延長鋰離子電池壽命的充電和放電方法

　　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(shí)現(xiàn)最長的產(chǎn)品工作時(shí)間。但是在有些應(yīng)用中，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。本文介紹幾種可以極大延長電池壽命的鋰離子電池充電和放電方法。

　　幾乎所有高性能便攜式產(chǎn)品都會(huì)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，這是因?yàn)榕c其他可再充電電池相比，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(jiǎn)單。另外，由于其具有相對(duì)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(jiǎn)化了產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)。

　　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有以下方法可以延長電池壽命：

　　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(huì)極大延長周期壽命。作為一個(gè)一般性的規(guī)則，5至10個(gè)淺放電周期等于1個(gè)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(gè)較低的浮動(dòng)電壓可以做到這一點(diǎn)。降低浮動(dòng)電壓將提高周期壽命和服務(wù)壽命，代價(jià)是降低電池容量。浮動(dòng)電壓降低100mV至300mV可以將周期壽命延長2至5倍或更長。與其他化學(xué)材料相比，鋰離子鈷化學(xué)材料對(duì)較高浮動(dòng)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(dòng)電壓低。

　　3． 選擇合適的充電終止方法。選擇一個(gè)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(shí)結(jié)束充電周期與將浮動(dòng)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(gè)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0℃以下充電。在0℃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(cè)量電池溫度的裝置，以確保不會(huì)在極限溫度時(shí)充電。

　　5．避免大的充電和放電電流，因?yàn)檫@會(huì)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?yàn)檫@會(huì)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(huì)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(shí)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(huì)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(gè)±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(shí)充滿電的方法包括：給總的充電時(shí)間定時(shí)、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(shí)，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(shí)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(shí)完全相同。電池電壓達(dá)到編程限壓值(也稱為浮動(dòng)電壓)時(shí)，充電電流開始下降。電流一開始下降時(shí)，電池約充電至容量的50%至60%。浮動(dòng)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(shí)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(shí))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?yàn)檫@會(huì)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(shí)不穩(wěn)定。所需時(shí)間是幾個(gè)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0℃至40℃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(shí)溫度上升非常少。圖1是一個(gè)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(shí)間的變化。

　　圖1：顯示了電池電流、電壓和容量的典型充電曲線。

　　字母“C”的含義

　　字母“C”是一個(gè)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(gè)額定2000mAHr的電池可以為一個(gè)2000mA負(fù)載供電一小時(shí)，之后電池電壓才會(huì)降至零容量電壓。在這個(gè)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?yàn)樗鼪Q定了電池充滿電所需的合適充電電流和時(shí)間長度。在討論最低充電電流終止方法時(shí)，采用C/10終止的2000mAHr電池將在充電電流降至低于200mA時(shí)終止充電周期。

　　決定電池浮動(dòng)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(shì)，就鋰而言約為4V。增加其他化合物將提高或降低這個(gè)電壓。第二個(gè)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2所示曲線顯示了電池容量和周期壽命之間的關(guān)系。

　　圖2：充電器浮動(dòng)電壓與電池容量和周期壽命。

　　大多數(shù)鋰離子電池制造商都設(shè)置了一個(gè)4.2V浮動(dòng)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(dòng)電壓)時(shí)，電池一般可以提供約500個(gè)充電/放電周期，然后電池容量降至80%。一個(gè)充電周期由一個(gè)滿充電至一個(gè)滿放電過程組成。多個(gè)淺放電過程合起來構(gòu)成一個(gè)滿充電周期。

　　盡管利用降低浮動(dòng)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(huì)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(dòng)電壓的電池容量可以超過較高浮動(dòng)電壓的電池容量。關(guān)于容量和充電周期數(shù)，圖3顯示了推薦浮動(dòng)電壓與降低浮動(dòng)電壓的比較情況。

　　圖3：周期壽命和容量與4.1V和4.2V浮動(dòng)電壓。

　　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(jì)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(dòng)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(dòng)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(shí)斷開電池連接。一旦斷開，將電池組連接到充電器一般會(huì)復(fù)位電池組保護(hù)電路。電池組上常常印有一個(gè)電壓值，如單節(jié)電池為3.6V。這個(gè)電壓不是浮動(dòng)電壓，而是電池放電時(shí)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(duì)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(duì)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)電壓。圖4顯示了一些具有較低浮動(dòng)電壓的電池充電器，用來給4.2V鋰離子電池充電時(shí)可以延長電池壽命。

　　圖4：提供較低浮動(dòng)電壓以延長電池壽命的電池充電器。

　　不提供較低浮動(dòng)電壓選項(xiàng)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5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。

　　圖5：用最小充電電流終止方法延長電池壽命的電池充電器。

　　長工作時(shí)間和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(shí)現(xiàn)最長的工作時(shí)間，充電器必須將電池充電至容量的100%。這時(shí)電池電壓接近制造商推薦的浮動(dòng)電壓，一般為4.2V±1%。遺憾的是，將電池充電至接近這個(gè)電壓值并保持在這個(gè)電壓值會(huì)縮短電池壽命。一個(gè)辦法是選擇較低的浮動(dòng)電壓，禁止電池100%充電，但是這需要較高容量的電池才能實(shí)現(xiàn)同樣長的工作時(shí)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(dòng)電壓一樣，也可以對(duì)電池壽命有同樣的影響。浮動(dòng)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(shí)，充電電流降至20%(C/5)時(shí)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(shí)典型的鋰離子電池輸出電壓

　　可以預(yù)料，放電時(shí)，電池電壓會(huì)緩慢下降。放電電壓曲線隨時(shí)間的變化取決于幾個(gè)因素，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)鋰離子電池使用焦炭或石墨。每種電池的電壓曲線如圖6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(shí)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(shí)剩余電池容量更容易確定，簡(jiǎn)單測(cè)量電池電壓就可以了。

　　圖6：采用不同陽極材料的鋰離子電池放電電壓曲線。

　　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?yàn)槌３Ｐ枰姵厝萘科ヅ浜碗姵仄胶怆娐罚源_保每節(jié)電池達(dá)到相同的浮動(dòng)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?yàn)槿萘渴淇赡軐?dǎo)致一個(gè)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。

　　本文小結(jié)

　　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(dòng)電壓或較早終止充電周期的電池充電器實(shí)現(xiàn)的。