锂离子电池的快速充电电路的特性及分析
来源：宝鄂实业
2019-03-03 15:22
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尽管锂离子 (Li-ion) 电池存在一个缺点，即设计人员必须限制充电速率以避免损坏电池和造成危险，但这种电池的优势巩固了其作为便携式电子产品主要电源的地位。幸运的是，如今的锂离子电池更加耐用，并可使用“快速充电”技术更快地进行充电。
本文将详细介绍锂离子电池的发展、电化学的最佳充电周期以及一些快速充电电路。本文还将解释加速充电的缺点，使工程师能够在下次设计充电器时做出明智的选择。
锂离子 (Li-ion) 电池背后的概念很简单，但仍然历经了四十多年的努力并投入大量研究资金，才开发出为当今大多数便携式产品可靠供电的技术。
最早的电池很脆弱，在充电期间容易过热，但是经过不断发展，这些缺点已被克服。尽管如此，为确保达到满电量，同时避免因过度充电而带来相关的永久性损坏风险，充电时仍然需要按照精确的方案来限制充电电流。好消息是，材料科学和电化学的最新发展提高了电池离子的迁移率。迁移率越高，充电电流越大，并能加快充电周期“恒流”部分的充电速度 。
得益于这些发展，配备最新一代锂离子电池的智能手机能够在 20 到 30 分钟内从约 20% 的电量充电至 70%。电池能快充至四分之三电量，这一技术吸引了时间有限的消费者，为支持安全快速充电的充电器开辟了一个市场领域。为应对此趋势，芯片供应商为设计人员提供了促进各种充电速率的 IC，以便加快锂离子电池的充电速率。虽然实现了更快的充电速率，但始终需要进行权衡。
便携式电源增强
锂离子电池基于插层化合物。这种材料具有层状晶体结构，可让锂离子从层迁移或驻留在层间。在锂离子电池放电期间，离子从负电极通过电解质移动到正电极，使电子在电路中沿相反方向移动，从而为负载供电。一旦负电极中的离子耗尽，电流就会停止流动。给电池充电会迫使离子在电解质中移回并将其自身嵌入负电极中，为下一个放电循环做好准备
锂离子电池的快速充电电路的特性分析
在锂离子电池中，锂离子从一个插层化合物移动到另一个插层化合物，而电子在电路中流动，从而为负载供电。
如今的电池使用基于锂的插层化合物，例如正电极采用锂钴氧化物 (LiCoO2)，由于比高反应性纯锂稳定得多，因此也更安全。负电极则采用石墨（碳）。
虽然这些材料令人满意，但并不完美。每次离子移动时，一些离子会与电极发生反应，变成材料的固有部分，从而失去电化学反应能力。因此，随着自由离子的供应逐渐耗尽，电池寿命也在缩短。更糟糕的是，每个充电循环都会导致电极的体积膨胀。这会对晶体结构施加应力，并导致微观损伤，从而降低电极容纳自由离子的能力。而这样就会限制充电周期的次数。
一直以来，解决这些不足之处都是近期锂离子电池研究的重点，其主要目标是将更多锂离子填充到电极中以增加能量密度（定义为每单位体积或重量的能量）。这使得离子更容易移入和移出电极，而且也能轻松通过电解质（即，增强离子迁移率）。
充电时间（针对给定电流条件）最终取决于电池的容量。例如，当使用 500 mA 电流进行充电时，3300 mAhr 智能手机电池的充电时间约为 1600 mAhr 电池的两倍。考虑到这一点，工程师用“C”来定义充电速率，其中 1 C 等于电池可供电一小时的最大电流。例如，对于 2000 mAhr 的电池，C = 2 A。相同的方法适用于充电。将 1 A 的充电电流施加到 2000 mAhr 电池相当于 0.5 C 的速率。
那么，得出的结论似乎就是，增加充电电流将会减少充电时间。确实如此，但只是在某种程度上是。首先，离子的迁移率有限，因此如果充电电流的增加量超过某个阈值，并不会使离子移动得更快。相反，能量实际上会以热量的形式消散，造成电池内部温度升高，并产生永久性损坏的风险。其次，在高电流下，不受限制的充电做法最终会导致大量离子嵌入负电极中，令电极解体并损坏电池。
最近的发展显著改善了最新锂离子电池的离子迁移率，允许使用更高的充电电流，同时内部温度不会危险地升高。但即使在最现代的产品中，仍存在过度充电的风险，因为这是电池物理结构的直接结果。因此，锂离子电池制造商规定了严格的充电方案，帮助保护产品免受损坏。
