盡管鋰離子 (Li-ion) 電池存在一個缺點，即設計人員必須限制充電速率以避免損壞電池和造成危險，但這種電池的優勢鞏固了其作為便攜式電子產品主要電源的地位。幸運的是，如今的鋰離子電池更加耐用，并可使用“快速充電”技術更快地進行充電。

本文將詳細介紹鋰離子電池的發展、電化學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，使工程師能夠在下次設計充電器時做出明智的選擇。

鋰離子 (Li-ion) 電池背后的概念很簡單，但仍然歷經了四十多年的努力并投入大量研究資金，才開發出為當今大多數便攜式產品可靠供電的技術。

最早的電池很脆弱，在充電期間容易過熱，但是經過不斷發展，這些缺點已被克服。盡管如此，為確保達到滿電量，同時避免因過度充電而帶來相關的永久性損壞風險，充電時仍然需要按照精確的方案來限制充電電流。好消息是，材料科學和電化學的最新發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 。

得益于這些發展，配備最新一代鋰離子電池的智能手機能夠在 20 到 30 分鐘內從約 20% 的電量充電至 70%。電池能快充至四分之三電量，這一技術吸引了時間有限的消費者，為支持安全快速充電的充電器開辟了一個市場領域。為應對此趨勢，芯片供應商為設計人員提供了促進各種充電速率的 IC，以便加快鋰離子電池的充電速率。雖然實現了更快的充電速率，但始終需要進行權衡。

便攜式電源增強

鋰離子電池基于插層化合物。這種材料具有層狀晶體結構，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，離子從負電極通過電解質移動到正電極，使電子在電路中沿相反方向移動，從而為負載供電。一旦負電極中的離子耗盡，電流就會停止流動。給電池充電會迫使離子在電解質中移回并將其自身嵌入負電極中，為下一個放電循環做好準備（圖 1）。

圖 1：在鋰離子電池中，鋰離子從一個插層化合物移動到另一個插層化合物，而電子在電路中流動，從而為負載供電。（圖片來源：Digi-Key）

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)，由于比高反應性純鋰穩定得多，因此也更安全。負電極則采用石墨（碳）。

雖然這些材料令人滿意，但并不完美。每次離子移動時，一些離子會與電極發生反應，變成材料的固有部分，從而失去電化學反應能力。因此，隨著自由離子的供應逐漸耗盡，電池壽命也在縮短。更糟糕的是，每個充電循環都會導致電極的體積膨脹。這會對晶體結構施加應力，并導致微觀損傷，從而降低電極容納自由離子的能力。而這樣就會限制充電周期的次數。

一直以來，解決這些不足之處都是近期鋰離子電池研究的重點，其主要目標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，而且也能輕松通過電解質（即，增強離子遷移率）。

充電時間（針對給定電流條件）最終取決于電池的容量。例如，當使用 500 mA 電流進行充電時，3300 mAhr 智能手機電池的充電時間約為 1600 mAhr 電池的兩倍。考慮到這一點，工程師用“C”來定義充電速率，其中 1 C 等于電池可供電一小時的最大電流。例如，對于 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 電池相當于 0.5 C 的速率。

那么，得出的結論似乎就是，增加充電電流將會減少充電時間。確實如此，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某個閾值，并不會使離子移動得更快。相反，能量實際上會以熱量的形式消散，造成電池內部溫度升高，并產生永久性損壞的風險。其次，在高電流下，不受限制的充電做法最終會導致大量離子嵌入負電極中，令電極解體并損壞電池。

最近的發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，同時內部溫度不會危險地升高。但即使在最現代的產品中，仍存在過度充電的風險，因為這是電池物理結構的直接結果。因此，鋰離子電池制造商規定了嚴格的充電方案，幫助保護產品免受損壞。

小心處理

鋰離子電池充電采用了一種旨在確保安全性和長壽命且不影響性能的充電曲線（圖 2）。如果鋰離子電池深度放電（例如，低于 3 V），則用大約 10% 的完全充電電流進行短時間“預調節”充電。這樣可以防止電池過熱，直到電池能夠接受恒流階段的全電流。實際上很少需要這個階段，因為大多數現代移動裝置都設計為在仍有一些電量時關閉，深度放電（如過度充電）會損壞電池。

圖 2：使用恒流法的鋰離子充電曲線到電池電壓達 4.1 V 時結束，然后使用恒壓技術“充滿”。（圖片來源：Texas Instruments）

然后，通常以 0.5 C 或更低的恒定電流對電池充電，直到電池電壓達到 4.1 V 或 4.2 V（取決于具體電化學情況）。當電池電壓達到 4.1 V 或 4.2 V 時，充電器切換到“恒壓”階段以杜絕過度充電。出色的電池充電器可以平穩地管理從恒流到恒壓的轉換，以確保達到最大容量，而不會產生損壞電池的風險。

保持恒壓會逐漸降低電流，直到達到約 0.1 C，此時充電終止。如果充電器與電池保持連接，則會定期“充滿”電以抵消電池自放電。通常在電池的開路電壓降至 3.9 V 至 4 V 以下時啟動滿充充電，并在再次達到 4.1 V 至 4.2 V 的滿充電壓時終止充電。

如上所述，過度充電會嚴重降低電池壽命并具有潛在的危險性。一旦離子不再移動，施加到電池的大部分電能就會轉換成熱能。這樣會造成過熱，有可能由于電解質脫氣而導致爆炸。因此，電池制造商倡導采用精確控制和適當的充電器安全功能。

充電不足雖然不危險，但也可能對電池容量產生不利影響。例如，1% 的充電不足就會使電池容量減少約 8%（圖 3）。

圖 3：不到百分之一的充電不足可以使鋰離子電池容量顯著降低。因此，務必要精確測量充電期間的最終電壓。

由于這些原因，充電器應將最終電壓控制在 4.1 V 或 4.2 V 的 ±50 mV 范圍內，并能夠檢測電池何時充滿電。檢測方法包括確定在恒定電壓階段期間電流何時降至 0.1 C。對于更基本的充電器，則僅充電預定的時間并假定電池完全充滿。許多充電器還包括用于測定電池溫度的裝置，以便在超過閾值時可以停止充電。[1]

加速充電

由于最新一代電池具有更高的離子遷移率，因此可以實現更快的充電速率而不會出現過熱風險。截止目前，芯片制造商已為鋰離子電池管理提供了廣泛的集成解決方案，以簡化充電器的設計。現在，他們還提供硅器件，讓工程師設計在恒流階段更快速充電的產品。（請注意，鋰離子電池不存在行業認可的“快速或快充”定義。而是與“典型的”0.5 C 充電速率相比，該術語定性地適用于任何加速充電的充電方案。）

例如，Maxim Integrated 提供的 MAX8900，是一款基于開關模式降壓電源的充電器。該器件可用 3.6 V 至 6.3 V 電壓提供高達 1.2 A 的電流，同時允許設計人員使用外部元器件調整充電參數。

例如，一旦電池電壓超過預調節電壓且未達到 4.2 V 時，設計人員就可以讓電池實現恒流快速充電。最大快速充電電流由 SETI 引腳和接地之間的電阻器決定（參見圖 4）。

圖 4：對于Maxim Integrated 的 MAX8900提供的鋰離子電池充電功能，其恒流階段的充電電流可以使用此應用電路底部中心所示的 RSETI 電阻進行設置。（根據 Maxim Integrated 提供的原圖用 Digi-Key Scheme-it 繪制的示意圖）

例如，對于 RSETI = 2.87 kΩ，快速充電電流為 1.186 A，對于 RSETI = 34 kΩ，電流為 0.1 A。圖 5 說明充電電流如何隨 RSETI 而變化。Maxim 為 MAX8900A 提供了一個方便的開發套件，允許設計人員試驗元器件值，進而探索其如何影響恒流充電速率，以及充電周期其他部分的充電速率。

圖 5：在 MAX8900 提供的鋰離子電池充電恒流階段中，充電電流隨 RSETI 電阻值的變化。

MAX8900 內置了一些保護措施，可確保快速充電時電池溫度不會危險地升高。這些都符合日本電子設備和信息技術工業協會 (JEITA) 關于鋰離子電池安全充電的規范。對于溫度介于 0? 和 15?C 之間的鋰離子電池，快速充電電流限制在編程速率的 50%，如果電池溫度升至 60?C 以上，電流將被切斷，直到溫度降到安全水平。芯片本身受熱折返保護，如果內部溫度超過 85?C，則將充電電流限制在最高水平的 25%。

Maxim 并不是唯一一家為設計人員提供快速充電器件選擇的公司。NXP Semiconductors 的 MC32BC3770 開關模式電池充電器能夠對充電方案進行控制，除了設置快速充電電流外，不僅可以讓設計人員通過 I2C 接口設置運行參數，還可以設置充電終止電流、電池調節電壓、預充電電流、快速充電電壓閾值和減少充電閾值電壓。

快速充電電流本身可進行編程，范圍為 100 mA 至 2000 mA，默認設置為 500 mA。為安全起見，快速充電電流始終受限于輸入限流設置。MC32BC3770 可以在高達 20 V 的輸入下工作，并具有 USB 單輸入和雙路輸出，可在電池完全放電時為設備供電。

Fairchild Semiconductor 的 FAN5400 還允許設計人員通過 I2C 接口對芯片的充電速率和工作模式進行編程。該產品是一款兼容 USB 的電池充電器，基于開關電源，輸入電壓為 6 V（最大值），提供最高 1.25 A 的充電電流。

FAN5400 旨在最大限度地縮短充電時間，同時滿足 USB 兼容性要求。設計人員可以通過 I2C 主機選擇最大充電電流和在恒壓階段終止充電的電流閾值。安全功能包括一個定時器，如果充電周期超過預設持續時間，則切斷電源，如果芯片溫度超過 120?C，則限制充電電流。

就其本身而言，Texas Instruments 提供了 bq25898，這是一個支持高輸入電壓快速充電的開關模式電池充電管理器件。該產品可接受高達 12 V 的輸入，并可產生高達 4 A 的輸出，適用于為最新一代智能手機和平板電腦中的大容量電池進行充電。

與 NXP Semiconductors 和 Fairchild 的解決方案類似，bq25898 通過 I2C 串行接口進行配置，允許設計人員設置充電電流和最低系統電壓。安全功能包括電池溫度監控、充電定時器和過壓保護。

快速充電權衡

設計人員應注意對快速充電進行權衡：充電越快，電池切換到充電方案中相對較慢的恒壓部分時的容量越低。例如，當以 0.7 C 速率充電時，會造成充到 50% 至 70% 的容量時電壓就達到 4.1 V 或 4.2 V，而以低于 0.2 C 充電時，可在電壓一達到 4.1 V 或 4.2 V 即將電池充滿。換言之，如果消費者需要從 25% 的電量快速充電到 50%，快速充電是理想的，但如果消費者習慣插入后完全充電，則通常會以 0.5 C 的適度充電速率而非 1 C 或更高的快速充電速率進行快速充電，因為后者隨后需要較長、相對較慢的時間才能“充滿”。

另一個權衡因素是快速充電產生的內部溫度升高，因為即使升高后的溫度低于特定鋰離子電池制造商規定的“安全”閾值，仍可能會造成輕微損壞，最終導致容量降低和充電次數減少。也就是說，隨著電池技術改進增加了電池耐用性，有必要將快速充電速率提高至極限，以便將電池的壽命降低到低于便攜式產品“有用”存在的水平（定義為消費者購買產品和更換為較新型號之間的時間）。

總結

雖然實驗室正在開發一些新型電池技術，但鋰離子電池在未來一段時間內仍將是便攜式產品的主要能量存儲介質。因此，該技術將會繼續迅猛發展，不斷克服相關缺點。離子遷移率是缺點之一，即便是最新一代電池也可以繼續改善——因此可以不斷實現更快速度的恒流充電。

設計人員可選擇電池管理芯片來充分利用較快速充電的優點，通過借助一個或兩個外部元器件或通過 I2C 接口進行編程，靈活地選擇充電速率。此外，還需要考慮電池管理裝置內置的安全功能，因為盡管現代鋰離子電池比之前的型號更加耐用，但對于快速充電，設計人員在設計時仍然需要考慮一些潛在危險。