鋰離子電池是消費電子產品中最常用的電池。在以前使用的其他類型的電池中，用于電子設備的NiCad電池已在歐盟被禁止，因此對這些類型的總體需求已經下降。
鎳氫電池仍在使用，但它們較低的能量密度和成本效益比使它們沒有吸引力。
鋰離子電池的操作和構造
鋰離子電池被認為是二次電池，這意味著它們是可充電的。最常見的類型包括由涂覆在銅基板或集流體上的石墨層制成的陽極，以及鋁基板上的鋰鈷氧化物陰極。
分離器通常是一層薄的聚乙烯或聚丙烯薄膜，以電方式將兩個電極分開，但允許鋰離子通過它進行傳輸。這種安排如圖1所示。
還使用了各種其他類型的陽極和陰極材料，最常見的陰極通常將其名稱借給電池的類型描述。
因此，鋰鈷氧化物陰極電池被稱為LCO電池。鋰鎳錳鈷氧化物類型稱為NMC類型，具有磷酸鐵鋰陰極的電池稱為LFP電池。
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圖1 – 典型鋰離子電池的主要成分 在實際的鋰離子電池中，這些層通常緊密纏繞在一起，電解質雖然是液體，但幾乎不足以潤濕電極，并且沒有液體在內部晃動。
這種布置如圖2所示，它描繪了棱柱形或矩形金屬外殼單元的實際內部結構。其他流行的外殼類型是圓柱形和袋狀（通常稱為聚合物電池）。
此圖中未顯示的是連接到每個集流體的金屬片。這些選項卡是與電池的電氣連接，本質上是電池端子。
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圖2 – 棱柱形鋰離子電池的典型內部結構 為鋰離子電池充電涉及使用外部能量源將帶正電的鋰離子從陰極驅動到陽極電極。因此，陰極帶負電，陽極帶正電。
在外部，充電涉及電子從陽極側到充電源的運動，以及相同數量的電子被推入陰極。這與鋰離子的內部流動方向相反。
在放電期間，外部負載連接到電池端子之間。儲存在陽極中的鋰離子移回陰極。在外部，這涉及電子從陰極到陽極的運動。因此，電流流過負載。
簡而言之，例如，在充電過程中電池內部發生的事情是，在陰極側，鋰鈷氧化物放棄了一些鋰離子，成為鋰含量較低的化合物，在化學上仍然穩定。
在陽極側，這些鋰離子嵌入或插入石墨分子晶格的間隙空間中。
在充電和放電過程中必須考慮幾個問題。在內部，鋰離子在充電和放電過程中必須穿過多個接口。例如，在充電過程中，鋰離子必須從陰極的主體傳遞到陰極到電解質的界面。
從那里它必須穿過電解質，通過分離器到達電解質和陽極之間的界面。最后，它必須從該界面擴散到陽極材料的主體。
通過這些不同介質的電荷傳輸速率由其離子遷移率控制。這反過來又受到溫度和離子濃度等因素的影響。
這在實踐中意味著在充電和放電過程中必須采取預防措施，以確保不超過這些限制。
鋰離子電池充電注意事項
為鋰離子電池充電需要特殊的充電算法。這分幾個階段進行，如下所述：
涓流充電（預充電）
如果電池充電水平非常低，則以降低的恒定電流速率充電，該恒流速率通常約為下文所述的全速率充電速率的1/10。
在此期間，電池電壓增加，當它達到給定閾值時，充電速率增加到完全充電速率。
請注意，一些充電器將此涓流充電階段分為兩個：預充電和涓流充電，具體取決于電池電壓最初有多低。
如果電池電壓最初足夠高，或者電池已充電至此點，則啟動完全充電速率階段。
這也是一個恒流充電階段，在這個階段，電池電壓繼續緩慢上升。
錐度電荷
當電池電壓上升到其最大充電電壓時，逐漸增壓階段開始。在此階段，充電電壓保持恒定。
這一點很重要，因為如果允許鋰離子電池以高于其最大電壓的電壓充電，則會發生災難性故障。如果該充電電壓保持恒定在此最大值，則充電電流將緩慢減小。
截止/終止
當充電電流降至足夠低的值時，充電器將與電池斷開連接。此值通常為全速率充電電流的1/10或1/20。
重要的是不要對鋰離子電池進行浮充電，因為從長遠來看，這將降低電池的性能和可靠性。
雖然上一節介紹了各個充電階段，但沒有提供各個階段的具體閾值。從電壓開始，每種鋰離子電池類型都有自己的完全充電端電壓。
對于最常見的LCO和NCM類型，這是4.20V。也有一些具有4.35V和4.45V。
對于 LFP 類型，它是 3.65V。對于 LCO/NMC 和 LFP 類型，涓流充電至充滿電閾值分別約為3.0和2.6。
設計用于為一種類型的鋰離子電池（如 LCO）充電的充電器不能用于為另一種類型的鋰離子電池（如 LFP 電池）充電。
但請注意，有些充電器可以配置為為多種類型的充電器充電。這些通常需要充電器設計中的不同組件值，以適應每種類型的電池。
當涉及到充電電流時，需要一些解釋。鋰離子電池容量傳統上報告為mAh，或毫安時，或Ah。這個單位本身實際上并不是一個儲能容量的單位。為了達到實際的能量容量，必須考慮電池電壓。
圖3顯示了LCO型鋰離子電池的典型放電曲線。由于放電電壓具有斜率，因此將整個放電曲線的平均電池電壓視為電池電壓。
對于LCO類型，此值通常為3.7至3.85V，對于LFP類型，此值通常為2.6V。將mAh值乘以電池的平均電壓，然后得到給定電池的mWh或儲能容量。
電池充電電流以C速率表示，其中1C在數值上與電池容量（以mA為單位）相同。因此，1000mAh電池的C值為1000mA。由于各種原因，鋰離子電池允許的最大充電速率通常為LCO類型為0.5C至1C，LFP類型為3C或更高。
當然，一個電池可以至少由一個電池組成，但可以由許多電池組成，這些電池由并聯電池的串聯組組合而成。
前面給出的場景適用于單節電池。在電池由多個電池組成的情況下，必須調整充電電壓和充電電流以匹配。
因此，充電電壓乘以串聯電池或電池組的數量，同樣，充電電流乘以每個串聯組中并聯電池的數量。
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圖3 – LCO型電池的典型放電曲線 為鋰離子電池充電時必須考慮的一個非常重要的附加因素是溫度。鋰離子電池不能在低溫或高溫下充電。
在低溫下，鋰離子緩慢移動。這可能導致鋰離子在陽極表面聚集，最終變成鋰金屬。由于這種鋰金屬形成呈枝晶形式，因此可能會刺穿分離器，導致內部短路。
在溫度范圍的高端，問題是產生過多的熱量。電池充電效率不是100%，并且在充電過程中會產生熱量。如果核心的內部溫度過高，電解質可能會部分分解，并變成氣態副產物。這會導致電池容量永久減少以及膨脹。
鋰離子電池充電的典型溫度范圍為高質量電池的0°C至45°C，較便宜的電池約為8°C至45°C。一些電池還允許在更高的溫度下充電，最高可達約60°C，但充電速率降低。
所有這些考慮因素通常都由專用充電器芯片滿足，強烈建議使用此類芯片，而不管實際的充電源如何。
鋰離子充電器
鋰離子充電器大致分為兩大類：線性和開關充電器。這兩種類型都可以滿足前面關于鋰離子電池正確充電的要求。但是，它們各有其優點和缺點。
線性充電IC的優點是相對簡單。但是，它的主要缺點是效率低下。例如，如果電源電壓為5V，電池電壓為3V，充電電流為1A，則線性充電器的功耗將為2W。
如果該充電器嵌入在產品中，則必須散發大量熱量。這就是為什么線性充電器主要用于最大充電電流約為1A的情況。
對于大型電池，最好使用開關充電器。在某些情況下，它們的效率水平可以高達90%。缺點是其成本較高，并且由于在其設計中使用電感器而對電路空間的要求稍大。
充電源注意事項
不同的應用可以調用不同的充電源。例如，這可以是提供直流輸出的直式交流適配器，也可以是移動電源。它也可以是來自臺式機或類似設備的USB端口。它也可能來自太陽能電池板組件。
由于這些不同電源的供電能力，除了簡單地選擇線性或開關充電器外，還必須進一步考慮實際電池充電器電路的設計。
最直接的情況是充電源提供穩壓直流輸出，如交流適配器或移動電源。唯一的要求是選擇不超過電池最大充電速率或電源供電能力的充電電流。
從USB電源充電需要更多的關注。如果USB端口是USB2.0 類型，則它將遵循USB電池充電標準1.2或BC1.2。
這要求任何負載（在本例中為電池充電器）不應超過100mA，除非負載已與源一起枚舉。在這種情況下，允許它在5V時采用500mA電流。
如果USB端口是USB3.1，那么它可以遵循USB BC1.2，或者可以在設計中加入主動控制器電路，以協商遵循USB供電或USB PD協議的更多功率。
太陽能電池作為充電源提出了另一組挑戰。太陽能電池電壓 - 電流，或VI，有點類似于常規二極管。常規二極管不會傳導任何低于其最小正向電壓值的可觀電流，然后只需略微增加正向電壓即可通過更大的電流。
另一方面，太陽能電池可以在相對平坦的電壓下提供電流，直到達到一定的最大值。超過該電流值，電壓急劇下降。
因此，太陽能充電器必須具有電源管理電路，以調節從太陽能電池吸收的電流，以免導致輸出電壓過低。
強烈建議花時間尋找合適的充電IC，而不是從頭開始設計電池充電器。
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