除了過放電之外,鋰離子電池也不適合用作大電流放電,大電流放電時會降低放電時間(內部會產生較高的溫度而損耗能量)。因此電池制造商規范該產品最大放電電流,在使用中應小于最大放電電流。鋰離子電池對充電品質的要求很高,需要精密的充電電路以保證充電的安全,尤其要求終止充電電壓精度在額定值的 1%之內(例如:充4.2V的鋰離子電池,其允差為±0.042V)過壓充電可能對鋰離子電池造成永久性損壞,嚴重者導致電池爆炸;鋰離子電池的充電電流應根據電池制造廠的規范選用。雖然某些電池充電電流標稱可達2C(C是電池的容量,標示如1000mAh,1C充電率即充電電流為1A),但高充電電流會降低電池壽命,因此一般常用的充電率為0.25C~1C。因充電過程的電化學反應會產生熱,有一定的能量損失;另外鋰離子電池充電并非全部采用定電流充電,還有定電壓模式充電,所以實際充電時間約為2.5小時左右;鋰離子電池充電的溫度在0℃~ 60℃范圍。如果充電電流過大會產生溫度過高,不僅會損壞電池并可能引起爆炸。因此在大電流充電時,需要對電池進行溫度檢測,并且在超過設定充電溫度時能停止充電以保證安全。另外,充電器電路中有設定的限流電阻,保證充電電流不超過設定的限制電流。
目前鋰離子電池的充電器常采用三段充電法,即預充電模式(Pre-Charging Mode)、定電流充電(Fast Charging Mode)、定電壓充電模式(Constant Voltage Mode)。鋰離子電池終止放電電壓為2.5V。設計完善的充電器可對過放的電池進行挽救修復,即在正式充電前進行預處理。于充電前先檢測電池的電壓:若電池電壓大于 3V,則按正常方式充電;若電池電壓低于3V,則以小電流(約為10%的定電流模式充電電流)充電稱之為預充電模式,讓處于深度放電狀態下而溶解的鈍化膜進行還原。此外,當電池過度放電時,還可能釋出部分銅金屬在陽極造成短路,此時若以高電流進行強迫充電就會導致電池過熱,而預充電階段則能避免這種現象發生。等充到3V后再按正常定電流方式充電。
當電池電壓大于3V,則按正常方式充電的充電特性如圖1所示(以4.2V鋰離子電池為例)。開始以設定的定電流模式充電,此時電池電壓以較快的斜率上升,隨著電池電力儲存的增加,電池電壓上升斜率會逐步降低,上升到接近 4.2V 時,定電流充電階段結束。充電器改以 4.2V定電壓充電,在定電壓階段充電時,電壓幾乎不變,但充電電流持續下降。當充電電流降到某一值時,激活定時器,經一段計數定時截止后,結束充電,完成充電程序。
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圖1:典型的鋰離子電池充電曲線
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定電壓充電的輸出穩壓精確度對于電池容量最大化和延長電池使用壽命都很重要。當電池穩壓低于4.2V,可能導致電池充電不足,雖不至于影響壽命,卻使得電池蓄電量減少。例如充電不足程度只要達到總電壓的 1%,就會讓電池蓄電量減少8%。另一方面,電池穩壓太高,則導致電池過度充電而縮短使用壽命,甚至造成使用者危險。為了確保鋰離子電池的充電安全,開始充電時的環境溫度,必須在0℃~45℃之間。在更低溫度下進行充電會形成更多金屬鋰,會導致電池阻抗增加與電池劣化。在高溫環境下進行充電,則會增加鋰離子與電解液的反應而加速電池劣化。
一般而言,建議長時間不使用時,應將電池充至70 - 80%進行存放。這也是為防止長時間的自然放電后,鋰離子電池電壓低于2.0伏特,導致鋰離子電池失效而不能使用。經常把鋰離子電池電量耗盡的使用方式,比經常充放電的使用方式,其壽命至少縮短一半以上。
鋰離子充電器設計范例
為滿足低耗電可攜式產品對于更精確、更安全的充電器應用需求,許多IC制造商發展出低成本線性充電器。圖2是以通嘉科技的LD6275充電IC為設計范例,構成僅需少數外部零件的獨立式線性充電器電路,其具備1.5A的最大充電電流。
LD6275是一個高整合度的鋰離子電池線性充電器IC,具備主動電源路徑管理,在負載端電流進行加載/卸載的情況下,實時調整電池充電電流,有效監控管理輸入電流(即USB埠的輸出電流),符合USB – IF所規范的浪涌電流限制和軟激活功能的要求。此外,IC內整合有溫度檢測功能,如果IC溫度超過設定值。會自動降低充電電流以保護芯片避免損壞。