锂离子电池是现金便携式电子产品最常见的选择,与铅酸电池相比,锂离子电池重量较轻,约为同等体积铅酸产品的1/5-6,没有记忆效应,与镍氢电池相比,锂离子电池有两倍的能量密度,自放电率低6-8倍。
但是锂电池又因为其特性特别活泼,稍有不慎,容易燃烧,而燃烧带来的温度升高以及体积膨胀会给周围环境甚至人身造成很大的损害,甚至导致许多灾难的后果,因此在锂电池的制作,保存以及运输过程中要慎之又慎;此外,对其进行的保护以及充放电要有很多研究。
目前,业界已形成了对锂离子电池进行充电时的三阶段策略:预充电、恒流充电、恒压充电。
为什么要进行3个阶段?
下图为锂离子电池的容量、循环寿命和充电电压之间的关系,纵轴为电池容量,横轴为循环寿命次数。充电截止电压越高,循环寿命更短,容量下降也更快。
锂离子电池的化学特性
在充电的过程中,在充电器施加的外电场作用下,Li+从正极LiCoO2中脱出进入电解液并向负极移动,依次进入石墨组成的负极,在那儿形成LiC化合物。
如果充电速度过快,会使得Li+来不及进入负极栅格,在负极附近的电解液中就会聚集Li+,这些靠近负极的Li+很可能从负极俘获一个电子成为金属Li。持续的金属锂生成会在负极附近堆积、长大成树枝状的晶体,俗称枝晶。另一种情形,随着负极的充满程度越来越高,LiC晶格留下的空格越来越少,从正极移动过来的Li+找到空格的机会就越来越小,所需时间就越来越长,如果充电速度不变的话,一样可能在负极表面形成局部的Li+堆积。因此,在充电的后半段必须逐步缩小充电电流。枝晶的长大最终会刺破正负级之间的隔膜,形成短路。
预充电(Precharge)的意义是要对电池的状态进行调整,使之进入可以进行大电流快速充电的状态。
恒流充电的作用是将电能快速地储存到电池中。
恒压充电阶段则是最后的调整阶段,它使电池的容量最大化,但其进行过程是完全依照电池自身的需要进行的。
最后阶段被称为补充阶段,它是为了弥补电池自放电和其它与它相连的负载的消耗而造成的电容量下降的弥补措施,这样做是为了保证在电池(及由其构成的系统)和充电设备分离时总是处于尽可能充满电的状态。
此外,电池所处的温度对充电策略会有重大影响。由于构成电池的材料在不同温度下的特性不同,电池的容量、合适的充电电压也发生了巨大的变化。