鋰離子電池是消費(fèi)電子產(chǎn)品中最常用的電池。在以前使用的其他類型的電池中，用于電子設(shè)備的NiCad電池已在歐盟被禁止，因此對(duì)這些類型的總體需求已經(jīng)下降。
鎳氫電池仍在使用，但它們較低的能量密度和成本效益比使它們沒(méi)有吸引力。
鋰離子電池的操作和構(gòu)造
鋰離子電池被認(rèn)為是二次電池，這意味著它們是可充電的。最常見(jiàn)的類型包括由涂覆在銅基板或集流體上的石墨層制成的陽(yáng)極，以及鋁基板上的鋰鈷氧化物陰極。
分離器通常是一層薄的聚乙烯或聚丙烯薄膜，以電方式將兩個(gè)電極分開(kāi)，但允許鋰離子通過(guò)它進(jìn)行傳輸。這種安排如圖1所示。
還使用了各種其他類型的陽(yáng)極和陰極材料，最常見(jiàn)的陰極通常將其名稱借給電池的類型描述。
因此，鋰鈷氧化物陰極電池被稱為L(zhǎng)CO電池。鋰鎳錳鈷氧化物類型稱為NMC類型，具有磷酸鐵鋰陰極的電池稱為L(zhǎng)FP電池。
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圖1 – 典型鋰離子電池的主要成分 在實(shí)際的鋰離子電池中，這些層通常緊密纏繞在一起，電解質(zhì)雖然是液體，但幾乎不足以潤(rùn)濕電極，并且沒(méi)有液體在內(nèi)部晃動(dòng)。
這種布置如圖2所示，它描繪了棱柱形或矩形金屬外殼單元的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其他流行的外殼類型是圓柱形和袋狀（通常稱為聚合物電池）。
此圖中未顯示的是連接到每個(gè)集流體的金屬片。這些選項(xiàng)卡是與電池的電氣連接，本質(zhì)上是電池端子。
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圖2 – 棱柱形鋰離子電池的典型內(nèi)部結(jié)構(gòu) 為鋰離子電池充電涉及使用外部能量源將帶正電的鋰離子從陰極驅(qū)動(dòng)到陽(yáng)極電極。因此，陰極帶負(fù)電，陽(yáng)極帶正電。
在外部，充電涉及電子從陽(yáng)極側(cè)到充電源的運(yùn)動(dòng)，以及相同數(shù)量的電子被推入陰極。這與鋰離子的內(nèi)部流動(dòng)方向相反。
在放電期間，外部負(fù)載連接到電池端子之間。儲(chǔ)存在陽(yáng)極中的鋰離子移回陰極。在外部，這涉及電子從陰極到陽(yáng)極的運(yùn)動(dòng)。因此，電流流過(guò)負(fù)載。
簡(jiǎn)而言之，例如，在充電過(guò)程中電池內(nèi)部發(fā)生的事情是，在陰極側(cè)，鋰鈷氧化物放棄了一些鋰離子，成為鋰含量較低的化合物，在化學(xué)上仍然穩(wěn)定。
在陽(yáng)極側(cè)，這些鋰離子嵌入或插入石墨分子晶格的間隙空間中。
在充電和放電過(guò)程中必須考慮幾個(gè)問(wèn)題。在內(nèi)部，鋰離子在充電和放電過(guò)程中必須穿過(guò)多個(gè)接口。例如，在充電過(guò)程中，鋰離子必須從陰極的主體傳遞到陰極到電解質(zhì)的界面。
從那里它必須穿過(guò)電解質(zhì)，通過(guò)分離器到達(dá)電解質(zhì)和陽(yáng)極之間的界面。最后，它必須從該界面擴(kuò)散到陽(yáng)極材料的主體。
通過(guò)這些不同介質(zhì)的電荷傳輸速率由其離子遷移率控制。這反過(guò)來(lái)又受到溫度和離子濃度等因素的影響。
這在實(shí)踐中意味著在充電和放電過(guò)程中必須采取預(yù)防措施，以確保不超過(guò)這些限制。
鋰離子電池充電注意事項(xiàng)
為鋰離子電池充電需要特殊的充電算法。這分幾個(gè)階段進(jìn)行，如下所述：
涓流充電（預(yù)充電）
如果電池充電水平非常低，則以降低的恒定電流速率充電，該恒流速率通常約為下文所述的全速率充電速率的1/10。
在此期間，電池電壓增加，當(dāng)它達(dá)到給定閾值時(shí)，充電速率增加到完全充電速率。
請(qǐng)注意，一些充電器將此涓流充電階段分為兩個(gè)：預(yù)充電和涓流充電，具體取決于電池電壓最初有多低。
如果電池電壓最初足夠高，或者電池已充電至此點(diǎn)，則啟動(dòng)完全充電速率階段。
這也是一個(gè)恒流充電階段，在這個(gè)階段，電池電壓繼續(xù)緩慢上升。
錐度電荷
當(dāng)電池電壓上升到其最大充電電壓時(shí)，逐漸增壓階段開(kāi)始。在此階段，充電電壓保持恒定。
這一點(diǎn)很重要，因?yàn)槿绻试S鋰離子電池以高于其最大電壓的電壓充電，則會(huì)發(fā)生災(zāi)難性故障。如果該充電電壓保持恒定在此最大值，則充電電流將緩慢減小。
截止/終止
當(dāng)充電電流降至足夠低的值時(shí)，充電器將與電池?cái)嚅_(kāi)連接。此值通常為全速率充電電流的1/10或1/20。
重要的是不要對(duì)鋰離子電池進(jìn)行浮充電，因?yàn)閺拈L(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這將降低電池的性能和可靠性。
雖然上一節(jié)介紹了各個(gè)充電階段，但沒(méi)有提供各個(gè)階段的具體閾值。從電壓開(kāi)始，每種鋰離子電池類型都有自己的完全充電端電壓。
對(duì)于最常見(jiàn)的LCO和NCM類型，這是4.20V。也有一些具有4.35V和4.45V。
對(duì)于 LFP 類型，它是 3.65V。對(duì)于 LCO/NMC 和 LFP 類型，涓流充電至充滿電閾值分別約為3.0和2.6。
設(shè)計(jì)用于為一種類型的鋰離子電池（如 LCO）充電的充電器不能用于為另一種類型的鋰離子電池（如 LFP 電池）充電。
但請(qǐng)注意，有些充電器可以配置為為多種類型的充電器充電。這些通常需要充電器設(shè)計(jì)中的不同組件值，以適應(yīng)每種類型的電池。
當(dāng)涉及到充電電流時(shí)，需要一些解釋。鋰離子電池容量傳統(tǒng)上報(bào)告為mAh，或毫安時(shí)，或Ah。這個(gè)單位本身實(shí)際上并不是一個(gè)儲(chǔ)能容量的單位。為了達(dá)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。由于放電電壓具有斜率，因此將整個(gè)放電曲線的平均電池電壓視為電池電壓。
對(duì)于LCO類型，此值通常為3.7至3.85V，對(duì)于LFP類型，此值通常為2.6V。將mAh值乘以電池的平均電壓，然后得到給定電池的mWh或儲(chǔ)能容量。
電池充電電流以C速率表示，其中1C在數(shù)值上與電池容量（以mA為單位）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為L(zhǎng)CO類型為0.5C至1C，LFP類型為3C或更高。
當(dāng)然，一個(gè)電池可以至少由一個(gè)電池組成，但可以由許多電池組成，這些電池由并聯(lián)電池的串聯(lián)組組合而成。
前面給出的場(chǎng)景適用于單節(jié)電池。在電池由多個(gè)電池組成的情況下，必須調(diào)整充電電壓和充電電流以匹配。
因此，充電電壓乘以串聯(lián)電池或電池組的數(shù)量，同樣，充電電流乘以每個(gè)串聯(lián)組中并聯(lián)電池的數(shù)量。
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圖3 – LCO型電池的典型放電曲線 為鋰離子電池充電時(shí)必須考慮的一個(gè)非常重要的附加因素是溫度。鋰離子電池不能在低溫或高溫下充電。
在低溫下，鋰離子緩慢移動(dòng)。這可能導(dǎo)致鋰離子在陽(yáng)極表面聚集，最終變成鋰金屬。由于這種鋰金屬形成呈枝晶形式，因此可能會(huì)刺穿分離器，導(dǎo)致內(nèi)部短路。
在溫度范圍的高端，問(wèn)題是產(chǎn)生過(guò)多的熱量。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。如果核心的內(nèi)部溫度過(guò)高，電解質(zhì)可能會(huì)部分分解，并變成氣態(tài)副產(chǎn)物。這會(huì)導(dǎo)致電池容量永久減少以及膨脹。
鋰離子電池充電的典型溫度范圍為高質(zhì)量電池的0°C至45°C，較便宜的電池約為8°C至45°C。一些電池還允許在更高的溫度下充電，最高可達(dá)約60°C，但充電速率降低。
所有這些考慮因素通常都由專用充電器芯片滿足，強(qiáng)烈建議使用此類芯片，而不管實(shí)際的充電源如何。
鋰離子充電器
鋰離子充電器大致分為兩大類：線性和開(kāi)關(guān)充電器。這兩種類型都可以滿足前面關(guān)于鋰離子電池正確充電的要求。但是，它們各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
線性充電IC的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)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，則線性充電器的功耗將為2W。
如果該充電器嵌入在產(chǎn)品中，則必須散發(fā)大量熱量。這就是為什么線性充電器主要用于最大充電電流約為1A的情況。
對(duì)于大型電池，最好使用開(kāi)關(guān)充電器。在某些情況下，它們的效率水平可以高達(dá)90%。缺點(diǎn)是其成本較高，并且由于在其設(shè)計(jì)中使用電感器而對(duì)電路空間的要求稍大。
充電源注意事項(xiàng)
不同的應(yīng)用可以調(diào)用不同的充電源。例如，這可以是提供直流輸出的直式交流適配器，也可以是移動(dòng)電源。它也可以是來(lái)自臺(tái)式機(jī)或類似設(shè)備的USB端口。它也可能來(lái)自太陽(yáng)能電池板組件。
由于這些不同電源的供電能力，除了簡(jiǎn)單地選擇線性或開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)。
最直接的情況是充電源提供穩(wěn)壓直流輸出，如交流適配器或移動(dòng)電源。唯一的要求是選擇不超過(guò)電池最大充電速率或電源供電能力的充電電流。
從USB電源充電需要更多的關(guān)注。如果USB端口是USB2.0 類型，則它將遵循USB電池充電標(biāo)準(zhǔn)1.2或BC1.2。
這要求任何負(fù)載（在本例中為電池充電器）不應(yīng)超過(guò)100mA，除非負(fù)載已與源一起枚舉。在這種情況下，允許它在5V時(shí)采用500mA電流。
如果USB端口是USB3.1，那么它可以遵循USB BC1.2，或者可以在設(shè)計(jì)中加入主動(dòng)控制器電路，以協(xié)商遵循USB供電或USB PD協(xié)議的更多功率。
太陽(yáng)能電池作為充電源提出了另一組挑戰(zhàn)。太陽(yáng)能電池電壓 - 電流，或VI，有點(diǎn)類似于常規(guī)二極管。常規(guī)二極管不會(huì)傳導(dǎo)任何低于其最小正向電壓值的可觀電流，然后只需略微增加正向電壓即可通過(guò)更大的電流。
另一方面，太陽(yáng)能電池可以在相對(duì)平坦的電壓下提供電流，直到達(dá)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，以調(diào)節(jié)從太陽(yáng)能電池吸收的電流，以免導(dǎo)致輸出電壓過(guò)低。
強(qiáng)烈建議花時(shí)間尋找合適的充電IC，而不是從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)電池充電器。
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