和充電容量，防止過(guò)充對電池壽命的損壞。

　　圖六: IT6412實(shí)現電池充放電

　　單臺IT6412雙通道雙極性電源可同時(shí)實(shí)現輸出電流和吸收電流的功能，并且有高低兩個(gè)電壓量程，如圖六所示，電壓電流量測完全可以滿(mǎn)足小型鋰電池的充放電需求，并且一機多用，為電池研發(fā)和測試工程師大幅度提高工作效率，短時(shí)間內快速掌握在各種情況下鋰電池的工作情況。

　　三、測試鋰電池保護板

　　鋰電池保護板是對串聯(lián)鋰電池組的充放電保護，保護電池不過(guò)放、不過(guò)充、不過(guò)流，還有就是輸出短路保護。IT6412因其獨特的電流雙極性設計，另有可設置0~1Ω 可變的輸出阻抗，因此可以模擬鋰電池用以測試鋰電池保護板性能。

　　鋰電池保護板對測試設備的精度要求極高，如過(guò)充電壓保護測試，需要模擬電芯的電壓精度到達幾個(gè)mV。保護電路板的空耗電流也僅有幾個(gè)uA 。同樣，響應時(shí)間也是電池保護板測試的重要指標。

　　根據國標GB/T18287-2000的測試要求，測量電池在過(guò)沖、過(guò)放和短路情況下保護電流的變化情況和響應時(shí)間。由于在過(guò)保護瞬間和短路響應瞬間時(shí)間非常短，通常都在百微秒級別，因此，對于測試的電源響應速度也是有著(zhù)嚴格的需求。艾德克斯IT6412電源是一款高精度的線(xiàn)性電源，具有超快動(dòng)態(tài)響應，50%-100% LOAD 恢復到50 mV時(shí)響應時(shí)間小于50us，如圖七所示。完全滿(mǎn)足鋰電池ms級別的響應測試要求。

　　圖七：IT6412 動(dòng)態(tài)響應時(shí)間曲線(xiàn)圖

　　四、總結

　　艾德克斯IT6412雙極性高速線(xiàn)性直流電源不僅可以測試電池，還可以模擬電池，超快的動(dòng)態(tài)響應可以測試保護動(dòng)作時(shí)間，同時(shí)具有快速的A/D采樣，并且電流顯示解析度可達100nA，完全滿(mǎn)足微安級別的空耗電流測試要求。一臺儀器可實(shí)現多種用途， 精簡(jiǎn)測試設備，優(yōu)化測試流程。

　　圖八：艾德克斯明星產(chǎn)品——IT6412雙通道雙極性直流電源