锂离子电池充电时的工作原理解析

锂离子电池充电时的工作原理解析

锂离子电池充电的工作原理指的是它的充放电原理。电池充电时，在电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子通过电解液向负极移动。作为负极的碳是层状结构，它上面有很多微孔，到达负极的锂离子会嵌入碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量就越高。同样的道理，在电池放电时（也就是使用电池的过程），嵌入负极碳层的锂离子会被释放出来，向正极移动，返回正极的锂离子越多，放电容量就越高。我们通常所说的电池容量就是指放电容量。不难看出，在锂离子电池的充放电过程中，锂离子都是处于从正极→负极→正极的运动状态。 如果把锂离子电池比喻成一把摇椅，摇椅的两端就是电池的两极，而锂离子就像优秀的运动员，在摇椅的两端来回奔跑。因此，专家们给锂离子电池起了另一个可爱的名字：摇椅电池。

锂离子电池是几年前出现的金属锂电池的替代品，其阳极采用可以吸收锂离子的碳电极。放电时，锂变成锂离子，脱离电池阳极，到达锂离子电池的阴极。锂离子在阳极和阴极之间移动，电极本身没有变化。这是锂离子电池与金属锂离子电池的本质区别。锂离子电池的阳极是石墨晶体，阴极通常是二氧化锂。充电时，阴极中的锂原子被电离成锂离子和电子，锂离子向阳极移动，与电子合成锂原子。放电时，石墨晶体中的锂原子从阳极表面电离成锂离子和电子，在阴极合成锂原子。因此，在这种电池中，锂总是以锂离子的形式出现，而永远不会以金属锂的形式出现，所以这种电池被称为锂离子电池。

1.锂离子电池的充放电特性

AA型锂离子电池的充放电特性曲线。单节锂离子电池的充电电压最好保持在4.1V+50mV，充电电流通常限制在1C（500ma）以下，否则会对锂离子电池造成永久性损坏。锂离子电池通常采用恒流/恒压充电方式，即先用1C恒流充电，电池电压继续上升，当升至4.1V时，充电器应立即切换到恒压方式（4.1V+50mV），充电电流逐渐减小，当电池充满电后，电流降至涓流充电电流。这样，大约两小时（）即可将电池充满。锂离子电池的放电电流不宜超过3C（1.5A），单节电池电压不宜低于2.2V，否则会造成损坏。 当以0.2c放电电流将电池电压降至2.7v时，即可放出额定电池容量（）。当以1c放电电流时，电池可放出90%的电池容量。另外，环境温度也会影响电池的放电容量，因此规定锂离子电池放电时的温度为-20℃～+60℃。锂离子电池的一个特点是比较容易显示剩余电量，因为锂离子电池的工作电压随时间下降较慢。锂离子电池的放电起始电压为4.1v（4.2v），放电终止电压为2.5v。

2. 锂离子电池的优点和缺点

优点：1.工作电压高；2.体积小、重量轻、能量高；3.寿命长；4.充电安全、快速；5.允许温度范围宽；6.放电电流小、无记忆效应、无环境污染。

缺点：1、不能与干电池互换；2、不能快速充电；3、内部阻抗较大；4、工作电压变化较大；5、放电率高，容量下降快，不能大电流放电。

3. 锂离子电池充电器

下面分析一款新型的锂离子电池充电器模块，采用恒流/恒压控制锂离子电池充电。恒流、恒压调节方便。溢流判断标准是当充电电流减小到最大电流（恒流）的15%时，终止充电。另外还有充电显示和溢流显示功能。模块工作电压为9V，内部结构。

该模块采用DIp封装，各个引脚功能如下：

GND（①、⑩引脚）分别为输入、输出电压地引脚。

bATT-（②脚）接电池负极，电流控制的反馈电阻接地。

LED（第6脚）为充电状态显示脚，高电平表示充电，低电平表示溢流，可提供或吸收3mA电流，可驱动LED。

bATT+（引脚⑦）连接到电池的正极。

CAp（⑧脚）接外部抗干扰电容负极，电容正极接脚（Vo），电容容量不小于0.22μF。当在⑧脚输入正脉冲时，可实现脉冲涓流充电方式。

RV（第9脚）为电压控制反馈输入脚，当电压控制平衡时，此脚至bATT-的电压为2.5V。

DRV（脚）为死区电压（0～3V）控制驱动OC输出脚，可吸收30mA电流，驱动pNP型功率晶体管，实现电压、电流的控制。

Vo（脚）为4V稳压输出脚（用于给锂离子电池充电），接外部抗干扰电容正极。

V+（引脚）模块电源正电压输入引脚，要求6V≤V+≤7V。

该电路模块专为3.6V锂离子电池充电而设计，也可用于三节镍镉或镍氢电池充电，其典型电路如图4所示。