锂电池充电器设计

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1.2 锂离子电池的工作原理

锂离子电池目前有液态锂离子电池（LIB）和聚合物锂离子电池（PLIB）两类。其中，液态锂离子电池是指以Li＋嵌入化合物为正负极的二次电池。正极采用锂离子化合物锂钴氧化物（LiCoO2），锂镍氧化物（LiNiO2）或锂锰氧化物（LiMn2O4），负极采用锂－碳层间化合物LixC6电解质为溶解有锂LiPF6,LiAsF6等有机溶剂。聚合物锂电池的正极和负极与液态锂离子电池相同。只是原来的液态电解质改为含有锂盐的凝胶聚合物电解质,而目前主要开发的就是这种。

对于锂离子电池，使用不同的活性材料，包括电池的正极材料，负极材料和电解质，电池的性能特性也会有所区别。负极材料中，目前常用的有焦碳和石墨。其中，石墨由于低成本、低电压（可以得到高的电池电压）、高容量和高可恢复的优点，被广泛采用。正极材料中，主要以锂金属氧化物为主。目前常用的有锂钴氧化物（LiCoO2）、锂镍氧化物（LiNiO2）、锂锰氧化物（LiMn2O4）以及纳米锰氧化物。其中，锂钴氧化物具有电压高、放电平稳、适合大电流放电、比能量高、循环性好的优点，并且生产工艺简单、电化学性质稳定，其作为锂离子电池的正极材料，适合锂离子的嵌入和脱出。锂镍氧化物自放电率低，没有环境污染，对电解液的要求较低,与锂钴氧化物相比，具有一定的优势。锂锰氧化物优点是稳定性好，无污染，工作电压高、成本低廉。锂离子电池中的电解质使用有机溶剂作为锂离子的传输介质。锂离子电池对电解质溶剂的要求是：高导电性、高分解电压、无污染、安全。

锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正负两极由两种锂离子嵌入化合物组成。充电时，Li＋从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极的电荷平衡，放电时则相反，Li从负极脱嵌，经电解质嵌入正极（这种循环被形象的称为摇椅式机制）。在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物层间嵌入嵌出，因为过渡金属氧化物LiCoO2，LiNiO2中低自旋配合物多，晶格体积小，在锂离子嵌入脱嵌时，晶格膨胀收缩性小，结晶结构稳定，因此循环性能好，而且充放电过程中，负极材料化学结构基本不变，因此从充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆过程。

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1.3 锂离子电池的电特性及充电方式

1.3.1 锂离子电池的充放电特性

根据锂离子电池本身的结构特征，其充放电有着与镍基材料化学电池完全不同的充放电特性。它的充电过程一般采用恒流转恒压的充电模式。充电开始为恒流充电阶段：电池的电压较低，充电的电流基本不变，充电的速率一般为1C(C=充电电流/电池容量)，对于500mAh的电池即为500mA的充电电流。随着充电的继续进行，电池的电压逐渐上升。当单体电池的电压升到4.2V时，充电器立即转入恒压充电：恒压充电时，单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.2 V±50mV，若充电电压超过4.5V可能造成理离子电池的永久性破坏。此阶段为恒压充电阶段，充电电流下降较快，温度上升，最后当电流下降到某一范围，进入涓流充电阶段：涓流充电也称维护充电，在维护充电状态下，充电器以某一充电速率给电池继续补充电荷，最后使电池处于充足状态。用这种方法，第一个小时可充入电池额定容量的80%，两小时后电池即可充到额定容量。电池充电终止的检测方法是判断充电电流，当充电电流降到某一定值时终止充电。例如充电电流降80mA(典型值为起始充电电流的10%左右)时终止充电，也可以在检测到电池电压达到4.2V时启动定时器，在一定的延时后终止充电。锂离子电池典型充电特性曲线如图1-1所示：

图1-1 锂电池充电曲线示意图

锂离子电池的放电特性比较简单。一般，锂离子电池放电起始电压为4.2V，放电终止电压约为2.5V，放电终止时，电池电压不得低于2.2V，否则将造成电池的永久性损坏。此外锂离子电池的放电电流也不应过大，放电电流一般不应超过3C，否则也会严重影响电池寿命与使用质量。需强调的一点是，不同的放电速率放出锂离子电池额定容量的程度也不同，例如容量为500mAH的锂电池用0.2C(100mA)的放电速率放电时，可放出全部

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额定容量，而采用1C(500mA)的放电速率，只能放出额定容量的90%。锂离子电池的一个特点是比较容易显示剩余电量，因为其工作电压随时间徐徐下降，而镍镉电池镍氢电池则保持一定的电压值，直到放电末期，电压才急速下降。因此锂离子电池放电过程，可通过对照放电特性曲线图，测量电池两端的电压来判断剩余电量。锂电池放电特性示意图如图1.2所示：

图1-2 锂电池放电特性示意图

1.3.2 锂电池的充电方法

锂离子电池的更高化学能量密度和更高电池电压使得我们可以为便携式应用制造出更小和更轻的电池，更轻和更小的电源对便携式应用而言常常是至关重要的。不过，要想充分利用电池容量或延长电池寿命，必须极其严格地控制充电参数。在充电过程中，施加电压的精度对提高电池的效率和延长电池的寿命具有非常重要的作用。超过充电终止电压将导致过充电，这在短期内会增加电池的供电量，但长期来说则会导致电池失效并产生安全问题。充电终止电压每提高1%，电池的初始容量就会增大约5%。这种显而易见的短期增益效应会对电池的充电/放电次数产生严重的后果。过充电导致了充电次数的减少。另一方面，欠充电尽管不会产生安全问题，但会显著减小电池的容量。因此，延长电池寿命的关键是合理选择充电方法及参数，如电流、电压和温度。目前锂电池充电主要有四种方法：恒流充电、恒压充电、恒流恒压充电和脉冲充电。

1.恒流充电（CC）

恒流充电根据其充电电流的大小，又可分为浮充充电（又称涓流充电）、标准充电及快速充电。该方法在整个充电过程中采用恒定电流对电池进行充电，如图1-3所示。

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