別再錯(cuò)誤使用鋰離子電池充電了，正確鋰離子電池充電方法

本文介紹了如何通過正確的充電方法來延長鋰離子電池壽命。

電池的充電和放電是化學(xué)反應(yīng)，但鋰離子被認(rèn)為是例外。電池科學(xué)家討論能量流入和流出電池的過程，這是陽極和陰極之間離子運(yùn)動(dòng)的一部分。這種說法是有道理的，但是如果科學(xué)家們完全正確，那么電池將永遠(yuǎn)存在。它們將容量歸咎于離子被捕獲而減弱，但與所有電池系統(tǒng)一樣，也會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部腐蝕和其他老化作用（也稱為對(duì)電解液和電極的寄生反應(yīng)）。（請(qǐng)參閱：鋰離子電池老化的原因分析）

鋰離子電池充電器是一種與鉛酸系統(tǒng)相似的限壓裝置。鋰離子電池的區(qū)別在于每個(gè)電池的電壓高，電壓容差小，并且在充滿電時(shí)不會(huì)出現(xiàn)浮流或浮充電。盡管鉛酸電池在電壓截止方面具有一定的靈活性，但鋰離子電池制造商對(duì)正確的設(shè)置非常嚴(yán)格，因?yàn)殇囯x子不能接受過充電。所謂的奇跡充電器不存在，它可以延長電池壽命并通過脈沖和其他頭獲得額外的容量。鋰離子是一種“清潔”的系統(tǒng)，僅吸收其吸收的能量。

鈷混合鋰離子電池充電

具有鈷，鎳，錳和鋁的傳統(tǒng)陰極材料的鋰離子電池通?？沙潆娭?.20V /電池。公差為+/- 50mV / cell。一些鎳基變種充電至4.10V /電池；高容量鋰離子電池可能會(huì)達(dá)到4.30V / cell或更高。提高電壓會(huì)增加容量，但超出規(guī)格會(huì)給電池帶來壓力并損害安全性。包裝內(nèi)建的保護(hù)電路不允許超過設(shè)定電壓。

圖1顯示了鋰離子通過恒定電流和充頂電荷的階段時(shí)的電壓和電流信號(hào)。當(dāng)電流降低到Ah額定值的3-5％之間時(shí)，將達(dá)到完全充電。

圖1：鋰離子的充電階段。 當(dāng)電流降至設(shè)定水平時(shí)，鋰離子充滿電。代替浮流充電，某些充電器在電壓下降時(shí)會(huì)施加最高電荷。 由Cadex提供

能量電池的建議充電率在0.5C和1C之間；完全充電時(shí)間約為2-3小時(shí)。這些電池的制造商建議在0.8C或更低的溫度下充電，以延長電池壽命。但是，大多數(shù)Power Cell可以承受較高的電荷C速率，而壓力很小。充電效率約為99％，電池在充電過程中保持涼爽。

某些鋰離子電池組充滿電時(shí)，溫度可能會(huì)升高約5ºC。這可能是由于保護(hù)電路和/或內(nèi)部電阻升高所致。如果在中等充電速度下溫度升高超過10ºC，請(qǐng)停止使用電池或充電器。

當(dāng)電池達(dá)到電壓閾值并且電流下降到額定電流的3％時(shí)，就會(huì)發(fā)生完全充電。如果電流趨于平穩(wěn)并且無法進(jìn)一步降低，則電池也被視為充滿電。高自放電可能是這種情況的原因。

增加充電電流不會(huì)使完全充電狀態(tài)加速太多。盡管電池更快地達(dá)到電壓峰值，但飽和電荷將需要更長的時(shí)間。電流越大，階段1越短，但階段2的飽和時(shí)間越長。但是，高電流充電將迅速使電池充滿約70％的電量。

鋰離子電池不需要像鉛酸電池一樣充滿電，實(shí)際上，最好不要完全充電，因?yàn)楦邏簳?huì)對(duì)電池造成壓力。選擇較低的電壓閾值或完全消除飽和電荷會(huì)延長電池壽命，但這會(huì)減少運(yùn)行時(shí)間。消費(fèi)類充電器的充電器要達(dá)到最大容量，無法調(diào)節(jié)；延長使用壽命被認(rèn)為不那么重要。

一些低成本的充電器可能會(huì)使用簡化的“充電并運(yùn)行”方法，該方法可在一個(gè)小時(shí)或更短的時(shí)間內(nèi)為鋰離子電池充電，而無需進(jìn)行第二階段的飽和充電。當(dāng)電池在階段1達(dá)到電壓閾值時(shí)，將顯示“就緒”。此時(shí)的充電狀態(tài)（SoC）約為85％，足以滿足許多用戶的需求。

某些工業(yè)充電器故意將充電電壓閾值設(shè)置得較低，以延長電池壽命。表2列出了在有飽和電荷和無飽和電荷的情況下充電至不同電壓閾值時(shí)的估計(jì)容量。（如何延長鋰離子電池壽命?）

表2：鋰離子電池的典型充電特性。 在設(shè)定電壓下增加完全飽和度會(huì)使容量增加約10％，但會(huì)由于高電壓而增加應(yīng)力。

首次給電池充電時(shí)，電壓會(huì)迅速升高?？梢詫⑦@種行為與用橡皮筋舉重而造成的滯后相提并論。當(dāng)電池幾乎充滿電時(shí)，容量最終會(huì)增加（如圖3）。該充電特性是所有電池的典型特性。充電電流越高，橡皮筋效應(yīng)將越大。低溫或給電池充電具有較高的內(nèi)部電阻會(huì)放大效果。

圖3：鋰離子電池充電時(shí)的電壓/容量與時(shí)間的關(guān)系。 容量就像用橡皮筋舉起重物一樣落后于充電電壓。 由Cadex提供

通過讀取充電電池的電壓來估計(jì)SoC是不切實(shí)際的。電池放置幾個(gè)小時(shí)后測(cè)量開路電壓（OCV）是更好的指示。與所有電池一樣，溫度會(huì)影響OCV，鋰離子活性物質(zhì)也會(huì)影響。智能手機(jī)，筆記本電腦和其他設(shè)備的SoC通過庫侖計(jì)數(shù)進(jìn)行估算。

鋰離子不能吸收過充電。充滿電后，必須切斷充電電流。連續(xù)電流充電會(huì)導(dǎo)致鍍金屬鋰并損害安全性。為了最大程度地降低壓力，請(qǐng)使鋰離子電池的峰值截止時(shí)間盡可能短。

充電終止后，電池電壓開始下降。這減輕了電壓應(yīng)力。隨著時(shí)間的流逝，開路電壓將穩(wěn)定在3.70V至3.90V /電池之間。請(qǐng)注意，已接收到完全飽和電荷的鋰離子電池將使電壓升高的時(shí)間比未接收到飽和電荷的鋰離子電池的時(shí)間更長。

當(dāng)必須將鋰離子電池留在充電器中以進(jìn)行操作準(zhǔn)備時(shí)，某些充電器會(huì)施加短暫的頂充，以補(bǔ)償電池較小的自放電和保護(hù)電路的消耗。當(dāng)開路電壓降至4.05V / cell時(shí)，充電器可能會(huì)跳動(dòng)，然后以4.20V / cell再次關(guān)閉。專為工作就緒或待機(jī)模式而設(shè)計(jì)的充電器通常使電池電壓降至4.00V / cell，然后再充電至4.05V / cell，而不是整個(gè)4.20V / cell。這樣可以減少與電壓有關(guān)的壓力并延長電池壽命。

一些便攜式設(shè)備在“打開”位置坐在充電座中。流經(jīng)器件的電流稱為寄生負(fù)載并且會(huì)扭曲充電周期。電池制造商建議不要在充電時(shí)產(chǎn)生寄生負(fù)載，因?yàn)樗鼈儠?huì)引起微循環(huán)。不能總是避免這種情況，并且連接到交流電源的筆記本電腦就是這種情況。電池可能被充電到4.20V / cell，然后由設(shè)備放電。電池上的應(yīng)力水平很高，因?yàn)檠h(huán)發(fā)生在高壓閾值上，通常也在高溫下發(fā)生。

充電期間應(yīng)關(guān)閉便攜式設(shè)備。這使電池不受阻礙地達(dá)到設(shè)定的電壓閾值和電流飽和點(diǎn)。寄生負(fù)載會(huì)降低電池電壓，并通過汲取泄漏電流來防止飽和階段的電流下降到足夠低，從而使充電器感到困惑。電池可能已充滿電，但主要情況會(huì)提示繼續(xù)充電，從而造成壓力。

充電非鈷混合鋰離子電池

傳統(tǒng)的鋰離子電池的標(biāo)稱電池電壓為3.60V，而磷酸鋰（LiFePO）除外，電池標(biāo)稱電壓為3.20V，充電至3.65V。相對(duì)較新的是鈦酸鋰（LTO），其標(biāo)稱電池電壓為2.40V，可充電至2.85V。（不同電池類型的特征你知多少？）

這些非鈷共混鋰離子的充電器與常規(guī)的3.60伏鋰離子不兼容。必須采取措施識(shí)別系統(tǒng)并提供正確的電壓充電。設(shè)計(jì)用于磷酸鋰的充電器中的3.60V鋰電池?zé)o法獲得足夠的電量。普通充電器中的磷酸鋰會(huì)導(dǎo)致過充電。

鋰離子電池充電過度

鋰離子可在指定的工作電壓范圍內(nèi)安全運(yùn)行；但是，如果不小心將其充電到高于規(guī)定的電壓，則電池會(huì)變得不穩(wěn)定。為4.20V /電池設(shè)計(jì)的鋰離子電池如果長時(shí)間在4.30V以上充電，則會(huì)在陽極上電鍍金屬鋰。陰極材料變成氧化劑，失去穩(wěn)定性并產(chǎn)生二氧化碳（CO2）。電池壓力升高，如果允許繼續(xù)充電，則負(fù)責(zé)電池安全的當(dāng)前中斷設(shè)備（CID）將在1,000–1,380kPa（145–200psi）時(shí)斷開連接。如果壓力進(jìn)一步升高，某些鋰離子電池上的安全膜將以約3,450kPa的壓力打開，電池最終可能會(huì)著火。（鋰離子電池的安全性）

火焰通風(fēng)與溫度升高有關(guān)。充滿電的電池具有較低的熱失控溫度，并且比部分充滿電的電池更容易排氣。所有鋰電池在較低的充電量下都更安全，這就是為什么當(dāng)局會(huì)要求以30％的充電狀態(tài)而不是充滿電空運(yùn)鋰離子電池。

鋰鈷充滿電的閾值是130–150ºC。鎳錳鈷（NMC）為170–180ºC，而鋰錳約為250ºC。磷酸鋰與錳相比具有相似且更好的溫度穩(wěn)定性。

如果過度充電，鋰離子不是唯一會(huì)造成安全隱患的電池。如果處理不當(dāng)，鉛和鎳基電池也會(huì)融化并引起火災(zāi)。正確設(shè)計(jì)的充電設(shè)備對(duì)于所有電池系統(tǒng)都是至關(guān)重要的，并且溫度感應(yīng)是可靠的值班人員。

鋰離子電池的充電比鎳基電池更簡單。充電電路直截了當(dāng)；電壓和電流限制比分析復(fù)雜的電壓信號(hào)更容易適應(yīng)，電壓信號(hào)隨著電池的老化而變化。充電過程可以是間歇性的，并且鋰離子不需要像鉛酸那樣飽和。這為可再生能源存儲(chǔ)（例如太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)）提供了主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈儫o法始終為電池充滿電。of流充電的缺乏進(jìn)一步簡化了充電器。鋰離子電池不需要鉛酸均衡的充電器。

消費(fèi)者和大多數(shù)工業(yè)鋰離子充電器都為電池充滿電。它們沒有提供可調(diào)節(jié)的充電終止電壓，該電壓會(huì)通過降低最終充電電壓并縮短運(yùn)行時(shí)間來延長鋰離子電池的使用壽命。設(shè)備制造商擔(dān)心這種選擇會(huì)使充電器復(fù)雜化。例外的是電動(dòng)車和衛(wèi)星是避免完全充電，實(shí)現(xiàn)較長的使用壽命。

鋰離子電池充電指南

1.關(guān)閉設(shè)備或斷開充電負(fù)載，以使電流在飽和期間不受阻礙地下降。寄生負(fù)載會(huì)使充電器混淆。

2.在適中的溫度下充電。不要在冷凍溫度下充電。

3.鋰離子電池不需要充滿電；分充更好。

4.當(dāng)“就緒”信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，并非所有的充電器都充滿電，并且電池可能未充滿電。電量計(jì)上的100％電量可能是個(gè)謊言。

5.如果電池過熱，請(qǐng)停止使用充電器和/或電池。

6.在存儲(chǔ)之前，請(qǐng)對(duì)空的電池進(jìn)行一些充電（理想的是40％至50％的SoC）。

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