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      鋰離子電池正確的充電方法,快來看看你錯了沒

      來源:鋰離子電池廠家?作者:諾信電子??發布時間:2020-07-06 17:41:34??閱讀數:

        常見的使用電池運行的電子設備,大多數選擇的電池類型都是鋰離子電池。

        在之前使用到的其他類型中,鎳鎘電池占比很大,在2003年2月,歐盟頒布了ROHS指令,規定2006年7月1日起,進入歐盟市場的電子電氣產品禁用6類有害物質。因此對這些類型的總體需求有所下降。

        鎳氫電池仍在使用,但其較低的能量密度和成本效益比使它們缺乏吸引力。本文將重點討論鋰離子電池及其正確的充電方法。

      鋰離子電池組成

        鋰離子電池被視為二次電池(可多次使用),這也就意味著它們是可充電的。最常見的類型包括陽極,該陽極由涂在銅基板或集電器上的石墨層制成,而陰極由鋰鈷氧化物涂在鋁基板上。

        隔膜通常是聚乙烯或聚丙烯薄膜,可將兩個電極電隔離,但允許鋰離子通過。如圖1所示。

        還使用各種其他類型的陽極和陰極材料,最常見的陰極通常將其名稱用于電池的類型描述。

        因此,鋰鈷氧化物陰極電池被稱為LCO電池。鋰鎳錳鈷氧化物類型被稱為NMC類型,而具有磷酸鋰鐵陰極的電池被稱為LFP電池。

      鋰離子電池的主要組件
      圖1 鋰離子電池的主要組件

        在實際的鋰離子電池中,這些層通常緊密地纏繞在一起,并且電解質雖然是液體,但勉強可以潤濕電極,并且內部沒有液體晃動。

        這種布置如圖2所示,它描繪了棱形或矩形金屬外殼電池的實際內部結構。其他常見的箱子類型是圓柱形和小袋(通常稱為聚合物電池)。

        該圖未顯示連接到每個集電器的金屬接線片。這些接線片是到電池的電氣連接,本質上是電池端子。

      鋰離子電池構建的圖像結果
      圖2 圓柱形鋰離子電池的內部結構

        給鋰離子電池充電涉及使用外部能源將帶正電的鋰離子從陰極驅動到陽極。因此,陰極帶負電,而陽極帶正電。

        從外部看,充電涉及電子從陽極側向充電源的移動,以及相同數量的電子被推入陰極。這是與鋰離子內部流動相反的方向。

        放電期間,外部負載跨接在電池端子之間。儲存在陽極中的鋰離子會移回到陰極。在外部,這涉及電子從陰極到陽極的移動。因此,電流流過負載。

        簡而言之,例如,在充電過程中電池內部發生的事情是,在鈷酸鋰的陰極側,它釋放了一些鋰離子,變成了一種鋰含量較低的化合物,仍然是化學穩定的。

        這些鋰離子在陽極側嵌入或嵌入石墨分子晶格的間隙中。

        在充電和放電期間必須考慮到的幾個問題。在內部,鋰離子在充電和放電期間必須穿過多個界面。例如,在充電期間,鋰離子必須從陰極的大部分傳輸到陰極到電解質的界面。

        它必須從那里穿過電解質,穿過隔板到達電解質與陽極之間的界面。最后,它必須從該界面擴散到大部分陽極材料。

        通過這些不同介質中的每一種的電荷傳輸速率取決于其離子遷移率。這又受諸如溫度和離子濃度的因素影響。

        實際上,這意味著在充電和放電期間必須采取預防措施,以確保不超出這些限制。

      鋰離子電池充電注意事項

      為鋰離子電池充電需要注意特殊的充電算法。分為以下幾個階段:

      1.細流充電(預充電)

        如果電池充電水平非常低,則以降低的恒定電流速率進行充電,該恒定電流速率通常約為接下來描述的全速率充電速率的1/10。

      在此期間,電池電壓增加,并且當其達到給定閾值時,充電率將增加到滿充電率。

        請注意,某些充電器將細流充電階段分為兩個階段:預充電和恒流充電,具體取決于電池電壓最初的電量。

      2.全部充電

        如果電池電壓初始足夠高,或者如果電池已充電至此點,則將啟動充滿電階段。

        這也是恒流充電階段,在此階段中,電池電壓繼續緩慢上升。

      3.錐形充電

        當電池電壓上升到最大充電電壓時,逐漸開始錐形充電階段。在此階段,充電電壓保持恒定。

        這一點很重要,因為如果以高于其最大電壓的電壓充電,鋰離子電池將發生災難性的故障。如果該充電電壓保持恒定在該最大值,則充電電流將緩慢減小。

      4.中斷/結束

        當充電電流降低到足夠低的值時,充電器與電池斷開連接。該值通常為全速率充電電流的1/10或1/20。

        重要的是不要使鋰離子充電電池浮動,因為這會長期降低電池的性能和可靠性。

        盡管上一節描述了各個充電階段,但并未提供各個階段的特定閾值。從電壓開始,每種鋰離子電池類型都有自己的滿充電端電壓。

        對于最常見的LCO和NCM類型,該電壓為4.2V。還有一些4.35V和4.45V。

        對于LFP類型,它是3.65V。對于LCO / NMC和LFP類型,流充電至充滿電閾值分別約為3.0和2.6。

        旨在為一種類型的鋰離子電池(例如LCO)充電的充電器不能用于為另一種類型的鋰離子電池(例如LFP電池)充電。

        但是請注意,有些充電器可以配置為多種類型的充電器。這些通常需要在充電器設計中使用不同的組件值,才能容納每種類型的電池。

        關于充電電流,需要一些解釋。傳統上,鋰離子電池的容量報告為mAh或Ah。該單位本身實際上并不是能量存儲容量的單位。為了達到實際的能量容量,必須考慮電池電壓。

        圖3顯示了LCO型鋰離子電池的典型放電曲線。由于放電電壓具有斜率,因此將整個放電曲線的平均電池電壓作為電池電壓。

        對于LCO類型,此值通常為3.7至3.85V,對于LFP類型,此值為2.6V。然后,將mAh值乘以電池的平均電壓即可得出給定電池的mWh或儲能容量。

        電池充電電流以C速率表示,其中1C在數值上與以mA為單位的電池容量相同。因此,1000mAh電池的C值為1000mA。由于各種原因,鋰離子電池允許的最大充電速率通常在LCO類型為0.5C至1C之間,對于LFP類型為3C或更高。

        當然,一個電池可以至少由一個電池組成,但也可以由許多電池組成,這些電池是串聯連接的一組并聯電池的組合。

        之前我們說到的方案適用于單節電池。如果電池由多個電池組成,則必須調整充電電壓和充電電流以匹配。

        因此,充電電壓乘以串聯連接的電池或電池組的數量,并且類似地,充電電流乘以每個串聯連接的組中的并聯電池的數量。

      鋰離子電池放電曲線的圖像結果
      圖3 LCO型鋰電池的典型放電曲線

        對鋰離子電池充電時必須考慮的一個非常重要的附加因素是溫度。鋰離子電池無法在低溫或高溫下充電。

        在低溫下,鋰離子緩慢移動。這可能會導致鋰離子在陽極表面聚集,并最終變成鋰金屬。由于這種鋰金屬形成物以樹枝狀形式存在,因此它可能刺穿隔膜,導致內部短路。

        在溫度范圍的高端,問題是過多的熱量產生。電池充電效率不是100%,并且在充電過程中會產生熱量。如果芯的內部溫度過高,則電解質可能會部分解,并變成氣態副產物。這導致電池容量的永久減少以及膨脹。

        鋰離子電池的典型充電溫度范圍是:優質電池為0°C至45°C,廉價電池為8°C至45°C。一些電池還允許在最高約60°C的高溫下充電,但充電速率降低。

        所有這些考慮因素通常都可以通過專用的充電器芯片來滿足,因此強烈建議使用此類芯片,而不考慮實際的充電源。

      鋰離子電池充電器

        鋰離子電池充電器大致可分為兩大類:線性充電器和開關充電器。兩種類型都可以滿足先前規定的有關鋰離子電池正確充電的要求。但是,它們各有優缺點。

        線性充電器的優點是相對簡單。但是,它的主要缺點是效率低下。例如,如果電源電壓為5V,電池電壓為3V,充電電流為1A,則線性充電器的功耗為2W。

        如果此充電器嵌入產品中,則必須散發大量熱量。這就是為什么在最大充電電流約為1A的情況下大多使用線性充電器的原因。

        對于大電池,首選開關充電器。在某些情況下,它們的效率可高達90%。缺點是其成本較高,并且由于在設計中使用了電感器,因此對電路空間的要求稍大。

      充電源注意事項

        不同的應用程序可能需要不同的充電源。例如,這可以是提供直流輸出的直交流適配器,也可以是移動電源。也可以是臺式機或類似設備的USB端口。也可能來自太陽能電池板組件。

        由于不同電源的供電能力,除了簡單選擇線性或開關式充電器外,還必須進一步考慮實際電池充電器電路的設計。

        最直接的情況是充電源提供穩定的直流輸出,例如交流適配器或移動電源。唯一的要求是選擇一個不超過電池最大充電速率或電源傳輸能力的充電電流。

        從USB源充電需要更多注意。如果USB端口是USB 2.0類型,則它將遵循USB電池充電標準1.2或BC 1.2。

        這就要求任何負載(電池充電器)所占用的電流不得超過100mA,除非負載已與電源進行了枚舉。在這種情況下,允許在5V時吸收500mA電流。

        如果USB端口是USB 3.1,則它可以遵循USB BC1.2,或者可以將有源控制器電路并入設計中,以按照USB Power Delivery或USB PD協議協商更多功率。

        太陽能電池作為充電源提出了另一組挑戰。太陽能電池的電壓電流或VI有點類似于常規二極管。常規二極管將不會在其最小正向電壓值以下傳導任何可觀的電流,然后可以在正向電壓略有增加的情況下通過更大的電流。

        另一方面,太陽能電池可以在相對平坦的電壓下提供電流直到一定的最大值。超過該電流值,電壓急劇下降。

        因此,太陽能充電器必須具有電源管理電路,該電路可調制從太陽能電池汲取的電流,以免導致輸出電壓過低。

        幸運的是,有些芯片(例如TI BQ2407x,BQ24295等)可以容納上述多個源之一。

        以上就是鋰離子電池的充電方法,建議用戶使用由鋰離子電池廠家配送的原裝充電器,切不可多種鋰離子電池充電器混充。

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