人們一直非常重視提高鋰離子電池的容量，以期以物理尺寸最小的電池實現(xiàn)最長的產(chǎn)品工作時間。但是在有些實例中，較長的電池壽命、較多的充電次數(shù)或較安全的電池比電池容量更重要。

幾乎所有高性能便攜式產(chǎn)品都會使用包括鋰離子聚合物電池在內(nèi)的可再充電鋰離子電池，這么做的理由非常充分。與其它可再充電電池相比，鋰離子電池有較高的能量密度、較高的電池電壓、自放電少、周期壽命非常長，而且環(huán)保且充電和維護(hù)簡單。另外，由于其具有相對高的電壓(2.9V 至 4.2V)，因此很多便攜式產(chǎn)品都能用單節(jié)電池工作，從而簡化了產(chǎn)品總體設(shè)計。 

鋰離子電池的基本知識

在介紹電池充電器如何延長電池壽命之前，快速回顧一下鋰離子電池的基本知識是必要的。鋰是最輕的金屬之一，也是最容易起化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)之一，且具有最高的電化學(xué)電勢，因此是非常理想的電池材料。鋰離子電池不含金屬態(tài)鋰，而是使用鋰離子，在充電和放電時鋰離子往來穿梭于電池的陰極和陽極之間。 

鋰離子電池的類型

盡管有很多不同類型的鋰離子電池，但是目前在生產(chǎn)中最常用的化學(xué)材料只有 3 類，而且都與電池中使用的陰極材料有關(guān)。鋰鈷材料在筆記本電腦、相機(jī)和手機(jī)電池中更常用，這主要是因為這類材料具有較大的充電容量。在需要大的充電電流、需要提高安全性時或在成本是關(guān)鍵因素的應(yīng)用中，就使用其它化學(xué)材料。另外，新的混合型鋰離子電池也處于開發(fā)中，這種電池采用了納入每種化學(xué)材料最佳特性的組合陰極材料。 

與采用其它化學(xué)材料的電池不同，鋰離子電池技術(shù)尚未成熟。人們正在研究比今天的電池具有更高容量、更長壽命和更高性能的新型電池。圖 1 突出顯示了每種類型電池的重要特點(diǎn)。 

鋰離子聚合物電池

鋰離子聚合物電池的充放電過程和特性與標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池類似。兩者的主要差別是，在鋰離子聚合物電池中，固態(tài)離子傳導(dǎo)聚合物取代了標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池中使用的液態(tài)電解質(zhì)，但是大多數(shù)聚合物電池還含有一種電解質(zhì)凝膠，以降低電池內(nèi)部電阻。去掉液態(tài)電解質(zhì)后，聚合物電池可以用鋁箔包裝，而不是采用標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池所需的那種重金屬外殼。由于生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性并可以靈活地做成很多不同的形狀(包括非常薄的形狀)，因此鋰離子聚合物電池越來越受歡迎。 

電池壽命

所有可再充電電池都會用壞，鋰離子電池也不例外。電池制造商通常認(rèn)為，電池容量降至額定容量的 80% 時，電池壽命終止。不過，低于 80% 充電容量時，盡管工作時間縮短了，但是電池仍然能夠提供可用功率。 

提到電池壽命時，常常用充電/放電周期數(shù)來表示，但是周期壽命和電池壽命(或服務(wù)壽命)的時間長度可能不同。充電和放電最終將減少電池的活性材料，并引起其它化學(xué)材料的變化，從而引起內(nèi)部電阻提高和永久性容量損失。但是，即使電池未使用時也會發(fā)生永久性容量損失。在溫度升高、電池電壓保持在 4.2V(滿充電)時，永久性容量損失最大。 

為了最大限度延長儲存壽命，電池應(yīng)該以 40% 的充電量(3.6V)在 40oF 的溫度下(冰箱中)儲存。也許，對鋰離子電池而言，一種最不利的情況是，白天將筆記本電腦放在辦公桌上使用，電池在電腦中，而且連著充電器。筆記本電腦工作時一般微溫甚至發(fā)熱，這提高了電池溫度，而充電器又保持電池接近 100% 充電。這兩種情況都會縮短電池壽命，可能縮短半年到一年。如果可能的話，筆記本電腦放在辦公桌上使用時，可以將電池卸下來，用交流適配器為電腦供電。筆記本電腦電池如果呵護(hù)得當(dāng)，服務(wù)壽命可以達(dá)到 2 至 4 年或更長。 

鋰離子電池容量損失

有兩種類型的電池容量損失：可恢復(fù)性損失和永久性損失。鋰離子電池滿充電以后，一般在 24 小時之內(nèi)會損失約 5% 的容量，然后，由于自放電，每個月?lián)p失約 3%，如果電池組有保護(hù)電路，那么每個月還會額外損失 3%。電池溫度保持在 20oC 左右時，發(fā)生這么多自放電損失，隨著溫度升高和電池老化，自放電損失會大大提高。這種容量損失可以通過給電池再充電恢復(fù)。 

永久性容量損失，正如其名字所指出的那樣，是不能通過充電來恢復(fù)的永久性損失。這種損失與電池壽命有關(guān)，因為永久性容量損失使電池容量降至額定容量的 80% 左右時，電池就被認(rèn)為壽命終止。引起永久性容量損失的主要原因是，滿充電/放電周期數(shù)、電池電壓和電池溫度。電池保持在 4.2V 或 100% 充電水平(或?qū)α姿徜囯x子而言為 3.6V)的時間越長，容量損失越快。不管電池是正在充電還是剛好在電壓接近 4.2V 的滿充電狀態(tài)，都是這樣。總是保持鋰離子電池處于滿充電狀態(tài)會縮短其壽命?？s短電池壽命的化學(xué)變化在它一制造出來時就開始了，高浮動電壓和高溫會加速這些變化。永久性容量損失是不可避免的，但是在充電、放電或只是儲存電池時，通過遵守良好的電池使用慣例，永久性容量損失可以控制到最小。采用部分放電方法可以極大地提高周期壽命，充電量低于容量的 100% 甚至可以進(jìn)一步延長電池壽命。 

決定鋰離子電池周期壽命或服務(wù)壽命的因素

不存在任何延長或縮短電池壽命的單一因素，而常常是幾種因素合起來發(fā)揮作用。 

就延長周期壽命而言： 

(1) 采用部分放電的做法。在再充電前僅使用 20% 或 30% 的電池容量會極大延長周期壽命。作為一個一般性的規(guī)則，5 至 10 個淺放電周期等于 1 個滿放電周期。盡管部分放電周期可能達(dá)到數(shù)千次，但是保持電池處于滿充電狀態(tài)也縮短電池壽命。如果可能，應(yīng)該避免滿放電周期(降至 2.5V 或 3V，取決于化學(xué)材料)。 

(2) 避免充電至容量的 100%。選擇一個較低的浮動電壓可以做到這一點(diǎn)。降低浮動電壓將提高周期壽命和服務(wù)壽命，代價是降低電池容量。浮動電壓降低 100mV 至 300mV 可以將周期壽命延長 2 至 5 倍或更長。與其它化學(xué)材料相比，鋰離子鈷化學(xué)材料對較高浮動電壓更敏感。磷酸鋰離子電池一般比更常見的鋰離子電池的浮動電壓低。 

(3) 選擇合適的充電終止方法。選擇一個采用最小充電電流終止(C/10 或 C/x)的充電器，通過不充電到容量的 100%，也可以延長電池壽命。例如，電流降至 C/5 時結(jié)束充電周期與將浮動電壓降至 4.1V 的效果類似。在這兩種情況下，電池都只充電至約為容量的 85%，這是決定電池壽命的一個重要因素。 

(4) 限制電池溫度。限制電池的極限溫度可以延長電池壽命，尤其是禁止在 0oC 以下充電。在 0oC 以下充電促進(jìn)金屬在電池陽極上的鍍敷，這可能造成內(nèi)部短路，產(chǎn)生熱量并使電池不穩(wěn)定和不安全。很多電池充電器都有測量電池溫度的裝置，以確保不會在極限溫度時充電。 

(5) 避免大的充電和放電電流，因為這會縮短周期壽命。有些化學(xué)材料更適合較大電流，如鋰離子錳和磷酸鋰離子電池。大電流給電池施加了過大的壓力。 

(6) 避免低于 2V 或 2.5V 的深度放電，因為這會迅速永久性損壞鋰離子電池。可能發(fā)生內(nèi)部金屬鍍敷，這會引起短路，使電池不可用或不安全。大多數(shù)鋰離子電池在電池組內(nèi)部都有電子電路，如果充電或放電時電池電壓低于 2.5V、超過 4.3V 或如果電池電流超過預(yù)定門限值，該電子電路就會斷開電池連接。 

鋰離子電池充電方法

給鋰離子電池充電的推薦方法是，向電池提供一個 ±1% 限壓的恒定電流，直到電池充滿電，然后停止充電。用來決定電池何時充滿電的方法包括：給總的充電時間定時、監(jiān)視充電電流或兼用這兩種方法。第一種方法采用限壓恒定電流，變化范圍從 C/2 到 1C，持續(xù) 2.5 至 3 小時，使電池達(dá)到 100% 充電。也可以使用較低的充電電流，但是將需要更長時間。第二種方法與第一種方法類似，只是需要監(jiān)視充電電流。隨著電池的充電，電壓上升，這與采用第一種方法時完全相同。電池電壓達(dá)到編程限壓值(也稱為浮動電壓)時，充電電流開始下降。電流一開始下降時，電池約充電至容量的 50% 至 60%。浮動電壓繼續(xù)提供，直到充電電流降至足夠低的水平(C/10 至 C/20)，這時電池約充電至容量的 92% 至 99%，充電周期終止。目前，要為標(biāo)準(zhǔn)鋰離子電池快速充電(不到 1 小時)至容量的 100%，還沒有一種安全的方法。 

不推薦在電池充滿電后仍然給電池加上連續(xù)電壓，因為這會加速永久性容量損失，而且可能引起內(nèi)部鋰金屬鍍敷。這種鍍敷可能發(fā)展成內(nèi)部短路通路，引起過熱，使電池受熱時不穩(wěn)定。所需時間是幾個月。 

有些鋰離子電池充電器允許使用熱敏電阻監(jiān)視電池溫度。這么做的主要目的是，如果電池溫度超出推薦的 0oC 至 40oC 窗口范圍，就禁止充電。與鎳鎘或鎳氫金屬電池不同，鋰離子電池在充電時溫度上升非常少。圖 2 是一個典型的鋰離子電池充電曲線，圖中顯示了充電電流、電池電壓和電池容量隨時間的變化。 

CHARGE CURRENT：充電電流
CELL VOLTAGE：電池電壓
Constant Current：恒定電流
Constant Voltage：恒定電壓
Charge Capacity：充電容量
Charge Current：充電電流
CHARGE TIME：充電時間
Charger Float Voltage：充電器浮動電壓
Charge Rate：充電率
CHARGE CAPACITY：充電容量 

字母“C”

字母“C”是一個電池術(shù)語，用于指示電池制造商規(guī)定的電池放電容量，單位是 mAHr。例如，一個額定 2000mAHr 的電池可以為一個 2000mA 負(fù)載供電一小時，之后電池電壓才會降至零容量電壓。在這個例子中，以 C/2 的電流給電池充電意味著以 1000mA(1A)充電。字母“C”在電池充電器中變得很重要，因為它決定了電池充滿電所需的合適充電電流和時間長度。在討論最低充電電流終止方法時，采用 C/10 終止的 2000mAHr 電池將在充電電流降至低于 200mA 時終止充電周期。 

決定電池浮動電壓的因素

主要的決定因素是電池陰極中使用的活性材料的電化學(xué)電勢，就鋰而言約為 4V。增加其它化合物將提高或降低這個電壓。第二個因素是在電池容量、周期壽命、電池壽命和安全性之間取得平衡。圖 3 所示曲線顯示了電池容量和周期壽命之間的關(guān)系。 

CHARGE/DISCHARGE CYCLES：充電/放電周期
# of Cycles：周期數(shù)目
Capacity：容量
Unsafe Region：不安全區(qū)
CHARGE TERMINATION(FLOAT)VOLTAGE：充電終止(浮動)電壓
BATTERY CAPACITY：電池容量 

大多數(shù)鋰離子電池制造商都設(shè)置了一個 4.2V 浮動電壓，以此作為容量和周期壽命之間的最佳平衡。用 4.2V 作為恒定限壓值(浮動電壓)時，電池一般可以提供約 500 個充電/放電周期，然后電池容量降至 80%。一個充電周期由一個滿充電至一個滿放電過程組成。多個淺放電過程合起來構(gòu)成一個滿充電周期。 

盡管利用降低浮動電壓或最低充電電流終止方法充電至低于 100% 的容量最初會降低電池容量，但是隨著周期數(shù)增加到超過 500 次，較低浮動電壓的電池容量可以超過較高浮動電壓的電池容量。關(guān)于容量和充電周期數(shù)，圖 4 顯示了推薦浮動電壓與降低浮動電壓的比較情況。 

BATTERY CAPACITY：電池容量
4.2V Float Voltage：4.2V 浮動電壓
4.1V Float Voltage：4.1V 浮動電壓
Number of CHARGE CYCLES：充電周期數(shù)目 

由于不同的鋰離子電池化學(xué)材料和其他條件可能影響電池壽命，因此本文顯示的曲線只是估計的充電周期數(shù)和電池容量值。由于電池材料和制作方法的微小差別，甚至來自不同制造商的類似電池化學(xué)材料也可能產(chǎn)生有天壤之別的結(jié)果，電池制造商規(guī)定最終用戶必須使用的充電方法和浮動電壓，以滿足電池容量、周期壽命和安全規(guī)格要求。不建議充電至高于推薦的浮動電壓。很多電池含有電池組保護(hù)電路，如果超過最高電池電壓，該電路暫時斷開電池連接。一旦斷開，將電池組連接到充電器一般會復(fù)位電池組保護(hù)電路。電池組上常常印有一個電壓值，如單節(jié)電池為 3.6V。這個電壓不是浮動電壓，而是電池放電時的平均電池電壓。 

選擇電池充電器以延長電池壽命

盡管電池充電器對電池的深度放電、放電電流和電池溫度不加以控制，但是所有這些因素對電池壽命都有影響，很多充電器具有能夠延長電池壽命的功能，而且有時可以極大地延長電池壽命。 

電池充電器延長電池壽命的作用主要由充電器的浮動電壓和充電終止方法決定。凌力爾特公司的很多鋰離子電池充電器具有 4.2V ±1%(或更低)的固定浮動電壓，但是有一些產(chǎn)品為 4.1V 和 4.0V 以及具有可調(diào)浮動電壓。圖 5 顯示了一些具有較低浮動電壓的電池充電器，用來給 4.2V 鋰離子電池充電時可以延長電池壽命。 

不提供較低浮動電壓選項的電池充電器也能延長電池壽命。采用最小充電電流終止方法(C/10 或 C/x)的充電器通過選擇以恰當(dāng)?shù)某潆婋娏髦到K止充電周期，可以延長電池壽命。 

C/10 終止大約僅將電池充電至其容量的 92%，但是將提高周期壽命。C/5 終止可以將周期壽命延長一倍，但是電池充電量進(jìn)一步降低至約為容量的 85%。圖 6 顯示了凌力爾特公司的幾款充電器，分別采用 C/10(10% 電流門限)或 C/x(可調(diào)電流門限)充電終止模式。 

較長工作時間或較長電池壽命，能兼而有之嗎？

如果采用目前的電池技術(shù)，而且不增大電池尺寸，那么答案是不能。要實現(xiàn)最長的工作時間，充電器必須將電池充電至容量的 100%。這時電池電壓接近制造商推薦的浮動電壓，一般為 4.2V ±1%。遺憾的是，將電池充電至接近這個電壓值并保持在這個電壓值會縮短電池壽命。一個辦法是選擇較低的浮動電壓，禁止電池 100% 充電，但是這需要較高容量的電池才能實現(xiàn)同樣長的工作時間。當(dāng)然，在很多便攜式產(chǎn)品中，也許不選擇較大尺寸的電池。 

采用 C/10 或 C/x 最小充電電流終止方法與采用較低浮動電壓一樣，也可以對電池壽命有同樣的影響。浮動電壓降低 100mV，容量將降低約 15%，但是周期壽命可以延長一倍。同時，充電電流降至 20%(C/5)時終止充電周期，容量也降低 15%，同樣可將周期壽命延長一倍。 

放電時典型的鋰離子電池輸出電壓

可以預(yù)料，放電時，電池電壓會緩慢下降。放電電壓曲線隨時間的變化取決于幾個因素，這包括放電電流、電池溫度、電池老化程度和電池使用的陽極材料類型。目前，大多數(shù)鋰離子電池使用基于石油的焦炭或石墨。每種電池的電壓曲線如圖 7 所示。使用比較廣泛的石墨材料在容量的 20% 和 80% 之間放電電壓變化不大，然后在接近結(jié)束時迅速下降，而焦炭陽極具有比較陡的電壓斜坡和較低的 2.5V 截止電壓。用焦炭材料時大約的剩余電池容量更容易確定，簡單測量電池電壓就可以了。 

Cell Voltage：電池電壓
Graphite Anode：石墨陽極
Carbon Anode：炭陽極
Cut-Off Voltage：截止電壓
Discharge Capacity：放電容量 

并聯(lián)或串聯(lián)連接電池

為了提高容量，鋰離子電池常常并聯(lián)連接。除了電池必須采用相同的化學(xué)材料、來自同一制造商和尺寸相同，沒有其他特殊要求。串聯(lián)連接的電池更需要小心，因為常常需要電池容量匹配和電池平衡電路，以確保每節(jié)電池達(dá)到相同的浮動電壓和相同的充電水平。不建議串聯(lián)連接兩節(jié)電池(有各自的電池組保護(hù)電路)，因為容量失配可能導(dǎo)致一個電池達(dá)到過壓限值，從而斷開電池連接。另外，應(yīng)該從電池制造商購買已裝配了恰當(dāng)電路的多節(jié)電池組。 

結(jié)論

鋰離子電池的壽命由很多因素決定，其中最重要的是電池化學(xué)材料、放電深度、電池溫度和電池容量終止值。給電池充電到制造商建議的 100% 容量可達(dá)到制造商公布的滿充電/放電周期數(shù)。選擇允許充電至低于 100% 容量的充電器，將使需要延長電池壽命的應(yīng)用極大受益。這是通過選擇具有較低浮動電壓或較早終止充電周期的電池充電器實現(xiàn)的。

有必要介紹一下目前主要的手機(jī)電池充電方式。在過去，采用鋰電池的手機(jī)、GPS等便攜式終端大都采用充電IC加DC/DC或者PMU的拓?fù)鋵崿F(xiàn)功率轉(zhuǎn)換為整個系統(tǒng)供電。這種方式的好處是結(jié)構(gòu)簡單，成本也相對較低。然而其缺點(diǎn)也不容忽視：由于其判斷電池是否充滿的依據(jù)是充電電流的大小，但實際上系統(tǒng)本身在充電的同時也在消耗電池中的電流，因此系統(tǒng)根本無法精確估算電池是否已經(jīng)充滿。為了解決這一問題，人們開始引入軟件控制的方法對電池進(jìn)行持續(xù)充電。不過這種方案又帶來了電池長時間持續(xù)過飽和的弊端，從而導(dǎo)致電池壽命降低、嚴(yán)重時還會發(fā)生爆炸的情況。因此在智能手機(jī)市場中，原本屬于筆記本電腦的開關(guān)模式電池充電技術(shù)也開始大行其道。     

    開關(guān)模式充電方式的原理比較容易理解：電源開關(guān)的作用是充電的時候?qū)㈦姵嘏c系統(tǒng)隔離開來，而交流適配器的電流進(jìn)入充電接口之后也被分為兩路，一路為電池充電，一路則通過開關(guān)向系統(tǒng)中的DC/DC直接供電。開關(guān)模式的引入解決了不飽和充電或者長時間過飽和充電的問題，然而新的問題也隨之出現(xiàn)，正如TI中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理張洪為所言：“0.2美元的電源開關(guān)對于手機(jī)來說成本太高，而且由于DC/DC直接面臨適配器的過壓沖擊，這導(dǎo)致手機(jī)的損壞率更高。此外，其帶來的紋波噪聲也會影響手機(jī)呼叫的接通率。”     

    為了滿足便攜式終端鋰電池充電管理中所遇到的上述問題，在其最新推出的四款型號為BQ24071/線性電池充電IC中，TI采用了一種特有的結(jié)構(gòu)——除了充電控制器外，這些器件中還集成了兩個MOS管(如圖1所示)。其中，Q1用作預(yù)穩(wěn)壓，其作用是濾除過壓、紋波以及各種電源噪聲，以解決筆記本電腦開關(guān)模式充電方式中的缺點(diǎn)。同時，40mΩ的Q2則用來進(jìn)行有源切換。據(jù)稱，與一般毫秒級的有源切換不同，Q2的導(dǎo)通時間僅有微妙級，不僅減少了自身損耗，還避免了系統(tǒng)可能發(fā)生的復(fù)位現(xiàn)象。此外，由于Q1、Q2以及流入系統(tǒng)的電流都可以測到，這就避免了對電池是否充滿進(jìn)行誤判斷的可能。而當(dāng)電池充滿之后，由于沒有放電通道也不會出現(xiàn)放電的現(xiàn)象。從而徹底解決了便攜式鋰電池供電系統(tǒng)中電池充電的所有問題。