对矿用锂离子电池的选型问题的探讨

　　【摘要】介绍锂离子电池的定义、种类，对比了不同种类电池优缺点，以安全仪器仪表产品为例介绍了锂电池现行管理规定的关键点，阐述了矿用锂电池选型上的一些技术要求。
　　【关键词】煤矿；锂离子电池
　　1.引言
　　这几年锂电池技术的不断发展，锂离子电池具有体积小、质量轻等优点，倍受各生产企业、煤矿用户的青睐，但锂离子电池的安全可靠性近年来也一直受到各界关注。锂电池已进入了相关煤矿产品的领域，像矿用电源、矿用手机、矿用音箱等均已有替代原有的镍氢、镍镉电池的趋势。安标国家中心近几年已将锂电池纳入安标管理的范畴，出台相关的锂电池管理规定。这也就给产品开发人员在锂电池的选型上带来了一定的困惑。譬如锂电池种类、容量的限制、锂电池的防爆性能等。本文就以安全仪器仪表类产品锂电池选型为例，和大家讨论相关的管理规定。
　　如表1所示，通过对比现有的不同类型的电池，锂电池具有电压平台高、能量密度大（重量轻、体积小）、使用寿命长、环保等的优点。但锂电池的安全性差，有发生爆炸的危险，锂电池均需保护线路，防止电池被过充过放电，生产要求条件高，生产成本高。
　　2.锂电池
　　2.1 定义及分类
　　锂电池（Lithium battery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。
　　锂电池可以分成两个大类：一次性不可充电电池和二次充电电池。不可充电电池如锂二氧化锰电池、锂-亚硫酰胺电池。
　　二次充电电池又可以分为下面根据不同的情况分类。
　　1）按外型分：方形锂电池（如手机电池）和圆柱形锂电池（如电动工具的18650）；
　　2）按外包材料分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池；
　　3）按正极材料分：钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元锂（LiNixCoyMnzO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）；
　　4）按电解液状态分：锂离子电池（LIB）和聚合物电池（PLB）；
　　5）按用途分：普通电池和动力电池。
　　6）按性能特性分：高容量电池、高倍率电池、高温电池、低温电池等。
　　2.2 电池构成
　　锂电池一般由二部分组成：电芯、保护电路（管理系统）。当前电池一律为锂离子电池（不规范的场合下常常简称锂电池）。锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电芯相当于锂电池的心脏，管理系统相当于锂电池的大脑。电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳构成，而保护板主要由保护芯片（或管理芯片）、MOS管、电阻、电容和PCB板等构成。
　　2.3 主要技术参数
　　根据应用领域的不一样，对锂电池的要求不一样，电压，容量，内阻、串并联方式等都有一些特殊的要求。电池串并联后的性能由最差那一节电池的性能决定，电池成组最重要的一点就是电池技术参数的一致性。至少应包括以下技术参数：
　　1）额定电压：V；
　　2）额定容量：Ah；
　　3）内阻：Ω。
　　3.安全仪器仪表产品锂电池现行管理规定
　　为确保煤矿安全仪器仪表的整体安全性能，安标国家中心组织相关检测检验中心、锂电池生产企业、煤矿安全仪器仪表生产企业及有关高等院校的专家，对煤矿安全仪器仪表用锂离子蓄电池安全问题进行多次专题研究，在此基础上组织制订了《煤矿安全仪器仪表用锂离子蓄电池安全标志检验规范》及管理方案。其中关键有以下下几条：
　　1）锂电池除具有内部保护电路外，应有外保护电路，具备防过充、防过放、过流、短路等功能；当采用电池组供电方式时，还应有均衡充电、均衡放电功能。
　　2）锂电池（组）应具有防反接功能。
　　3）锂电池（组）与外保护电路应分腔设置，以保证一旦锂电池内部爆炸时不至破坏外保护电路。
　　4）生产企业应具备锂电池安全性能检测技术手段和外保护功能的检测能力。
　　5）生产企业应选用符合国家标准或行业标准规定的锂电池，并应进行供方考核。每批锂电池入厂前均应依据《煤矿安全仪器仪表用锂离子蓄电池安全标志检验规范》进行抽样检验，合格方可使用。生产企业应将锂电池纳入关键零部件管理。
　　6）采用锂电池的煤矿安全仪器仪表，必须在井上充电。对充电器有特殊要求时，生产企业应在产品说明书中明确说明。说明书中还需明确用户在更换锂电池时，必须采用同厂家同型号的产品。如保护电路与电池一起封装时，需由生产仪器仪表的企业负责更换。
　　7）产品企业标准的技术要求中应明确锂电池（组）应符合GB3836.4-2000中7.4的各项规定，检验项目中应包括相应的项目。
　　8）电池组的总容量为各单体电池容量的代数和。
　　9）停止采用钴酸锂电池的煤矿安全仪器仪表产品的安全标志审核发放，推荐煤矿安全仪器仪表使用锰酸锂蓄电池和磷酸铁锂蓄电池。
　　10）将总容量大于2Ah锂电池（组）纳入安全标志受控部件管理。鉴于目前技术水平现状，锂电池（组）总容量原则上应在5Ah（含）以内。对已取得安全标志的煤矿安全仪器仪表，生产企业需变更配用的锂电池（组）时，应在安标国家中心备案。
　　11）不推荐井下固定设备采用锂电池；必须采用时除满足上述要求外，还应将锂电池布置在独立的隔爆腔内，且保护电路与电池（组）分腔设置。
　　另外现有矿用锂离子蓄电池的检测注重四个方面：
　　1）外观：外表清洁，无机械损伤，无锈蚀。
　　2）电性能：容量、高温放电、低温放电、荷电保持能力及恢复能力、贮存、循环寿命。
　　3）电池的环境适应性：恒定湿热、振动、自由跌落、冲击、温度变化，进行试验后不泄露、不泄气、不破裂、不起火、不爆炸。
　　4）电池的安全性能：挤压、热冲击、过充电、强制放电、短路、针刺、重物冲击，进行试验后，不起火、不爆炸。
　　4.结语
　　由于锂离子电池具有重量轻、容量大、内阻小、放电特性佳等优点，越来越多的煤矿产品将会采用锂电池，根据相关行业标准及管理规定，我们建议设计开发人员在设计产品的初期就选择安全性高锂离子电池，例如锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。该电池具有防反接、防过充过放、有保护板，并具有由第三方检测检验机构出具的锂电池不爆炸证明报告，并结构设计中将电池与电路分腔或灌封。
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