为什么锂离子电池充电需要3个阶段——工程师原创应用笔记

【编者按】锂离子电池是现今便携式电子产品最常见的选择，与其他类型电池相比，锂离子电池重量轻，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。当使用锂离子电池进行应用设计时，最重要的是要理解它在充放电过程中的特性以确保应用的安全，同时保障使用时间的最优化。业界已经形成了对锂离子电池进行充电时的三阶段策略：预充电、恒流充电和恒压充电。

为什么需要进行3个阶段

1、 如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，可以看出充电截止电压越高，循环寿命更短，容量下降也更快。

2、 如下图为锂离子电池的容量、循环寿命和放电电流之间的关系，纵轴为电池容量，横轴为循环寿命次数，可以看出对于充电速率越大，容量衰减速度越快。

3、锂离子电池化学特性

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。可以想象，充电的速度越快越危险，充电终止的电压越高也越危险，充电的时间越长也越危险。如果你不能想象电池内部发生的状况，请把这个电池想象成肥皂泡，你往肥皂泡中吹入气体的过程就相当于给电池充电的过程，如果你吹得太快，肥皂水形成的水膜扩张速度赶不上气体吹入的速度时，肥皂泡就很容易破裂了。

预充电（Precharge）发生在电池电压比较低时，对于大多数锂离子电池来说，这个电压通常定义在2.9V~3V以下，此时的充电电流一般容许在C/10以下。

恒流充电的电流大多设定在1C左右（按照500个使用循环后容量衰减至初始容量的80%确定）。在恒压充电阶段，电流将逐渐下降，下降到一定程度（通常是C/10）以后，我们可以认为电池已经充满了，充电过程将截止。

最后一个阶段被称为补充阶段，它实际上是恒流阶段和恒压阶段的组合。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。

另外，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。

参考文献：https://www.richtek.com/Design%20Support/Technical%20Document/AN023?sc_lang=zh-CN

作者介绍：雕塑者（笔名），一名乐于开源文化的工程师，个人公众号【一只白乌鸦】。后续原创技术应用笔记还将在我爱方案网上线，敬请期待！

来源：我爱方案网

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