二次鋰離子電池簡介及常見分類

可充電式二次鋰離子電池是一種由正極材料、負極材料、電解液、隔膜和外殼所組成的電能儲存及釋放裝置，具有體積/質量能量密度大、工作電壓高、自放電效率低、無記憶效應等優點，已被廣泛應用於消費類電子產品中，亦開始大量使用在油電混和動力及純電驅動的汽機車上

正極材料：採用鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳(NCM)/鎳鈷鋁(NCA)三元材料、磷酸鋰鐵等，正極材料直接影響鋰電池標稱電壓、充放電性能、能量密度等主要特性，其反應為放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌
負極材料：多採用石墨(鈦酸鋰電池的負極材料為鈦酸鋰)，其反應為放電時鋰離子脫嵌，充電時鋰離子嵌入
隔膜：把正負極分隔開來，防止接觸短路
電解質/液：鋰鹽(六氟磷酸鋰)+溶劑的電解質溶液，鋰聚合物電池則採用膠狀/固態的聚合物材料取代液態溶劑，鋰離子可在電解質/液內移動並穿過隔膜以完成充放電反應

隨著應用領域的不斷擴展，對鋰離子電池的性能及安全要求也越來越高，使用者期待的理想型電池應具備安全、容量大、充電快、長壽、便宜等條件。然而魚與熊掌不可兼得，現有的二次鋰離子電池的主要性能指標是充放電倍率性能、能量密度、循環壽命、安全穩定性、運作溫度範圍、價格。當想要提高單一個指標時，其他的指標相對來說都會受到影響或減損。只有各項性能指標均衡的電池，才能適應更廣泛的使用環境，並在確保使用安全的同時，降低成本，提升效率，才能成為市場主流

三元鋰

三元鋰電池是指使用三元材料做為正極，石墨作為負極的鋰電池。正極三元材料內所含的鎳+鈷+錳 (NCM)或鎳+鈷+鋁(NCA)三種金屬材料比例可在一定範圍內調整，並且其性能隨著比例的不同而變化。鎳的作用是提升能量密度；鈷的作用是提升穩定性，並提高循環壽命和倍率性能；錳或鋁也有提高電池安全性及穩定性的作用

三元鋰電池正極材料分解溫度在200℃左右，分解時會產生劇烈化學反應產生更多熱量，熱量快速累積最後會導致熱失控，使用三元鋰電池時有較高的監控管理要求，使其可以工作在安全狀態下

特性：
1.標稱電壓：3.7V/3.8V
2.正極材料：鋰與NCM(鎳+鈷+錳)或NCA(鎳+鈷+鋁)三種金屬材料合金氧化物
3.負極材料：石墨
優點：
1.能量密度高，相同體積/重量的電池可攜帶的電能(Wh)最多
2.放電平台標稱電壓高
缺點：
1.安全性較差，無法承受劇烈撞擊、物理穿刺/擠壓、輸出短路、過充，將會導致起火及爆炸
2.耐高溫/熱穩定特性較差，高溫下容易導致熱失控，需要充足的管理措施，避免電池過熱發生危險
3.循環次數較少，壽命較短
4.製作正極材料需使用鎳/鈷/錳等重金屬，鈷的礦產資源有限價格高，且不落實回收會造成環境汙染

磷酸鋰鐵

磷酸鋰鐵電池是指用磷酸鋰鐵作為正極，石墨作為負極的鋰離子電池，製作磷酸鋰鐵正極材料不會涉及到鎳、鈷等金屬資源，相較於鈷，鐵與磷在地球資源含量十分豐富，原料成本較低。比起三元鋰，磷酸鋰鐵電池具有耐高溫特性，更好的安全穩定性，更長循環壽命的優勢

特性：
1.標稱電壓：3.2V/3.3V
2.正極材料：磷酸鋰鐵(LiFePO4)
3.負極材料：石墨
優點：
1.比起三元鋰，磷酸鋰鐵的循環次數較多，壽命較長
2.比起三元鋰，磷酸鋰鐵穩定性及安全性較高，即使發生劇烈碰撞/物理破壞/過充/短路也不會導致爆炸
2.功率密度大，可承受高倍率充放電
3.耐高溫特性好，於高溫環境下仍可釋放100%容量，正極材料的分解溫度高，不易出現熱失控
4.製造時沒有使用高單價重金屬鈷，材料成本低，並符合歐洲RoHS規定，為綠色環保電池
缺點：
1.比起三元鋰，同體積/重量的磷酸鋰鐵能量密度較低
2.在低溫環境下，放電能力及可用容量均明顯下降
3.品質不佳的電池，串聯組合使用一段時間後，電池單體電壓一致性差異會加大

鈦酸鋰

鈦酸鋰電池是把原本石墨負極材料用鈦酸鋰取代，並與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極所組成的二次鋰離子電池。鈦酸鋰本身不能提供鋰源，只能與含鋰的材料搭配使用，雖然也有鈦酸鋰正極材料，金屬鋰/鋰合金負極材料的組成方式，但普遍所稱呼的鈦酸鋰電池是指採用鈦酸鋰負極材料的二次鋰離子電池

石墨材料在充放電過程中鋰離子會反覆嵌入/脫嵌，使體積發生變化及材料變形導致整體循環性能變差。鈦酸鋰在充放電中鋰離子嵌入/脫嵌不會影響其材料的結構，所以鈦酸鋰被稱為”零應變材料”。這種”零應變”性質避免充放電過程導致材料結構發生變化，可提高電池的循環性能，減少容量衰減並延長使用壽命。與三元鋰/磷酸鋰鐵電池相比，鈦酸鋰電池在循環壽命的表現有明顯優勢

石墨負極會在與電解質/液接觸的介面上形成一層SEI膜(Solid Electrolyte Interface，固體電解質介面膜)，造成電池首次充放電效率較低，消耗較多鋰離子導致不可逆容量較大，長期循環使用容易形成鋰枝晶造成電池內部短路影響使用安全。與石墨負極材料相比，鈦酸鋰不容易產生SEI膜，表面也難以生成鋰枝晶，可避免電池內部短路影響使用安全

特性：
1.標稱電壓：2.3V/2.4V(採用錳酸鋰正極時)
2.正極材料：常見為鈷酸鋰或錳酸鋰，也可以用三元鋰/磷酸鋰鐵等
3.負極材料：鈦酸鋰(LTO)
優點：
1.安全穩定性好，可承受劇烈撞擊、物理穿刺/擠壓、輸出短路、過充，而不起火或爆炸
2.鈦酸鋰具有較高的鋰離子化學擴散係數，功率密度高，可承受大倍率充放電
3.循環次數最多，壽命長
4.耐溫度範圍廣(-50℃至+60℃)，可在低溫及高溫環境下正常充放電
缺點：
1.相較三元鋰/磷酸鋰鐵電池，同體積/重量的鈦酸鋰電池能量密度是最低的
2.負極材料製造需要金屬鈦，原料及生產成本高，也十分要求製造技術水準，導致鈦酸鋰電池單價高
3.鈦酸鋰電池因負極不容易產生SEI膜，鈦酸鋰會催化電解液分解產生氣體，產生脹氣問題，導致性能下降，壽命縮短及影響安全性，需要從材料(電解液)、設計(鈦酸鋰表面包覆奈米碳)及製造(減少材料雜質，控制製造環境濕度)上改進以有效抑制脹氣
4.品質不佳的鈦酸鋰電池一致性存在差異，隨著充放電次數的增加電池一致性差異會逐漸增大

無論何種二次鋰電池單體，當組成電池組(Battery Pack)時，必須要有穩固且同時考量到電池散熱的阻燃式固定結構(可避免電池承受震動衝擊受損或是過度擁擠造成散熱不良)，電池單體之間以及正負輸出端牢固且低阻抗的連接方式(可避免造成大電流傳輸阻抗及接觸不良產生火花)，電池組透過內建BMS(電池管理系統)/BMU(電池管理單元)/VTM(電壓溫度監控)來針對串並聯組合的複數單體進行單體電壓、電池組電壓、電池組電流、電池組溫度進行管理及監控，避免因電壓/電流/溫度異常而導致使用上的風險

【自由時報】全球首架離子風飛機 試飛成功

美國麻省理工學院（ＭＩＴ）研究團隊在科幻電影「星際爭霸戰（Star Trek）」啟發下，成功利用電子空氣動力學理論，研發出全球首架以「離子風」為動能、重約二．五公斤的飛機，使其穩定飛行達五十五公尺，且過程幾無噪音及污染，深具發展潛力。研究成果廿一日刊登於「自然」期刊。

領銜這項研究的ＭＩＴ航空航太學院副教授巴瑞特（Steven Barrett），對「星際爭霸戰」中看似無動力裝置，卻彷彿有著源源不絕動力的飛梭著迷不已，於九年前開始探索上世紀二○年代首度發現、又名「電子空氣動力推進」的「離子風（Ionic Wind）」，是否可實現此想像。所謂離子風是指電流在薄電極和厚電極之間通過時，所產生的一種安靜且強勁的離子流；若施予足夠的電壓，方可形成推動力。

巴瑞特和團隊最終製造出外型看似滑翔翼、重量僅約二．五公斤、翼展長度約五公尺的小型飛行載具。機身裝載一組可產生四萬伏特高壓的鋰聚合物電池，機翼的前緣和下側裝有大量輕質電線組成的並聯電極，機翼後緣則裝上較厚電線組成的電極。當通電後，前半部電極產生兩萬伏特高壓正電，對周圍的空氣增壓，從氮分子中剝離帶負電荷的電子（離子），而後半部電極則產生兩萬伏特高壓負電，將離子從正電極吸引過來，並牽引其他空氣粒子，從而產生離子風。

研究團隊在ＭＩＴ的杜邦運動中心室內體育館進行試飛測試，結果該飛行載具成功以每秒四．八公尺的速度，穩定飛行五十五公尺（館體全長約為六十公尺），且十次試飛都取得類似的結果，驗證離子風做為飛機驅動力的可行性。巴瑞特指出，團隊正致力提升設計效率，包括以更低的電壓製造出更強的離子風，以及提高單位面積內產生的推力密度，盼使飛行載具可在室外飛行更遠的距離。

科學界以往僅能利用離子風推進數公克重量的物體，此研究對未來飛機動力發展堪稱邁進一大步。巴瑞特期待，離子風推進系統短期內用於無人機，更希望之後與傳統燃燒動力系統共用，製造更節能的混合式客機或其他大型飛行器。

#運輸 #科技

新品報到:3.2A、35VIN/35VOUT 同步單晶支援多種化學電池 PowerPath 管理器/充電器 具備數位 I2C 遙測和 MPPT 操作功能

Analog Devices, Inc. (ADI) 宣佈推出 Power by Linear™ LTC4162，該元件為一款高度整合的高電壓支援多種化學組成的同步單晶降壓型電池充電器和 PowerPath™ 管理器，內建遙測功能，並提供最大功率點追蹤 (MPPT) 選項。LTC4162 可對牆式電源轉接器、背板和太陽能電池板等多種輸入源進行高效功率傳送，為鋰離子 / 鋰聚合物、磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 或鉛酸電池組充電，並對高達 35V 的系統負載供電。該元件提供先進的系統監控和電源路徑 (PowerPath) 管理，以及電池健康狀況監測功能。當主微控制器需要存取 LTC4162 最先進的功能時，可以選擇使用 I2C 埠。該產品的主要充電功能可利用接腳搭接配置和電阻器設定。這款元件提供精準的 ±5% 充電電流調節 (高達 3.2A)、±0.75% 充電電壓調節、以及操作在 4.5V 至 35V 的輸入電壓範圍。其應用包括可攜式醫療儀器、為 1 至 5 個設備提供 USB 功率傳輸、軍用設備、工業手持設備和堅固耐用的筆記型電腦 / 平板電腦。

• 查看 LTC4162 產品頁面、下載資料手冊、訂購樣品和評估板請參閱以下網址：www.analog.com/LTC4162

LTC4162 內含一個精準的 16 位元類比數位轉換器 (ADC)，可依照指令連續監控多個系統參數，包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流、輸出電壓、電池溫度、晶片溫度和電池串聯電阻 (BSR)。所有系統參數都可透過單一雙線 I2C 介面監控，而可設定和可遮罩的警示則能確保只有關鍵的資訊才會提出中斷。該元件可採用最大功率點追蹤演算法對輸入欠壓控制迴路進行全域掃描，並選擇一個工作點，從太陽能電池板和其他電阻源汲取最大的功率。LTC4162 的 PowerPath 拓撲使輸出電壓與電池分離，因而使可攜式產品能夠在電池電壓極低的情況下採用充電源立即啟動。
LTC4162 的晶片內充電配置針對多種電池化學組成進行了優化，包括鋰離子 / 鋰聚合物、LiFePO4 和鉛酸電池。充電電壓和充電電流均可根據電池溫度自動調節，以遵循 JEITA 規範或客製化設定。

LTC4162 採用 28 接腳、4mm x 5mm 外露焊墊 QFN 封裝，具有卓越的熱性能。E 等級和 I 等級元件可操作於 –40C 至 125C 溫度範圍。所有元件版本均可現貨供應。欲瞭解更多資訊，請參閱： www.analog.com/LTC4162。

特性概要：LTC4162

• 具終止功能的多化學組成電池充電器 (鋰離子 / 鋰聚合物、LiFePO4 和鉛酸電池)
• 寬廣充電輸入電壓範圍：4.5V 至 35V
• 高效率同步操作
• 16 位元數位遙測系統用於監視 VBAT、IBAT、RBAT、TBAT、TDIE、VIN、IIN、VOUT
• 輸入欠壓充電電流限制迴路
• 針對太陽能電池板輸入的最大功率點追蹤 (MPPT)
• 輸入電流限制功能優先考慮系統負載輸出
• 低損耗 PowerPath 管理器
• 可在電池電量耗盡或無電池的情況下達到即時啟動運作
• JEITA 和鉛酸電池連續溫度控制下充電
• 耐熱性能增強型 28 接腳 4mm x 5mm QFN 封裝