鋰離子電池的快速充電電路的特性及分析
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-03 15:22
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盡管鋰離子 (Li-ion) 電池存在一個(gè)缺點(diǎn)，即設(shè)計(jì)人員必須限制充電速率以避免損壞電池和造成危險(xiǎn)，但這種電池的優(yōu)勢(shì)鞏固了其作為便攜式電子產(chǎn)品主要電源的地位。幸運(yùn)的是，如今的鋰離子電池更加耐用，并可使用“快速充電”技術(shù)更快地進(jìn)行充電。
本文將詳細(xì)介紹鋰離子電池的發(fā)展、電化學(xué)的最佳充電周期以及一些快速充電電路。本文還將解釋加速充電的缺點(diǎn)，使工程師能夠在下次設(shè)計(jì)充電器時(shí)做出明智的選擇。
鋰離子 (Li-ion) 電池背后的概念很簡(jiǎn)單，但仍然歷經(jīng)了四十多年的努力并投入大量研究資金，才開(kāi)發(fā)出為當(dāng)今大多數(shù)便攜式產(chǎn)品可靠供電的技術(shù)。
最早的電池很脆弱，在充電期間容易過(guò)熱，但是經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，這些缺點(diǎn)已被克服。盡管如此，為確保達(dá)到滿電量，同時(shí)避免因過(guò)度充電而帶來(lái)相關(guān)的永久性損壞風(fēng)險(xiǎn)，充電時(shí)仍然需要按照精確的方案來(lái)限制充電電流。好消息是，材料科學(xué)和電化學(xué)的最新發(fā)展提高了電池離子的遷移率。遷移率越高，充電電流越大，并能加快充電周期“恒流”部分的充電速度 。
得益于這些發(fā)展，配備最新一代鋰離子電池的智能手機(jī)能夠在 20 到 30 分鐘內(nèi)從約 20% 的電量充電至 70%。電池能快充至四分之三電量，這一技術(shù)吸引了時(shí)間有限的消費(fèi)者，為支持安全快速充電的充電器開(kāi)辟了一個(gè)市場(chǎng)領(lǐng)域。為應(yīng)對(duì)此趨勢(shì)，芯片供應(yīng)商為設(shè)計(jì)人員提供了促進(jìn)各種充電速率的 IC，以便加快鋰離子電池的充電速率。雖然實(shí)現(xiàn)了更快的充電速率，但始終需要進(jìn)行權(quán)衡。
便攜式電源增強(qiáng)
鋰離子電池基于插層化合物。這種材料具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，可讓鋰離子從層遷移或駐留在層間。在鋰離子電池放電期間，離子從負(fù)電極通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)到正電極，使電子在電路中沿相反方向移動(dòng)，從而為負(fù)載供電。一旦負(fù)電極中的離子耗盡，電流就會(huì)停止流動(dòng)。給電池充電會(huì)迫使離子在電解質(zhì)中移回并將其自身嵌入負(fù)電極中，為下一個(gè)放電循環(huán)做好準(zhǔn)備
鋰離子電池的快速充電電路的特性分析
在鋰離子電池中，鋰離子從一個(gè)插層化合物移動(dòng)到另一個(gè)插層化合物，而電子在電路中流動(dòng)，從而為負(fù)載供電。
如今的電池使用基于鋰的插層化合物，例如正電極采用鋰鈷氧化物 (LiCoO2)，由于比高反應(yīng)性純鋰穩(wěn)定得多，因此也更安全。負(fù)電極則采用石墨（碳）。
雖然這些材料令人滿意，但并不完美。每次離子移動(dòng)時(shí)，一些離子會(huì)與電極發(fā)生反應(yīng)，變成材料的固有部分，從而失去電化學(xué)反應(yīng)能力。因此，隨著自由離子的供應(yīng)逐漸耗盡，電池壽命也在縮短。更糟糕的是，每個(gè)充電循環(huán)都會(huì)導(dǎo)致電極的體積膨脹。這會(huì)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)施加應(yīng)力，并導(dǎo)致微觀損傷，從而降低電極容納自由離子的能力。而這樣就會(huì)限制充電周期的次數(shù)。
一直以來(lái)，解決這些不足之處都是近期鋰離子電池研究的重點(diǎn)，其主要目標(biāo)是將更多鋰離子填充到電極中以增加能量密度（定義為每單位體積或重量的能量）。這使得離子更容易移入和移出電極，而且也能輕松通過(guò)電解質(zhì)（即，增強(qiáng)離子遷移率）。
充電時(shí)間（針對(duì)給定電流條件）最終取決于電池的容量。例如，當(dāng)使用 500 mA 電流進(jìn)行充電時(shí)，3300 mAhr 智能手機(jī)電池的充電時(shí)間約為 1600 mAhr 電池的兩倍。考慮到這一點(diǎn)，工程師用“C”來(lái)定義充電速率，其中 1 C 等于電池可供電一小時(shí)的最大電流。例如，對(duì)于 2000 mAhr 的電池，C = 2 A。相同的方法適用于充電。將 1 A 的充電電流施加到 2000 mAhr 電池相當(dāng)于 0.5 C 的速率。
那么，得出的結(jié)論似乎就是，增加充電電流將會(huì)減少充電時(shí)間。確實(shí)如此，但只是在某種程度上是。首先，離子的遷移率有限，因此如果充電電流的增加量超過(guò)某個(gè)閾值，并不會(huì)使離子移動(dòng)得更快。相反，能量實(shí)際上會(huì)以熱量的形式消散，造成電池內(nèi)部溫度升高，并產(chǎn)生永久性損壞的風(fēng)險(xiǎn)。其次，在高電流下，不受限制的充電做法最終會(huì)導(dǎo)致大量離子嵌入負(fù)電極中，令電極解體并損壞電池。
最近的發(fā)展顯著改善了最新鋰離子電池的離子遷移率，允許使用更高的充電電流，同時(shí)內(nèi)部溫度不會(huì)危險(xiǎn)地升高。但即使在最現(xiàn)代的產(chǎn)品中，仍存在過(guò)度充電的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)檫@是電池物理結(jié)構(gòu)的直接結(jié)果。因此，鋰離子電池制造商規(guī)定了嚴(yán)格的充電方案，幫助保護(hù)產(chǎn)品免受損壞。
