二次保護元件基礎知識 – 保護鋰離子電池免受火災的 SCP 是什麼？

鋰離子電池的優異特性

鋰離子電池是智慧型手機和筆記型電腦等裝置的電源。隨著科技進步，這些電池變得體積更小、容量更大，現在也被用於無人機和電動自行車。鋰離子電池在我們的日常生活中可以說是不可或缺。由於以下三個主要優勢，它們被廣泛應用於各種領域：

1. 高電壓與高能量密度
   鋰離子電池的電壓（標稱電壓為3.7 V）約為相同尺寸鎳鎘（NiCd）或鎳氫（NiMH）電池（兩者的標稱電壓均為1.2 V）的三倍。意味著與傳統電池相比，它們可以用更少的電池單元產生相同的電壓。此外，鋰離子電池的能量密度也高於其他電池，這使得產品可以更小、更輕。
2. 自放電特性
   鋰離子電池的自放電率約為每月5%，這僅是鎳鎘電池或鎳氫電池自放電率的五分之一以下。這意味即使電池閒置數個月，其仍能保留與傳統電池閒置一個月後相近的能量。
3. 無記憶效應
   在傳統的鎳鎘和鎳氫電池中，反覆進行部分充電會減少整體電池壽命，這種現象被稱為「記憶效應」。鋰離子電池則沒有這種記憶效應，因此可以反覆充電。

鋰離子電池的安全性

下圖說明了電池的分類。本篇文章討論的電池是可充電電池（可以重複充電和使用的電池），這類電池屬於化學電池的範疇。鋰離子電池是一種高性能、可小型化及輕量化的電池，其性能遠遠超越傳統用於電子設備的電池。儘管鋰離子電池具有許多優勢，但仍然存在一些課題，例如過度充電的危險性。

舉個代表例，以下是構成可充電電池（鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池）的正極和負極的活性材料及電解質。電解質中，除了鋰離子電池使用有機溶劑外，所有電池的電解質均以水作為溶劑。此目的是為了實現將標稱電壓超過水電解的電壓（1.23 V）。

當鎳氫電池或鎳鎘電池充電時，電池電壓會逐漸上升，在接近充滿電時達到峰值，隨後穩定下來。同時，電池的溫度也會持續上升，但幅度不大。雖相較於體積，其電池容量較小，但由於電解液是水溶液（不可燃），因此這類電池相對安全。

相較之下，如果鋰離子電池在沒有任何保護措施的情況下持續充電，即使電池已經完全充滿，電池電壓和電池溫度仍會繼續上升（見下圖）。

狹小的空間內封存大量能量、且處於高溫狀態的情況下，再加上內含易燃的有機溶劑（引火性液體），從這些條件來看，確實是一種「過度充電會有危險」的電池。儘管如此，這類電池因為擁有高能量密度等優異特性，其優勢無可否認。經過多年的技術改良與安全性提升，促成了它在市場上的廣泛普及。   

鋰離子電池的二級保護

可充放電的電池皆配備電池管理系統BMS（Battery Management System），它位於電池與設備（或充電器）之間，負責充放電的過程。一級保護通常透過半導體來持續監控電流、電壓與溫度，並透過電子電路進行保護控制。大部分的異常狀況皆可透過一級保護來防止。

然而在極少數的情況下，半導體可能因異常或故障而無法正常運作，導致保護機能失效。鋰離子電池的異常可能導致破裂、起火等嚴重後果，因此必須預先考慮「萬一故障時」的保護措施，是以設置了二級保護，並對其可靠性提出更高的要求，確保在任何狀況下都能發揮保護作用。

自我控制保護器 (SCP)

由Dexerials開發的「自我控制保護器」（SCP）是一種保險絲元件，能在鋰離子電池的二級保護中，不可逆的物理性地斷開充放電電路。

當SCP啟動時，通常代表一級保護（BMS）已經失效，鋰離子電池的整體狀態也已經異常。因此SCP的作用在於主動切斷電路，防止不穩定的鋰離子電池持續運作，確保安全。

一般來說，傳統保險絲透過焦耳熱熔化保險絲元件來物理斷開電路，防止設備因過電流受損。然而鋰離子電池除了過電流保護外，還需要考慮過充電的情況，而SCP正是為了解決此一需求而開發的產品。自1994年推出以來， SCP 已被公認為鋰離子電池二級保護的標準元件，截至2020年3月，出貨量已超過20億個。

SCP 的結構和電路圖如下所示。

SCP 在過電流時的運作方式類似於傳統的保險絲，當保險絲元件熔化時會斷開電路。然而，SCP 在過充電時的啟動方式則具有獨特性。當偵測到過充電時，SCP 在保險絲元件下方設有的加熱器會啟動並熔化保險絲元件，從而切斷電流。

下圖A為過電流時SCP的運作狀況，圖B為過充電時SCP的運作狀況。

SCP的潛力與未來

約30年來，Dexerials一直致力於鋰離子電池保護的研究與開發。獨家技術SCP已廣泛用作鋰離子電池的二級保護裝置，在筆記型電腦市場上持有60~70%佔有率，成為業界的重要基準。

• 智慧型手機或平板電腦等設備：

SCP的技術仍在不斷進化，未來將持續朝「小型化」及「高電流化」發展，以打造更安全、高效的鋰離子電池。