提高鋰電池的容量，以透過物理尺寸最小的電池來實現最長的產品工作時間，是人們一直以來的目標。但是在有些實例中，較長的電池壽命、較多的充電次數或較安全的電池卻比電池容量更為重要。本文便將介紹幾種可以將電池壽命達到最高的鋰電池充電和放電方法。

目前幾乎所有高效能可攜式產品，都使用包括鋰離子聚合物電池在內的可再充電鋰電池，這麼做的理由非常簡單，因為與其他可再充電電池相比，鋰電池具有較高的能量密度、較高的電池電壓、自我放電少、週期壽命非常長、環保、而且充電和維護都更為簡單。另外，由於其具有相對高的電壓（2.9V至4.2V），因此很多可攜式產品都能用單顆電池工作，從而簡化了產品總體設計。

鋰電池的基本知識

在介紹電池充電器如何延長電池壽命之前，我們可回顧一下鋰電池的基本知識。鋰是最輕的金屬之一，也是最容易起化學反應的物質之一，且具有最高的電化學電勢，因此是非常理想的電池材料。鋰電池不含金屬態鋰，而是使用鋰離子，在充電和放電時，鋰離子係往來穿梭於電池的陰極和陽極之間。

鋰電池類型

儘管有很多不同類型的鋰電池，但是目前在生產中，最常用的化學材料只有3類，而且都與電池中使用的陰極材料有關。鋰鈷材料在筆記本電腦、相機和手機電池中更常用，這主要是因為這類材料具有較大的充電容量。而在需要大的充電電流、需要提高安全性時、或在成本是關鍵因素的應用中，便會使用其他化學材料。另外，新的混合型鋰電池也正開發中，這種電池採用了納入每種化學材料最佳特性的組合陰極材料。

與採用其他化學材料的電池不同，鋰電池技術尚未成熟。人們正在研究比今天的電池具有更高容量、更長壽命和更高效能的新型電池。表一顯示每種類型電池的重要特點。

鋰離子聚合物電池

鋰離子聚合物電池的充放電過程和特性與標準鋰電池類似。兩者的主要差別是，在鋰離子聚合物電池中，固態離子傳導聚合物取代了標準鋰電池中使用的液態電解質，但是大多數聚合物電池還含有一種電解質凝膠，以降低電池內部電阻。去掉液態電解質後，聚合物電池可以用鋁箔包裝，而不是採用標準鋰電池所需的重金屬外殼。由於生產經濟性並可以靈活地做成很多不同的形狀（包括非常薄的形狀），因此鋰離子聚合物電池越來越受歡迎。

電池壽命

所有可再充電電池都會用壞，鋰電池也不例外。電池製造商通常認為，電池容量降至額定容量的80％時，電池壽命終止。不過，低於80％充電容量時，儘管工作時間縮短了，但是電池仍然能夠提供可用功率。

提到電池壽命時，常常用充電/放電週期數來表示，但是週期壽命和電池壽命（或服務壽命）的時間長度可能不同。充電和放電最終將減少電池的活性材料，並引起其他化學材料的變化，從而引起內部電阻提高和永久性容量損失。但是，即使電池未使用時也會發生永久性容量損失。在溫度升高、電池電壓保持在4.2V（充飽電）時，永久性容量損失最大。

為了最大限度延長儲存壽命，電池應該以40％的充電量（3.6V）在40℉的溫度下（冰箱中）儲存。也許對鋰電池而言，一種最不利的情況是，白天將筆記型電腦放在辦公桌上使用，電池在電腦中，而且連接著充電器。筆記型電腦工作時一般是微溫甚至發熱，這提高了電池溫度，而充電器又保持電池接近100％充電。這兩種情況都會縮短電池壽命，可能縮短半年到一年。如果可能的話，筆記型電腦放在辦公桌上使用時，可以將電池卸下來，用交流適配器為電腦供電。筆記型電腦電池如果保護得當，其壽命應該可以達到2至4年或更長。

鋰電池容量損失

有兩種類型的電池容量損失：可恢復性損失和永久性損失。鋰電池充飽電以後，一般在24小時之內會損失約5％的容量，然後，由於自我放電，每個月損失約3％，如果電池組有保護電路，那麼每個月還會額外損失3％。電池溫度保持在20℃左右時會發生此自我放電損失，隨著溫度升高和電池老化，自放電損失會大大提高。這種容量損失可以透過為電池再充而恢復。

永久性容量損失，正如其名，是不能透過充電來恢復的永久性損失。這種損失與電池壽命有關，因為永久性容量損失使電池容量降至額定容量的80％左右時，電池就被認為壽命終止。引起永久性容量損失的主要原因是，滿充電/放電週期數、電池電壓和電池溫度。電池保持在4.2V或100％充電水準（或對磷酸鋰離子而言為3.6V）的時間越長，容量損失越快。不管電池是正在充電，還是剛好在電壓接近 4.2V 的滿充電狀態都是如此。總是保持鋰電池處於充飽電狀態會縮短其壽命。縮短電池壽命的化學變化在它一製造出來時就開始了，高浮動電壓和高溫會加速這些變化。永久性容量損失是不可避免的，但是在充電、放電或只是儲存電池時，透過遵守良好的電池使用慣例，永久性容量損失將可以控制至最小。採用部分放電方法可以極大地提高週期壽命，充電量低於容量的100％甚至可以進一步延長電池壽命。

決定鋰離子電池週期壽命或服務壽命的因素

延長或縮短電池壽命的因素通常並非單一，而常常是幾種因素加起來的效果。就延長週期壽命而言：

鋰電池充電方法

建議為鋰電池充電的方法是，向電池提供一個±1％限壓的定電流，直到電池充滿電，然後停止充電。用來決定電池何時充滿電的方法包括：給總充電時間定時、監視充電電流，或兼用這兩種方法。第一種方法採用限壓定電流，變化範圍從C/2到1C，持續2.5至3小時，使電池達到100％充電。也可以使用較低的充電電流，但是將需要更長時間。第二種方法與第一種方法類似，但需監視充電電流。隨著電池的充電，電壓上升，這與採用第一種方法時完全相同。電池電壓達到設定限壓值（也稱為浮動電壓）時，充電電流開始下降。電流一開始下降，電池約充電至容量的50％至60％。浮動電壓繼續提供，直到充電電流降至足夠低的水準（C/10至C/20），這時電池約充電至容量的92％至99％，充電週期終止。目前，要為標準鋰離子電池快速充電（不到1小時）至容量的100％，還沒有一種安全的方法。

這裏並不建議在電池充飽電後仍然為電池加上連續電壓，因這會加速永久性容量損失，而且可能引起內部鋰金屬鍍膜。這種鍍膜可能發展成內部短路通路，引起過熱，使電池受熱時不穩定。

有些鋰離子電池充電器允許使用熱敏電阻監視電池溫度。這麼做的主要目的，是如果電池溫度超出建議的0℃至40℃視窗範圍時，就禁止充電。與鎳鎘或鎳氫金屬電池不同，鋰離子電池在充電時溫度上升非常少。圖一是一個典型的鋰電池充電曲線，圖中顯示了充電電流、電池電壓和電池容量隨時間的變化。

《圖一　顯示了電池電流、電壓和容量的典型充電曲線》

字母“C”

字母“C”是一個電池術語，用於指示電池製造商規定的電池放電容量，單位是mAHr。例如，一個額定2000mAHr的電池可以為一個2000mA負載供電一小時，之後電池電壓才會降至零容量電壓。在這個例子中，以C/2的電流給電池充電意味著以1000mA（1A）充電。字母“C”在電池充電器中變得很重要，因為它決定了電池充飽電所需的合適充電電流和時間長度。在討論最低充電電流終止方法時，採用C/10終止的2000mAHr電池將在充電電流降至低於200mA時終止充電週期。

決定電池浮動電壓的因素

主要的決定因素是電池陰極中使用的活性材料的電化學電勢，就鋰而言約為4V。增加其他化合物將提高或降低這個電壓。第二個因素是在電池容量、週期壽命、電池壽命和安全性之間取得平衡。圖二所示曲線顯示了電池容量和週期壽命之間的關係。

《圖二　充電器浮動電壓與電池容量和週期壽命》

大多數鋰電池製造商都設定了一個4.2V浮動電壓，以此作為容量和週期壽命之間的最佳平衡。用4.2V作為定限壓值（浮動電壓）時，電池一般可以提供約500個充電/放電週期，然後電池容量降至80％。一個充電週期由一個充飽電至一個滿放電過程組成。多個淺放電過程合起來便構成一個充飽電週期。

儘管利用降低浮動電壓、或最低充電電流終止方法充電至低於100％的容量，最初會降低電池容量，但是隨著週期數增加到超過500次，較低浮動電壓的電池容量可以超過較高浮動電壓的電池容量。關於容量和充電週期數，圖三顯示了建議浮動電壓與降低浮動電壓的比較情況。

《圖三　週期壽命和容量與 4.1V和4.2V浮動電壓》

由於不同的鋰電池化學材料和其他條件可能影響電池壽命，因此本文顯示的曲線只是估計的充電週期數和電池容量值。由於電池材料和製作方法的微小差別，甚至來自不同製造商的類似電池化學材料也可能產生有天壤之別的結果。 電池製造商規定最終用戶必須使用的充電方法和浮動電壓，以滿足電池容量、週期壽命和安全規格要求。不建議充電至高於推薦的浮動電壓。很多電池含有電池組保護電路，如果超過最高電池電壓，該電路暫時斷開電池連接。一旦斷開，將電池組連接到充電器一般會重定電池組保護電路。電池組上常常印有一個電壓值，如單顆電池為3.6V。這個電壓不是浮動電壓，而是電池放電時的平均電池電壓。

選擇電池充電器以延長電池壽命

儘管電池充電器對電池的深度放電、放電電流和電池溫度不加以控制，但是所有這些因素對電池壽命都有影響，很多充電器具有能夠延長電池壽命的功能，而且有時可以將電池壽命延長到最久。

電池充電器延長電池壽命的作用，主要由充電器的浮動電壓和充電終止方法決定。許多鋰電池充電器具有4.2V±1％（或更低）的固定浮動電壓，部分產品則為4.1V和4.0V，以及具有可調浮動電壓，以滿足不同需求使用。

不提供較低浮動電壓選項的電池充電器也能延長電池壽命。採用最小充電電流終止方法（C/10或C/x）的充電器透過選擇適當的充電電流值來終止充電週期，將可延長電池壽命。

C/10終止大約僅將電池充電至其容量的92％，但是將提高週期壽命。C/5終止可以將週期壽命延長一倍，但是電池充電量進一步降低至約為容量的85％。圖六顯示了凌力爾特的幾款充電器，其分別採用C/10（10％電流門檻）或C/x（可調電流門檻）充電終止模式。

較長工作時間或較長電池壽命，能兼而有之嗎？

如果採用目前的電池技術，而且不增大電池尺寸，那麼答案是不能。要實現最長的工作時間，充電器必須將電池充電至容量的100％。這時電池電壓接近製造商推薦的浮動電壓，一般為4.2V±1％。遺憾的是，將電池充電至接近這個電壓值，並保持在這個電壓值會縮短電池壽命。一個辦法是選擇較低的浮動電壓，禁止電池100％充電，但是這需要較高容量的電池才能實現同樣長的工作時間。當然，在很多可攜式產品中，也許不選擇較大尺寸的電池。

採用C/10或C/x最小充電電流終止方法與採用較低浮動電壓一樣，也可以對電池壽命有同樣的影響。浮動電壓降低100mV，容量將降低約15％，但是週期壽命可以延長一倍。同時，充電電流降至20％（C/5）時終止充電週期，容量也降低15％，同樣可將週期壽命延長一倍。

放電時典型的鋰電池輸出電壓

可以預料的是，放電時，電池電壓會緩慢下降。放電電壓曲線隨時間的變化取決於幾個因素，這包括放電電流、電池溫度、電池老化程度和電池使用的陽極材料類型。目前，大多數鋰電池使用基於石油的焦炭或石墨。每種電池的電壓曲線如圖四所示。使用比較廣泛的石墨材料在容量的20％和80％之間放電電壓變化不大，然後在接近結束時迅速下降，而焦炭陽極具有比較陡的電壓斜坡和較低的2.5V截止電壓。用焦炭材料時大約的剩餘電池容量更容易確定，簡單測量電池電壓就可以了。

《圖四　採用不同陽極材料的鋰電池放電電壓曲線》

並聯或串聯連接電池

為了提高容量，鋰離子電池常常並聯連接。除了電池必須採用相同的化學材料、來自同一製造商和尺寸相同，沒有其他特殊要求。串聯連接的電池更需要小心，因為常常需要電池容量匹配和電池平衡電路，以確保每顆電池達到相同的浮動電壓和相同的充電水準。我們不建議串聯連接兩顆電池（有各自的電池組保護電路），因為容量不匹配可能導致電池達到過壓限值，從而斷開電池連接。另外，應該從電池製造商購買已裝配了適當電路的多顆電池組。

結論

鋰電池的壽命取決於很多項因素，其中最重要的，是電池化學材料、放電深度、電池溫度和電池容量終止值。為電池充電至製造商建議的100％容量可達到製造商公佈的充飽電/放電週期數。選擇允許充電至低於100％容量的充電器，將使需要延長電池壽命的應用獲得極大利益。這是透過選擇具有較低浮動電壓、或較早終止充電週期的電池充電器所實現的。

---作者任職於Linear凌力爾特公司---

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