鋰離子電池工作原理及鋰電池充電電路圖

鋰離子電池工作原理正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫插，充電時(shí)鋰離子插入。電池總反應(yīng)以炭材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過(guò)程中，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí)，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。而作為負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，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，充電容量越高。同樣，當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行放電時(shí)（即我們使用電池的過(guò)程），嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出，又運(yùn)動(dòng)回正極?；卣龢O的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說(shuō)的電池容量指的就是放電容量。在Li-ion的充放電過(guò)程中，鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Li-ionBatteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運(yùn)動(dòng)員一樣在搖椅來(lái)回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫搖椅式電池。一般鋰電池充電電流設(shè)定在0.2C至1C之間，電流越大，充電越快，同時(shí)電池發(fā)熱也越大。而且，過(guò)大的電流充電，容量不夠滿(mǎn)，因?yàn)殡姵貎?nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)需要時(shí)間。就跟倒啤酒一樣，倒太快的話會(huì)產(chǎn)生泡沫，反而不滿(mǎn)。正極正極材料：可選正極材料很多，目前主流產(chǎn)品多采用鋰鐵磷酸鹽。正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。充電時(shí)：LiFePO?→Li1-xFePO?+xLi+xe放電時(shí)：Li1-xFePO?+xLi+xe→LiFePO?負(fù)極負(fù)極材料：多采用石墨。新的研究發(fā)現(xiàn)鈦酸鹽可能是更好的材料。負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫插，充電時(shí)鋰離子插入。充電時(shí)：xLi+xe+6C→LixC6放電時(shí)：LixC6→xLi+xe+6C鋰電池充電電路圖鋰電池是繼鎳鎘、鎳氫電池之后，可充電電池家族中的佼佼者．鋰離子電池以其優(yōu)良的特性，被廣泛應(yīng)用于:手機(jī)、攝錄像機(jī)、筆記本電腦、無(wú)繩電話、電動(dòng)工具、遙控或電動(dòng)玩具、照相機(jī)等便攜式電子設(shè)備中。

一、鋰電池與鎳鎘、鎳氫可充電池：

鋰離子電池的負(fù)極為石墨晶體，正極通常為二氧化鋰。充電時(shí)鋰離子由正極向負(fù)極運(yùn)動(dòng)而嵌入石墨層中。放電時(shí)，鋰離子從石墨晶體內(nèi)負(fù)極表面脫離移向正極。所以，在該電池充放電過(guò)程中鋰總是以鋰離子形態(tài)出現(xiàn)，而不是以金屬鋰的形態(tài)出現(xiàn)。因而這種電池叫做鋰離子電池，簡(jiǎn)稱(chēng)鋰電池。

鋰電池具有：體積小、容量大、重量輕、無(wú)污染、單節(jié)電壓高、自放電率低、電池循環(huán)次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較貴。鎳鎘電池因容量低，自放電嚴(yán)重，且對(duì)環(huán)境有污染，正逐步被淘汰。鎳氫電池具有較高的性能價(jià)格比，且不污染環(huán)境，但單體電壓只有1.2V，因而在使用范圍上受到限制。

二、鋰電池的特點(diǎn)：1、具有更高的重量能量比、體積能量比；

2、電壓高，單節(jié)鋰電池電壓為3.6V，等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯(lián)電壓；

3、自放電小可長(zhǎng)時(shí)間存放，這是該電池最突出的優(yōu)越性；

4、無(wú)記憶效應(yīng)。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應(yīng)，所以鋰電池充電前無(wú)需放電；

5、壽命長(zhǎng)。正常工作條件下，鋰電池充/放電循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)大于500次；

6、可以快速充電。鋰電池通常可以采用0.5～1倍容量的電流充電，使充電時(shí)間縮短至1～2小時(shí)；

7、可以隨意并聯(lián)使用；

8、由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，是當(dāng)代最先進(jìn)的綠色電池；

9、成本高。與其它可充電池相比，鋰電池價(jià)格較貴。三、鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

鋰電池通常有兩種外型：圓柱型和長(zhǎng)方型。

電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細(xì)而滲透性很強(qiáng)的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負(fù)極間間隔而成。正極包括由鋰和二氧化鈷組成的鋰離子收集極及由鋁薄膜組成的電流收集極。負(fù)極由片狀碳材料組成的鋰離子收集極和銅薄膜組成的電流收集極組成。電池內(nèi)充有有機(jī)電解質(zhì)溶液。另外還裝有安全閥和PTC元件，以便電池在不正常狀態(tài)及輸出短路時(shí)保護(hù)電池不受損壞。

單節(jié)鋰電池的電壓為3.6V，容量也不可能無(wú)限大，因此，常常將單節(jié)鋰電池進(jìn)行串、并聯(lián)處理，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的要求。字串5

四、鋰電池的充放電要求；

1、鋰電池的充電：根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)特性，最高充電終止電壓應(yīng)為4.2V，不能過(guò)充，否則會(huì)因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報(bào)廢。其充放電要求較高，可采用專(zhuān)用的恒流、恒壓充電器進(jìn)行充電。通常恒流充電至4.2V/節(jié)后轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)恒壓充電電流降至100mA以?xún)?nèi)時(shí)，應(yīng)停止充電。

充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1350mAh的電池，其充電電流可控制在135～2025mA之間）。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時(shí)間約為2～3小時(shí)。

2、鋰電池的放電：因鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應(yīng)縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是說(shuō)鋰電池不能過(guò)放電。放電終止電壓通常為3.0V/節(jié)，最低不能低于2.5V/節(jié)。電池放電時(shí)間長(zhǎng)短與電池容量、放電電流大小有關(guān)。電池放電時(shí)間（小時(shí)）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流(mA)不應(yīng)超過(guò)電池容量的3倍。（如1000mAH電池，則放電電流應(yīng)嚴(yán)格控制在3A以?xún)?nèi)）否則會(huì)使電池?fù)p壞。

目前市場(chǎng)上所售鋰電池組內(nèi)部均封有配套的充放電保護(hù)板。只要控制好外部的充放電電流即可。

五、鋰電池的保護(hù)電路：

兩節(jié)鋰電池的充放電保護(hù)電路如圖一所示。由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管和專(zhuān)用保護(hù)集成塊S--8232組成，過(guò)充電控制管FET2和過(guò)放電控制管FET1串聯(lián)于電路，由保護(hù)IC監(jiān)視電池電壓并進(jìn)行控制，當(dāng)電池電壓上升至4.2V時(shí)，過(guò)充電保護(hù)管FET1截止，停止充電。為防止誤動(dòng)作，一般在外電路加有延時(shí)電容。當(dāng)電池處于放電狀態(tài)下，電池電壓降至2.55V時(shí)，過(guò)放電控制管FET1截止，停止向負(fù)載供電。過(guò)電流保護(hù)是在當(dāng)負(fù)載上有較大電流流過(guò)時(shí)，控制FET1使其截止，停止向負(fù)載放電，目的是為了保護(hù)電池和場(chǎng)效應(yīng)管。過(guò)電流檢測(cè)是利用場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻作為檢測(cè)電阻，監(jiān)視它的電壓降，當(dāng)電壓降超過(guò)設(shè)定值時(shí)就停止放電。在電路中一般還加有延時(shí)電路，以區(qū)分浪涌電流和短路電流。該電路功能完善，性能可靠，但專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，且專(zhuān)用集成塊不易購(gòu)買(mǎi)，業(yè)余愛(ài)好者不易仿制。

六、簡(jiǎn)易充電電路：

現(xiàn)在有不少商家出售不帶充電板的單節(jié)鋰電池。其性能優(yōu)越，價(jià)格低廉，可用于自制產(chǎn)品及鋰電池組的維修代換，因而深受廣大電子愛(ài)好者喜愛(ài)。有興趣的讀者可參照?qǐng)D二制作一塊充電板。其原理是：采用恒定電壓給電池充電，確保不會(huì)過(guò)充。輸入直流電壓高于所充電池電壓3伏即可。R1、Q1、W1、TL431組成精密可調(diào)穩(wěn)壓電路，Q2、W2、R2構(gòu)成可調(diào)恒流電路，Q3、R3、R4、R5、LED為充電指示電路。隨著被充電池電壓的上升，充電電流將逐漸減小，待電池充滿(mǎn)后R4上的壓降將降低，從而使Q3截止，LED將熄滅，為保證電池能夠充足，請(qǐng)?jiān)谥甘緹粝绾罄^續(xù)充1—2小時(shí)。使用時(shí)請(qǐng)給Q2、Q3裝上合適的散熱器。本電路的優(yōu)點(diǎn)是：制作簡(jiǎn)單，元器件易購(gòu)，充電安全，顯示直觀，并且不會(huì)損壞電池．通過(guò)改變W1可以對(duì)多節(jié)串聯(lián)鋰電池充電，改變W２可以對(duì)充電電流進(jìn)行大范圍調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)是：無(wú)過(guò)放電控制電路。圖三是該充電板的印制板圖（從元件面看的透視圖）。

七、單節(jié)鋰電池的應(yīng)用舉例

1、作電池組維修代換品

有許多電池組：如筆記本電腦上用的那種，經(jīng)維修發(fā)現(xiàn)，此電池組損壞時(shí)僅是個(gè)別電池有問(wèn)題?？梢赃x用合適的單節(jié)鋰電池進(jìn)行更換。2、制作高亮微型電筒

筆者曾用單節(jié)3.6V1.6AH鋰電池配合一個(gè)白色超高亮度發(fā)光管做成一只微型電筒，使用方便，小巧美觀。而且由于電池容量大，平均每晚使用半小時(shí)，至今已用兩個(gè)多月仍無(wú)需充電。電路如圖四所示。3、代替3V電源

由于單節(jié)鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節(jié)鋰電池便可代替兩節(jié)普通電池，給收音機(jī)、隨身聽(tīng)、照相機(jī)等小家電產(chǎn)品供電，不僅重量輕，而且連續(xù)使用時(shí)間長(zhǎng)。

八、鋰電池的保存：

鋰電池需充足電后保存。在20℃下可儲(chǔ)存半年以上，可見(jiàn)鋰電池適宜在低溫下保存。曾有人建議將充電電池放入冰箱冷藏室內(nèi)保存，的確是個(gè)好注意。

九、使用注意事項(xiàng)：

鋰電池絕對(duì)不可解體、鉆孔、穿刺、鋸割、加壓、加熱，否則有可能造成嚴(yán)重后果。沒(méi)有充電保護(hù)板的鋰電池不可短路，不可供小孩玩耍。不能靠近易燃物品、化學(xué)物品。報(bào)廢的鋰電池要妥善處理。

四、鋰電池的充放電要求；

1、鋰電池的充電：根據(jù)鋰電池的結(jié)構(gòu)特性，最高充電終止電壓應(yīng)為4.2V，不能過(guò)充，否則會(huì)因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報(bào)廢。其充放電要求較高，可采用專(zhuān)用的恒流、恒壓充電器進(jìn)行充電。通常恒流充電至4.2V/節(jié)后轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)恒壓充電電流降至100mA以?xún)?nèi)時(shí)，應(yīng)停止充電。

充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1350mAh的電池，其充電電流可控制在135～2025mA之間）。常規(guī)充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時(shí)間約為2～3小時(shí)。

2、鋰電池的放電：因鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所致，放電時(shí)鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負(fù)極，以保證在下次充電時(shí)鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應(yīng)縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴(yán)格限制放電終止最低電壓，也就是說(shuō)鋰電池不能過(guò)放電。放電終止電壓通常為3.0V/節(jié)，最低不能低于2.5V/節(jié)。電池放電時(shí)間長(zhǎng)短與電池容量、放電電流大小有關(guān)。電池放電時(shí)間（小時(shí)）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流(mA)不應(yīng)超過(guò)電池容量的3倍。（如1000mAH電池，則放電電流應(yīng)嚴(yán)格控制在3A以?xún)?nèi)）否則會(huì)使電池?fù)p壞。

目前市場(chǎng)上所售鋰電池組內(nèi)部均封有配套的充放電保護(hù)板。只要控制好外部的充放電電流即可。該充電器系深圳超力通電子有限公司制造，包裝盒有以下說(shuō)明：執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：GB4943—2001性能：輸入：220V，50Hz/60Hz50mA 輸出：DC4.2V220mA±80mA特點(diǎn)：1、適用于對(duì)250—3000mAH容量手機(jī)鋰離子3.6V(Li-ion)電池充電。2、開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，適應(yīng)交流電壓寬150—265V供電。3、采用微電腦芯片對(duì)整個(gè)充電過(guò)程進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)和控制。4、充電安全、可靠、充電飽和自動(dòng)關(guān)機(jī)。5、外形美觀、輕巧、攜帶方便、操作簡(jiǎn)實(shí)用，可對(duì)絕大多數(shù)手機(jī)鋰離子電池3.6V(Li-ion)電池充電。打開(kāi)包裝盒，充電器外形如圖。出于好奇，筆者打開(kāi)了該充電器。其做工仔細(xì)，元件排列整齊，各元件都標(biāo)有編號(hào)及大小數(shù)值，交流輸入及直流輸出也做了標(biāo)注，并標(biāo)有“CLT—688”、“2004.11.18”的字樣。印制板做的也很美觀。如圖。筆者根據(jù)實(shí)物畫(huà)出了電路圖，如下圖(請(qǐng)點(diǎn)擊圖片查看放大后的電路)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析如下：該電路很簡(jiǎn)潔，采用了一塊軟封裝的集成塊并標(biāo)有AE3102字樣，通過(guò)對(duì)其8個(gè)引腳分析，是集成了兩個(gè)運(yùn)放。開(kāi)關(guān)電源部分采用抑制振蕩型開(kāi)關(guān)電源，它的簡(jiǎn)單工作原理是把220V交流電整流濾波成峰值電壓300V左右的三角波（濾波電容C1不用），利用穩(wěn)壓器組成電平開(kāi)關(guān)，控制開(kāi)關(guān)管Q1的振蕩與停止。此開(kāi)關(guān)電源初級(jí)電流很小，Q1的C極反峰電壓也較低，因此可以使用Vceo大于300V的TO-92封裝的小型開(kāi)關(guān)管，以縮小體積降低成本。開(kāi)關(guān)電源部分：Q1和開(kāi)關(guān)變壓器組成間歇振蕩器。充電器加電后，220V市電經(jīng)D1半波整流后在Q1的C極上形成一個(gè)300V左右的直流電壓，經(jīng)過(guò)變壓器初級(jí)加到Q1的C極，同時(shí)該電壓還經(jīng)啟動(dòng)電阻R2為Q1的B極提供一個(gè)偏置電壓。由于正反饋?zhàn)饔?，Q1的IC迅速上升而飽和，在Q1進(jìn)入飽和期間，開(kāi)關(guān)變壓器次級(jí)繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使D2導(dǎo)通，向負(fù)載輸出一個(gè)約9V左右的直流電壓。開(kāi)關(guān)變壓器的反饋繞組產(chǎn)生的感應(yīng)脈沖經(jīng)D3整流、C2濾波后產(chǎn)生一個(gè)與振蕩脈沖個(gè)數(shù)呈正比的直流電壓。此電壓若超過(guò)穩(wěn)壓管Z1的穩(wěn)壓值，Z1便導(dǎo)通，此負(fù)極性整流電壓便加在Q1的B極，使其迅速截止。Q1的截止時(shí)間與其輸出電壓呈反比。Z1的導(dǎo)通／截止直接受電網(wǎng)電壓和負(fù)載的影響：電網(wǎng)電壓越低或負(fù)載電流越大，Z1的導(dǎo)通時(shí)間越短，Q1的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，反之，電網(wǎng)電壓越高或負(fù)載電流越小，D3的整流電壓越高，Z1的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，Q1的導(dǎo)通時(shí)間越短。充電部分：手機(jī)電池殘留電壓（約3V）經(jīng)R17、R15分壓后，（1.3V）加至IC（AE3102）③腳，手機(jī)電池殘留電壓同時(shí)經(jīng)R16點(diǎn)亮LED1，經(jīng)LED1穩(wěn)壓后的電壓(1.8V)加至IC②腳，此電壓低于IC③腳電壓，IC①腳輸出低電平。此低電平使Q2導(dǎo)通，進(jìn)行充電。R8的作用是使LED1的穩(wěn)壓值更穩(wěn)定，LED1同時(shí)作電源指示。IC內(nèi)第Ⅱ運(yùn)放與④腳的C5組成振蕩電路。