人們一直非常重視提高鋰離子電池的容量，期望以實(shí)體尺寸最小的電池實(shí)現最長(cháng)的產(chǎn)品工作時(shí)間。但在部份應用中，較長(cháng)的電池壽命、較多的充電次數或較安全的電池比電池容量更重要。本文介紹幾種可以大幅延長(cháng)電池壽命的鋰離子電池充電和放電方法。

 幾乎所有高性能可攜式產(chǎn)品都會(huì )使用包括鋰離子聚合物電池在內的可再充電鋰離子電池，這是因為與其它可再充電電池相較，鋰離子電池有較高的能量密度、較高的電池電壓、自放電少、週期壽命非常長(cháng)、環(huán)保，且充電和維護簡(jiǎn)單。另外，由於其具有相對高的電壓(2.9V至4.2V)，因此很多可攜式產(chǎn)品都能用單節電池工作，因而簡(jiǎn)化了產(chǎn)品整體設計。

 就決定鋰離子電池週期壽命或服務(wù)壽命的因素來(lái)看，並不存在任何延長(cháng)或縮短電池壽命的單一因素，而常常是幾種因素合起來(lái)發(fā)揮作用。就延長(cháng)週期壽命而言有以下方法可以延長(cháng)電池壽命：

 1．採用部份放電的做法。在再充電前僅使用20%或30%的電池容量會(huì )極大延長(cháng)週期壽命。一般的規則是：5至10個(gè)淺放電週期等於1個(gè)滿(mǎn)放電週期。儘管部份放電週期可能達到數千次，但是保持電池處於滿(mǎn)充電狀態(tài)也縮短電池壽命。如果可能，應該避免滿(mǎn)放電週期(降至2.5V或3V，取決於化學(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)電壓將提高週期壽命和服務(wù)壽命，代價(jià)是降低電池容量。浮動(dòng)電壓降低100mV至300mV可以將週期壽命延長(cháng)2至5倍或更長(cháng)。與其它化學(xué)材料相較，鋰離子鈷化學(xué)材料對較高浮動(dòng)電壓更感應。磷酸鋰離子電池的浮動(dòng)電壓通常比更常見(jiàn)的鋰離子電池低。

 3． 選擇合適的充電終止方法。選擇一個(gè)採用最小充電電流終止(C/10或C/x)的充電器，透過(guò)不充電到容量的100%，也可以延長(cháng)電池壽命。例如，電流降至C/5時(shí)結束充電週期與將浮動(dòng)電壓降至4.1V的效果類(lèi)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(cháng)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(yáng)極上的鍍敷，這可能造成內部短路，產(chǎn)生熱量並使電池不穩定和不安全。很多電池充電器都有測量電池溫度的裝置，以確保不會(huì )在極限溫度時(shí)充電。

 5．避免大的充電和放電電流，因為這會(huì )縮短週期壽命。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。大電流為電池施加了過(guò)大的壓力。

 6．避免低於2V或2.5V的深度放電，因為這會(huì )迅速地永久性損壞鋰離子電池�？赡墚a(chǎn)生內部金屬鍍敷，這會(huì )引起短路，使電池不可用或不安全。大多數鋰離子電池在電池組內部都有電子電路，如果充電或放電時(shí)電池電壓低於2.5V、超過(guò)4.3V或如果電池電流超過(guò)預設定閾值，該電子電路就會(huì )斷開(kāi)電池連接。

 鋰離子電池充電方法

 為鋰離子電池充電的推薦方法是，向電池提供一個(gè)±1%限壓的恆定電流，直到電池充滿(mǎn)電，然後停止充電。用來(lái)決定電池何時(shí)充滿(mǎn)電的方法包括：為總充電時(shí)間定時(shí)、監視充電電流或兼用這兩種方法。第一種方法採用限壓恆定電流，變化範圍從C/2到1C，持續2.5至3小時(shí)，使電池達到100%充電。也可以使用較低的充電電流，但是將需要更長(cháng)時(shí)間。第二種方法與第一種方法類(lèi)似，只是需要監視充電電流。隨著(zhù)電池的充電，電壓上升，這與採用第一種方法時(shí)完全相同。電池電壓達到編程限壓值(也稱(chēng)為浮動(dòng)電壓)時(shí)，充電電流開(kāi)始下降。電流一開(kāi)始下降時(shí)，電池約充電至容量的50%至60%。浮動(dòng)電壓繼續提供，直到充電電流降至足夠低的水準(C/10至C/20)，這時(shí)電池約充電至容量的92%至99%，充電週期終止。目前，要為標準鋰離子電池快速充電(不到1小時(shí))至容量的100%，還沒(méi)有一種安全的方法。

 不推薦在電池充滿(mǎn)電後仍然為電池加上連續電壓，因為這會(huì )加速永久性容量損失，而且可能引起內部鋰金屬鍍敷。這種鍍敷可能發(fā)展成內部短路通路，引起過(guò)熱，使電池受熱時(shí)不穩定。

 有些鋰離子電池充電器允許使用熱感應電阻監視電池溫度。這麼做的主要目的是，如果電池溫度超出推薦的0℃至40℃窗口範圍，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(xiàn)，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(xiàn)。

本文提及的字母‘C’是一個(gè)電池術(shù)語(yǔ)，用於指示電池製造商規定的電池放電容量，單位是mAHr。例如，一個(gè)額定2000mAHr的電池可以為一個(gè)2,000mA負載供電一小時(shí)，之後電池電壓才會(huì )降至零容量電壓。在這個(gè)例子中，以C/2的電流為電池充電意味著(zhù)以1,000mA(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(mǎn)電所需的合適充電電流和時(shí)間長(cháng)度。在討論最低充電電流終止方法時(shí)，採用C/10終止的2,000mAHr電池將在充電電流降至低於200mA時(shí)終止充電週期。

 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，就鋰而言約為4V。增加其它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、週期壽命、電池壽命和安全性之間取得平衡。圖2所示曲線(xiàn)顯示了電池容量和週期壽命之間的關(guān)係。

圖2：充電器浮動(dòng)電壓與電池容量和週期壽命。

大多數鋰離子電池製造商都設置了一個(gè)4.2V浮動(dòng)電壓，以此作為容量和週期壽命之間的最佳平衡。用4.2V作為恆定限壓值(浮動(dòng)電壓)時(shí)，電池一般可以提供約500個(gè)充電/放電週期，然後電池容量降至80%。一個(gè)充電週期由一個(gè)滿(mǎn)充電至一個(gè)滿(mǎn)放電過(guò)程組成。多個(gè)淺放電過(guò)程合起來(lái)構成一個(gè)滿(mǎn)充電週期。

 儘管利用降低浮動(dòng)電壓或最低充電電流終止方法充電至低於100%的容量最初會(huì )降低電池容量，但是隨著(zhù)週期數增加到超過(guò)500次，較低浮動(dòng)電壓的電池容量可以超過(guò)較高浮動(dòng)電壓的電池容量。關(guān)於容量和充電週期數，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：週期壽命和容量與4.1V和4.2V浮動(dòng)電壓。

由於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(xiàn)只是估計的充電週期數和電池容量值。由於電池材料和製作方法的微小差別，甚至來(lái)自不同製造商的類(lèi)似電池化學(xué)材料也可能產(chǎn)生有天壤之別的結果，電池製造商規定最終用戶(hù)必須使用的充電方法和浮動(dòng)電壓，以滿(mǎn)足電池容量、週期壽命和安全規格要求。不建議充電至高於推薦的浮動(dòng)電壓。很多電池含有電池組保護電路，如果超過(guò)最高電池電壓，該電路暫時(shí)斷開(kāi)電池連接。一旦斷開(kāi)，將電池組連接到充電器一般會(huì )重置電池組保護電路。電池組上常常印有一個(gè)電壓值，如單節電池為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(cháng)電池壽命

 儘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(cháng)電池壽命的功能，而且有時(shí)可以大幅延長(cháng)電池壽命。

 電池充電器延長(cháng)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(lái)為4.2V鋰離子電池充電時(shí)可以延長(cháng)電池壽命。

圖4：提供較低浮動(dòng)電壓以延長(cháng)電池壽命的電池充電器。

不提供較低浮動(dòng)電壓選項的電池充電器也能延長(cháng)電池壽命。採用最小充電電流終止方法(C/10或C/x)的充電器透過(guò)選擇以恰當的充電電流值終止充電週期，可以延長(cháng)電池壽命。

 C/10終止大約僅將電池充電至其容量的92%，但是將提高週期壽命。C/5終止可以將週期壽命延長(cháng)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，分別採用C/10(10%電流閾值)或C/x(可調電流閾值)充電終止模式。

圖5：用最小充電電流終止方法延長(cháng)電池壽命的電池充電器。

兼具長(cháng)工作時(shí)間和長(cháng)電池壽命

 如果採用目前的電池技術(shù)，而且不增大電池尺寸，那麼，要同時(shí)兼具長(cháng)工作時(shí)間和長(cháng)電池壽命的答案是不可能的。要實(shí)現最長(cháng)的工作時(shí)間，充電器必須將電池充電至容量的100%。這時(shí)電池電壓接近製造商推薦的浮動(dòng)電壓，一般為4.2V±1%。遺憾的是，將電池充電至接近這個(gè)電壓值並保持在這個(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)現同樣長(cháng)的工作時(shí)間。當然，在很多可攜式產(chǎn)品中，也許不選擇較大尺寸的電池。

 採用C/10或C/x最小充電電流終止方法與採用較低浮動(dòng)電壓一樣，也可以對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%，但是週期壽命可以延長(cháng)一倍。同時(shí)，充電電流降至20%(C/5)時(shí)終止充電週期，容量也降低15%，同樣可將週期壽命延長(cháng)一倍。

 可以預料，放電時(shí)，電池電壓會(huì )緩慢下降。放電電壓曲線(xiàn)隨時(shí)間的變化取決於幾個(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(yáng)極材料類(lèi)型。目前，大多數鋰離子電池使用焦炭或石墨。每種電池的電壓曲線(xiàn)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，然後在接近結束時(shí)迅速下降，而焦炭陽(yáng)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)剩餘電池容量更容易確定，簡(jiǎn)單測量電池電壓就可以了。

圖6：採用不同陽(yáng)極材料的鋰離子電池放電電壓曲線(xiàn)。

並聯(lián)或串聯(lián)連接電池

 為了提高容量，鋰離子電池常常並聯(lián)連接。除了電池必須採用相同的化學(xué)材料、來(lái)自同一製造商和尺寸相同，沒(méi)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，以確保每節電池達到相同的浮動(dòng)電壓和相同的充電水準。不建議串聯(lián)連接兩節電池(有各自的電池組保護電路)，因為容量失配可能導致一個(gè)電池達到過(guò)壓閾值，因而斷開(kāi)電池連接。另外，應該從電池製造商購買(mǎi)已裝配了恰當電路的多節電池組。

 本文小結

 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。為電池充電到製造商建議的100%容量可達到製造商公佈的滿(mǎn)充電/放電週期數。選擇允許充電至低於100%容量的充電器，將使需要延長(cháng)電池壽命的應用極大受益，這是透過(guò)選擇具有較低浮動(dòng)電壓或較早終止充電週期的電池充電器實(shí)現的。