鋰離子電池及其電池充電器之設(shè)計參考

1、鋰離子電池及其電池充電器之設(shè)計參考便攜式產(chǎn)品皆以電池作為電源。隨著便攜式產(chǎn)品的快速進(jìn)展，各種電池的用量大增，并且開發(fā)出許多新型電池。除大家較認(rèn)識的堿性電池、可充電的鎳鎘電池、鎳氫電池外，還有近年來成為主流的鋰離子電池。這里會介紹有關(guān)鋰離子電池的相關(guān)學(xué)問，包括它的特性、主要參數(shù)、應(yīng)用范圍，最后并提供鋰離子電池充電線路之設(shè)計參考。鋰離子電池進(jìn)展與應(yīng)用鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的可再次充電式電池，它按照不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長方形、圓柱形、長方形及扣式，可以單節(jié)電池用法于低功率應(yīng)用，也可以將多節(jié)電池舉行串并聯(lián)組合得到更高與容量，用于電動工具與筆記型計算機(jī)。鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體

2、、聚合物(鋰離子/鋰聚合物電池)、或凝膠體與聚合物的混合物。由于目前尚未發(fā)覺能夠在室溫條件下有效運(yùn)輸鋰離子的聚合物，所以大多數(shù)的鋰離子/ 鋰聚合物電池事實(shí)上是結(jié)合凝膠體和聚合物的混合型電池。鋰離子電池有別于普通的化學(xué)電池，其充放電工作過程是通過電池正負(fù)極中鋰離子的嵌入和脫嵌來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)對電池舉行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液移動到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有無數(shù)微孔，達(dá)到負(fù)極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充量越高。同樣，當(dāng)對電池舉行放電時，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又移動回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就

3、是放電容量。在充放電過程中，鋰離子處于從正極到負(fù)極到正極的循環(huán)運(yùn)動狀態(tài)。因?yàn)殇囯x子電池中用法的是離子狀態(tài)的鋰而非金屬鋰，危急性低，平安性高。電池特性電池的性能參數(shù)主要有電動勢、容量、比能量和。電動勢等于單位正電荷由負(fù)極通過電池內(nèi)部移到正極時，電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時作單位。在電池反應(yīng)中，每公斤反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱為電池的理論比能量。所謂比能量指的是單位分量或單位體積中所儲存的能量，以wh/kg或wh/l來表示。wh是能量的單位，w是瓦、h是小時；kg是千克(分量單位)，l是升(體積單位

4、)。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。由于電池中的反應(yīng)物并不全按電池反應(yīng)舉行，同時電池內(nèi)阻也會引起電壓降。另一方面，流過電池的截面積越大，其內(nèi)阻越小。鋰離子電池的最大特點(diǎn)是比能量高，現(xiàn)今的鋰離子電池技術(shù)可達(dá)到比能量為80120 wh/kg，而傳統(tǒng)鉛酸電池的比能量僅為3040 wh/kg，因此鋰離子電池可以以較小體積儲存更高能量，有助于講求輕薄短小的行動電子裝置與要求高續(xù)航力的電動車應(yīng)用。以下亦列出鋰離子電池的幾項(xiàng)特點(diǎn)：高容量：鋰離子電池的分量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。高電壓 ：一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7v(標(biāo)稱值)，相當(dāng)于三個串聯(lián)

5、的鎳鎘或鎳氫電池。高穩(wěn)定：因?yàn)椴缓饘黉?，危急性低，因而不受飛機(jī)運(yùn)送關(guān)于禁止在客機(jī)攜帶規(guī)定的限制。長壽命：可充電鋰離子電池充電全滿時、電壓約為4.2伏特，放電時電壓會下降、但不宜低于約2.5伏特，保存電壓或出廠電壓約為3.6至3.7伏特。用法壽命主要關(guān)鍵為充電次數(shù)，優(yōu)良的可充電鋰離子電池約有500次以上的壽命(由2.5伏特充電至4.2伏特算一次)，且鋰離子電池不存在記憶效應(yīng)。迅速充電：用法額定電壓為4.2v的定電壓/定電流充電器，可以使鋰離子電池在12.5個小時內(nèi)就彌漫電。但須注重假如充電電壓超過4.3伏特以上，有爆炸的危急。電池電壓低于2.0伏特，則鋰離子電池?fù)p毀，無法再用法或充電。電池充電

6、方式由以上可以知道，鋰離子電池雖然具有高容量與長壽命的優(yōu)勢，但是在充放電方面則需特殊注重，因此全部可充電鋰離子電池都需要配置其“充放電管理ic”，用以限制充電及放電電壓，以確保不超過平安電壓致電池爆炸，當(dāng)電池電壓低于2.5v切斷輸出，避開電池壽命縮短。除少數(shù)標(biāo)準(zhǔn)品之外，多數(shù)鋰離子電池體積外型各異，以實(shí)際應(yīng)用為主，容量規(guī)格也不盡相同，因此充電電流由各創(chuàng)造廠商自行設(shè)計規(guī)范。依據(jù)電流大小而有所謂快充或慢充模式；然大電流的充電模式通常有損用法壽命。雖然電池組中已包含有充電管理ic，但此僅作為電池爆炸或防止燃燒的最低庇護(hù)措施，而非正常的用法方式，為充分達(dá)到電池的壽命與效率，充電器的設(shè)計仍需離此一上下限甚

7、遠(yuǎn)。除了過放電之外，鋰離子電池也不適合用作大電流放電，大電流放電時會降低放電時光(內(nèi)部會產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量)。因此電池創(chuàng)造商規(guī)范該產(chǎn)品最大放電電流，在用法中應(yīng)小于最大放電電流。鋰離子電池對充電品質(zhì)的要求很高，需要精密的充電以保證充電的平安，尤其要求終止充電電壓精度在額定值的1%之內(nèi)(例如:充4.2v的鋰離子電池，其允差為±0.042v)過壓充電可能對鋰離子電池造成永遠(yuǎn)性損壞，嚴(yán)峻者導(dǎo)致電池爆炸；鋰離子電池的充電電流應(yīng)按照電池創(chuàng)造廠的規(guī)范選用。雖然某些電池充電電流標(biāo)稱可達(dá)2c(c是電池的容量，標(biāo)示如1000mah，1c充電率即充電電流為1a)，但高充電電流會降低電池壽命，因此普通

8、常用的充電率為0.25c1c。因充電過程的電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生熱，有一定的能量損失；另外鋰離子電池充電并非所有采納定電流充電，還有定電壓模式充電，所以實(shí)際充電時光約為2.5小時左右；鋰離子電池充電的溫度在0 60范圍。假如充電電流過大會產(chǎn)生溫度過高，不僅會損壞電池并可能引起爆炸。因此在大電流充電時，需要對電池舉行溫度檢測，并且在超過設(shè)定充電溫度時能停止充電以保證平安。另外，充電器電路中有設(shè)定的限流電阻，保證充電電流不超過設(shè)定的限制電流。目前鋰離子電池的充電器常采納三段充電法，即預(yù)充電模式(pre-charging mode)、定電流充電(fast charging mode)、定電壓充電模式(co

9、nstant voltage mode)。鋰離子電池終止放電電壓為2.5v。設(shè)計完美的充電器可對過放的電池舉行拯救修復(fù)，即在正式充電前舉行預(yù)處理。于充電前先檢測電池的電壓：若電池電壓大于 3v，則按正常方式充電；若電池電壓低于3v，則以小電流(約為10%的定電流模式充電電流)充電稱之為預(yù)充電模式，讓處于深度放電狀態(tài)下而溶解的鈍化膜舉行還原。此外，當(dāng)電池過度放電時，還可能釋出部分銅金屬在陽極造成短路，此時若以高電流舉行強(qiáng)迫充電就會導(dǎo)致電池過熱，而預(yù)充電階段則能避開這種現(xiàn)象發(fā)生。等充到3v后再按正常定電流方式充電。當(dāng)電池電壓大于3v，則按正常方式充電的充電特性1所示(以4.2v鋰離子電池為例)。開頭以設(shè)定的定電流模式充電，此時電池電壓以較快的斜率升高，隨