鋰電池智能充電過(guò)程及其發(fā)展分析

摘 要：近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新使得電子技術(shù)突飛猛進(jìn)，進(jìn)而使得各項(xiàng)電子產(chǎn)品也朝著便攜式-小型化發(fā)展，大部分電器也取代了傳統(tǒng)的直供電轉(zhuǎn)向了電池供電系統(tǒng)。文章詳細(xì)論述常用鋰電池的充電過(guò)程，結(jié)合鋰電池發(fā)展技術(shù)，分析了鋰電池的發(fā)展歷史及其現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞：鋰電池；充電；發(fā)展

鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。

鋰離子電池（Li-ion Batteries）是鋰電池發(fā)展而來(lái)。所以在介紹Li-ion之前，先介紹鋰電池。舉例來(lái)講，以前照相機(jī)里用的扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯，負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓不需充電。這種電池也可以充電，但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過(guò)程中容易形成鋰結(jié)晶，造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

常用智能充電器是面向現(xiàn)階段使用廣泛的手機(jī)鋰電池，智能充電器具有防電壓、防熱及充電保護(hù)功能。在整體的構(gòu)成上，以優(yōu)質(zhì)、簡(jiǎn)約配件為主，并配有穩(wěn)定的后臺(tái)軟件支持。在硬件方面主要配置了單片機(jī)、充電控制電路、電壓轉(zhuǎn)換以及光耦合隔離電路，在軟件方面通常以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠的詳細(xì)的程序編碼，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定與可靠的開發(fā)目標(biāo)。

電池作為化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的常見的電路原件，其是通過(guò)物質(zhì)間自發(fā)的氧化還原進(jìn)行電子在電路中的傳遞，實(shí)現(xiàn)電能的產(chǎn)生?，F(xiàn)階段的電池大致分為一次性電池與可循環(huán)利用的電池。目前，隨著人們對(duì)自由、便攜的向往，便攜式設(shè)備的使用也成為了社會(huì)未來(lái)發(fā)展的方向。而在此過(guò)程中，可循環(huán)回收的電池較一次性電池更環(huán)保、更節(jié)約能源，同時(shí)符合我國(guó)現(xiàn)階段主張的和諧、綠色社會(huì)理念。綜合上述，可循環(huán)電池未來(lái)有很大的發(fā)展前景。手機(jī)鋰電池也是現(xiàn)階段使用最多的可循環(huán)電池[1]。

金屬鋰質(zhì)輕、導(dǎo)電性能好，對(duì)應(yīng)的鋰電池在21世紀(jì)初上市以來(lái)，就以其優(yōu)良的能源形勢(shì)和使用優(yōu)點(diǎn)受到了社會(huì)各界的一致喜歡。為了順應(yīng)鋰電池市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，世界上各大電池廠商不斷在已有鋰電池技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)性能更好、容量大、安全性能好、使用壽命長(zhǎng)且開發(fā)成本的鋰電池。總體，現(xiàn)階段的聚合物鋰電池具有上述鋰電池開發(fā)的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，也成為了世界鋰電池研究的主要方向。聚合鋰電池輕薄、能量高、質(zhì)輕，是未來(lái)鋰電池發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是解決移動(dòng)設(shè)備便攜式最佳的途徑。

聚合物鋰離子電池一方面便于充放電，而且對(duì)于外電路的要求也較一般的液體鋰電池低。與此同時(shí)，在充電方面其通過(guò)IC定流的方式，讓充電更加簡(jiǎn)單易行。

電池充電時(shí)對(duì)于電壓的要求相對(duì)比較嚴(yán)格，如果電壓在額定電壓上下限1%左右，很容易造成電池的長(zhǎng)久性損害。而且電池的充電速率也不是越快越好，通常的充電速率一般為0.5C-1C。一般電池在充電過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)熱，進(jìn)而造成了部分能量損失。充電的速度過(guò)快就會(huì)引起充電電流大，進(jìn)而引起充電溫度升高，這樣也會(huì)造成電池?fù)p壞，嚴(yán)重還會(huì)引起爆炸。

鋰電池在放電時(shí)，不會(huì)一次性將電量放完，一般在電壓低于2.5V就會(huì)終止放電，如果強(qiáng)制繼續(xù)使用就會(huì)造成電池永久性停用。不過(guò)對(duì)于過(guò)度使用的鋰電池可以通過(guò)及時(shí)充電進(jìn)行補(bǔ)救，一般來(lái)說(shuō)若電壓低于放電終止電壓，要先從小電壓開始充電，達(dá)到最低放電電壓后再按正常方式充電即可。

一般鋰電池的額定電壓都在3.6V。電池充滿電時(shí)的電壓視不同生產(chǎn)廠家的電池材料而定。常見的是以石墨與焦炭為陽(yáng)極的鋰電池，電池電壓分別為4.2V、4.1V。一般來(lái)說(shuō)，我們所使用的鋰電池銘牌上的電壓一般是通過(guò)上述計(jì)算方式得到的。

目前常見的鋰電池都是以金屬鋰或者是鋰合金作為電池負(fù)極，以不活潑的非金屬作為陽(yáng)極材料，電解溶液為非水電解質(zhì)溶液構(gòu)成的電池。鋰電池也是通過(guò)簡(jiǎn)單的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電子的流動(dòng)，進(jìn)行供電。而金屬鋰作為第IA的元素，化學(xué)性質(zhì)活潑，因此對(duì)其加工工藝、使用及加工環(huán)境要求都相對(duì)較高，這也是鋰電池在一段時(shí)間內(nèi)沒有得到快速發(fā)展的原因。隨著生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，現(xiàn)階段鋰電池的開發(fā)應(yīng)用、工藝也逐漸成成熟，在各個(gè)領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用[2]。

鋰電池的應(yīng)用最早見于二十世紀(jì)微電子技術(shù)的開發(fā)，隨著現(xiàn)階段各種電子設(shè)備的微小型化發(fā)展，對(duì)于鋰電池的開發(fā)與應(yīng)用，要求也越來(lái)越高，而對(duì)應(yīng)鋰電池的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛。最早鋰電池應(yīng)用于心臟起搏器中，以其放電電壓效率低，而實(shí)現(xiàn)了其長(zhǎng)時(shí)、有效的起搏。而最初的發(fā)現(xiàn)的鋰-錳電池電壓相對(duì)較高，現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用于電腦、計(jì)算器等一些常見的集成電路中。整體鋰電池應(yīng)用最多的是手機(jī)、計(jì)算機(jī)以及一些小型的家用電器中，是現(xiàn)階段最大的應(yīng)用群體。

現(xiàn)階段使用的鋰電池大都帶有充電控制單元與管理芯片。其中的管理芯片具有記錄電池容量、溫度、充電狀態(tài)以及充電次數(shù)的功能，并隨著電池的使用發(fā)生變化。

而鋰電池的控制芯片主要控制鋰電池的充電過(guò)程。鋰電池的充電過(guò)程大致分為快充與慢充兩個(gè)階段。在鋰電池快充的過(guò)程中充電電流恒定，且隨著充電的進(jìn)行，電壓也逐漸增加，最終進(jìn)入了電壓恒定，充電速率減慢的第二階段充電過(guò)程，且整個(gè)過(guò)程中隨著電池充電量的增多，電壓也會(huì)隨著其電池電量的增加最終減少到0，完成充電。電量統(tǒng)計(jì)主要是統(tǒng)計(jì)鋰電池充電過(guò)程中電流、電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，隨著電池的使用，鋰電池的放電曲線也會(huì)不斷變化。一般來(lái)說(shuō)電池的完整發(fā)電曲線是可以讀出的，如果讀不出，這時(shí)就需要通過(guò)深度充電來(lái)校準(zhǔn)電池的控制芯片[3]。

一般的便攜式的充電寶大都是通過(guò)高電流達(dá)到快速充電的目的，實(shí)際上過(guò)大電流很容易造成電池壽命的損害?，F(xiàn)階段也有一些充電電源通過(guò)電壓比較法，避免電池的過(guò)度充電，在電池電量達(dá)到一定程度時(shí)，改為電流較小的充電方式。

鋰電池的使用壽命與電池的容量大小與日常的充電活動(dòng)密切相關(guān)。鋰電池作為常用的手機(jī)電池，不僅質(zhì)量輕、能量密度高而且整個(gè)充電過(guò)程具有記憶功能，可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)充電，整體電池的使用壽命較一般電池長(zhǎng)，而且整體的價(jià)格隨著競(jìng)爭(zhēng)也越來(lái)越低。鋰電池對(duì)于充電條件要求相對(duì)較高，如果電壓過(guò)高就很容易造成電池?fù)p害，因此在充電過(guò)程中需要進(jìn)行電路保護(hù)?？茖W(xué)的充電方式對(duì)于電池的保護(hù)至關(guān)重要，設(shè)計(jì)出高精度的控制充電電路，方可達(dá)到有效的充電過(guò)程。通過(guò)使用有效的充電控制芯片并配合單片機(jī)綜合使用，可以有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋰電池充電過(guò)程中的智能化。而智能化的實(shí)現(xiàn)更是可有效減少充電時(shí)間、維護(hù)電池，最終實(shí)現(xiàn)鋰電池的長(zhǎng)久循環(huán)使用。

參考文獻(xiàn)

[1]屈偉平.鋰電池的廣泛前景及發(fā)展障礙[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2009（8）.

[2]劉興江，汪繼強(qiáng)，唐致遠(yuǎn)，等.從第十四屆國(guó)際鋰電池會(huì)議看鋰電池技術(shù)發(fā)展[J].電源技術(shù)，2008（11）.

[3]馬貴龍，孫延先，喬峰華.磷酸鐵鋰電池的新發(fā)展[J].中國(guó)自行車，2008（11）.

作者簡(jiǎn)介：文德仲（1995，02-），四川廣安人，本科在讀，就讀于西北民族大學(xué)，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。