鋰離子電池正確的充電方法，快來(lái)看看你錯了沒(méi)

　　常見(jiàn)的使用電池運行的電子設備，大多數選擇的電池類(lèi)型都是鋰離子電池。

　　在之前使用到的其他類(lèi)型中，鎳鎘電池占比很大，在2003年2月，歐盟頒布了ROHS指令，規定2006年7月1日起，進(jìn)入歐盟市場(chǎng)的電子電氣產(chǎn)品禁用6類(lèi)有害物質(zhì)。因此對這些類(lèi)型的總體需求有所下降。

　　鎳氫電池仍在使用，但其較低的能量密度和成本效益比使它們缺乏吸引力。本文將重點(diǎn)討論鋰離子電池及其正確的充電方法。

鋰離子電池組成

　　鋰離子電池被視為二次電池（可多次使用），這也就意味著(zhù)它們是可充電的。最常見(jiàn)的類(lèi)型包括陽(yáng)極，該陽(yáng)極由涂在銅基板或集電器上的石墨層制成，而陰極由鋰鈷氧化物涂在鋁基板上。

　　隔膜通常是聚乙烯或聚丙烯薄膜，可將兩個(gè)電極電隔離，但允許鋰離子通過(guò)。如圖1所示。

　　還使用各種其他類(lèi)型的陽(yáng)極和陰極材料，最常見(jiàn)的陰極通常將其名稱(chēng)用于電池的類(lèi)型描述。

　　因此，鋰鈷氧化物陰極電池被稱(chēng)為L(cháng)CO電池。鋰鎳錳鈷氧化物類(lèi)型被稱(chēng)為NMC類(lèi)型，而具有磷酸鋰鐵陰極的電池被稱(chēng)為L(cháng)FP電池。

圖1 鋰離子電池的主要組件

　　在實(shí)際的鋰離子電池中，這些層通常緊密地纏繞在一起，并且電解質(zhì)雖然是液體，但勉強可以潤濕電極，并且內部沒(méi)有液體晃動(dòng)。

　　這種布置如圖2所示，它描繪了棱形或矩形金屬外殼電池的實(shí)際內部結構。其他常見(jiàn)的箱子類(lèi)型是圓柱形和小袋（通常稱(chēng)為聚合物電池）。

　　該圖未顯示連接到每個(gè)集電器的金屬接線(xiàn)片。這些接線(xiàn)片是到電池的電氣連接，本質(zhì)上是電池端子。

圖2 圓柱形鋰離子電池的內部結構

　　給鋰離子電池充電涉及使用外部能源將帶正電的鋰離子從陰極驅動(dòng)到陽(yáng)極。因此，陰極帶負電，而陽(yáng)極帶正電。

　　從外部看，充電涉及電子從陽(yáng)極側向充電源的移動(dòng)，以及相同數量的電子被推入陰極。這是與鋰離子內部流動(dòng)相反的方向。

　　放電期間，外部負載跨接在電池端子之間。儲存在陽(yáng)極中的鋰離子會(huì )移回到陰極。在外部，這涉及電子從陰極到陽(yáng)極的移動(dòng)。因此，電流流過(guò)負載。

　　簡(jiǎn)而言之，例如，在充電過(guò)程中電池內部發(fā)生的事情是，在鈷酸鋰的陰極側，它釋放了一些鋰離子，變成了一種鋰含量較低的化合物，仍然是化學(xué)穩定的。

　　這些鋰離子在陽(yáng)極側嵌入或嵌入石墨分子晶格的間隙中。

　　在充電和放電期間必須考慮到的幾個(gè)問(wèn)題。在內部，鋰離子在充電和放電期間必須穿過(guò)多個(gè)界面。例如，在充電期間，鋰離子必須從陰極的大部分傳輸到陰極到電解質(zhì)的界面。

　　它必須從那里穿過(guò)電解質(zhì)，穿過(guò)隔板到達電解質(zhì)與陽(yáng)極之間的界面。最后，它必須從該界面擴散到大部分陽(yáng)極材料。

　　通過(guò)這些不同介質(zhì)中的每一種的電荷傳輸速率取決于其離子遷移率。這又受諸如溫度和離子濃度的因素影響。

　　實(shí)際上，這意味著(zhù)在充電和放電期間必須采取預防措施，以確保不超出這些限制。

鋰離子電池充電注意事項

為鋰離子電池充電需要注意特殊的充電算法。分為以下幾個(gè)階段：

1.細流充電（預充電）

　　如果電池充電水平非常低，則以降低的恒定電流速率進(jìn)行充電，該恒定電流速率通常約為接下來(lái)描述的全速率充電速率的1/10。

在此期間，電池電壓增加，并且當其達到給定閾值時(shí)，充電率將增加到滿(mǎn)充電率。

　　請注意，某些充電器將細流充電階段分為兩個(gè)階段：預充電和恒流充電，具體取決于電池電壓最初的電量。

2.全部充電

　　如果電池電壓初始足夠高，或者如果電池已充電至此點(diǎn)，則將啟動(dòng)充滿(mǎn)電階段。

　　這也是恒流充電階段，在此階段中，電池電壓繼續緩慢上升。

3.錐形充電

　　當電池電壓上升到最大充電電壓時(shí)，逐漸開(kāi)始錐形充電階段。在此階段，充電電壓保持恒定。

　　這一點(diǎn)很重要，因為如果以高于其最大電壓的電壓充電，鋰離子電池將發(fā)生災難性的故障。如果該充電電壓保持恒定在該最大值，則充電電流將緩慢減小。

4.中斷/結束

　　當充電電流降低到足夠低的值時(shí)，充電器與電池斷開(kāi)連接。該值通常為全速率充電電流的1/10或1/20。

　　重要的是不要使鋰離子充電電池浮動(dòng)，因為這會(huì )長(cháng)期降低電池的性能和可靠性。

　　盡管上一節描述了各個(gè)充電階段，但并未提供各個(gè)階段的特定閾值。從電壓開(kāi)始，每種鋰離子電池類(lèi)型都有自己的滿(mǎn)充電端電壓。

　　對于最常見(jiàn)的LCO和NCM類(lèi)型，該電壓為4.2V。還有一些4.35V和4.45V。

　　對于LFP類(lèi)型，它是3.65V。對于LCO / NMC和LFP類(lèi)型，流充電至充滿(mǎn)電閾值分別約為3.0和2.6。

　　旨在為一種類(lèi)型的鋰離子電池（例如LCO）充電的充電器不能用于為另一種類(lèi)型的鋰離子電池（例如LFP電池）充電。

　　但是請注意，有些充電器可以配置為多種類(lèi)型的充電器。這些通常需要在充電器設計中使用不同的組件值，才能容納每種類(lèi)型的電池。

　　關(guān)于充電電流，需要一些解釋。傳統上，鋰離子電池的容量報告為mAh或Ah。該單位本身實(shí)際上并不是能量存儲容量的單位。為了達到實(shí)際的能量容量，必須考慮電池電壓。

　　圖3顯示了LCO型鋰離子電池的典型放電曲線(xiàn)。由于放電電壓具有斜率，因此將整個(gè)放電曲線(xiàn)的平均電池電壓作為電池電壓。

　　對于LCO類(lèi)型，此值通常為3.7至3.85V，對于LFP類(lèi)型，此值為2.6V。然后，將mAh值乘以電池的平均電壓即可得出給定電池的mWh或儲能容量。

　　電池充電電流以C速率表示，其中1C在數值上與以mA為單位的電池容量相同。因此，1000mAh電池的C值為1000mA。由于各種原因，鋰離子電池允許的最大充電速率通常在LCO類(lèi)型為0.5C至1C之間，對于LFP類(lèi)型為3C或更高。

　　當然，一個(gè)電池可以至少由一個(gè)電池組成，但也可以由許多電池組成，這些電池是串聯(lián)連接的一組并聯(lián)電池的組合。

　　之前我們說(shuō)到的方案適用于單節電池。如果電池由多個(gè)電池組成，則必須調整充電電壓和充電電流以匹配。

　　因此，充電電壓乘以串聯(lián)連接的電池或電池組的數量，并且類(lèi)似地，充電電流乘以每個(gè)串聯(lián)連接的組中的并聯(lián)電池的數量。

圖3 LCO型鋰電池的典型放電曲線(xiàn)

　　對鋰離子電池充電時(shí)必須考慮的一個(gè)非常重要的附加因素是溫度。鋰離子電池無(wú)法在低溫或高溫下充電。

　　在低溫下，鋰離子緩慢移動(dòng)。這可能會(huì )導致鋰離子在陽(yáng)極表面聚集，并最終變成鋰金屬。由于這種鋰金屬形成物以樹(shù)枝狀形式存在，因此它可能刺穿隔膜，導致內部短路。

　　在溫度范圍的高端，問(wèn)題是過(guò)多的熱量產(chǎn)生。電池充電效率不是100％，并且在充電過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生熱量。如果芯的內部溫度過(guò)高，則電解質(zhì)可能會(huì )部分解，并變成氣態(tài)副產(chǎn)物。這導致電池容量的永久減少以及膨脹。

　　鋰離子電池的典型充電溫度范圍是：優(yōu)質(zhì)電池為0°C至45°C，廉價(jià)電池為8°C至45°C。一些電池還允許在最高約60°C的高溫下充電，但充電速率降低。

　　所有這些考慮因素通常都可以通過(guò)專(zhuān)用的充電器芯片來(lái)滿(mǎn)足，因此強烈建議使用此類(lèi)芯片，而不考慮實(shí)際的充電源。

鋰離子電池充電器

　　鋰離子電池充電器大致可分為兩大類(lèi)：線(xiàn)性充電器和開(kāi)關(guān)充電器。兩種類(lèi)型都可以滿(mǎn)足先前規定的有關(guān)鋰離子電池正確充電的要求。但是，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　線(xiàn)性充電器的優(yōu)點(diǎn)是相對簡(jiǎn)單。但是，它的主要缺點(diǎn)是效率低下。例如，如果電源電壓為5V，電池電壓為3V，充電電流為1A，則線(xiàn)性充電器的功耗為2W。

　　如果此充電器嵌入產(chǎn)品中，則必須散發(fā)大量熱量。這就是為什么在最大充電電流約為1A的情況下大多使用線(xiàn)性充電器的原因。

　　對于大電池，首選開(kāi)關(guān)充電器。在某些情況下，它們的效率可高達90％。缺點(diǎn)是其成本較高，并且由于在設計中使用了電感器，因此對電路空間的要求稍大。

充電源注意事項

　　不同的應用程序可能需要不同的充電源。例如，這可以是提供直流輸出的直交流適配器，也可以是移動(dòng)電源。也可以是臺式機或類(lèi)似設備的USB端口。也可能來(lái)自太陽(yáng)能電池板組件。

　　由于不同電源的供電能力，除了簡(jiǎn)單選擇線(xiàn)性或開(kāi)關(guān)式充電器外，還必須進(jìn)一步考慮實(shí)際電池充電器電路的設計。

　　最直接的情況是充電源提供穩定的直流輸出，例如交流適配器或移動(dòng)電源。唯一的要求是選擇一個(gè)不超過(guò)電池最大充電速率或電源傳輸能力的充電電流。

　　從USB源充電需要更多注意。如果USB端口是USB 2.0類(lèi)型，則它將遵循USB電池充電標準1.2或BC 1.2。

　　這就要求任何負載（電池充電器）所占用的電流不得超過(guò)100mA，除非負載已與電源進(jìn)行了枚舉。在這種情況下，允許在5V時(shí)吸收500mA電流。

　　如果USB端口是USB 3.1，則它可以遵循USB BC1.2，或者可以將有源控制器電路并入設計中，以按照USB Power Delivery或USB PD協(xié)議協(xié)商更多功率。

　　太陽(yáng)能電池作為充電源提出了另一組挑戰。太陽(yáng)能電池的電壓電流或VI有點(diǎn)類(lèi)似于常規二極管。常規二極管將不會(huì )在其最小正向電壓值以下傳導任何可觀(guān)的電流，然后可以在正向電壓略有增加的情況下通過(guò)更大的電流。

　　另一方面，太陽(yáng)能電池可以在相對平坦的電壓下提供電流直到一定的最大值。超過(guò)該電流值，電壓急劇下降。

　　因此，太陽(yáng)能充電器必須具有電源管理電路，該電路可調制從太陽(yáng)能電池汲取的電流，以免導致輸出電壓過(guò)低。

　　幸運的是，有些芯片（例如TI BQ2407x，BQ24295等）可以容納上述多個(gè)源之一。

　　以上就是鋰離子電池的充電方法，建議用戶(hù)使用由鋰離子電池廠(chǎng)家配送的原裝充電器，切不可多種鋰離子電池充電器混充。

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