關(guān)于鋰離子電池的性能分析和介紹

多年以前，當(dāng)我第一次拿著使用鋰離子電池供電的數(shù)碼相機(jī)去北京八達(dá)嶺長(zhǎng)城游玩的時(shí)候，只照了幾張相片以后相機(jī)就不能工作了，查看信息是說(shuō)電池沒(méi)有電了。當(dāng)時(shí)的北京城里還比較暖和，八達(dá)嶺則已經(jīng)下雪，而我還沒(méi)有了解過(guò)鋰離子電池的特性，所以遇到這樣的狀況時(shí)會(huì)很茫然，現(xiàn)在我知道是低溫下的鋰離子電池放不出電來(lái)了。類似的狀況去年春節(jié)的時(shí)候又遇到一次，當(dāng)時(shí)我住在龍崗，突然發(fā)現(xiàn)自己的iPad不工作了，給它充電也沒(méi)有任何反應(yīng)，后來(lái)到了一間有空調(diào)的房間，iPad的工作又恢復(fù)了正常，這時(shí)候才意識(shí)到是iPad在低溫下有禁止電池工作的功能，而當(dāng)時(shí)恰好遇到了深圳76年來(lái)第一次下雪的狀況。

我們?cè)诮o手機(jī)充電的時(shí)候，常常會(huì)覺(jué)得手機(jī)很熱，所以，我們都認(rèn)為充電時(shí)電池會(huì)發(fā)熱，但事實(shí)可能不完全是這樣的。

要判斷充電過(guò)程是否會(huì)讓電池發(fā)熱，可以把電池置于真空絕熱環(huán)境之中再給它充電，其間再將電池的熱功率或是溫度變化過(guò)程記錄下來(lái)，我們就可以看到電池是在放熱還是吸熱了。

上圖摘錄自一份鋰離子電池?zé)崽匦匝芯繄?bào)告（研究生的研究項(xiàng)目），研究中的電池本來(lái)已被充滿，然后被放電36分鐘以后開(kāi)始被充電，上圖記錄的是它被充電過(guò)程中的熱功率和時(shí)間之間的關(guān)系，負(fù)值代表電池在吸熱，因而表現(xiàn)為溫度降低；正值代表電池在放熱，因而表現(xiàn)為溫度升高。由于電池處于真空絕熱環(huán)境之下，所以沒(méi)有外來(lái)熱量影響它，它的熱量也不能傳遞到外面，吸熱或是放熱的反應(yīng)只能影響其溫度，對(duì)外界環(huán)境則沒(méi)有影響，也不受外界環(huán)境的影響。

上圖所記錄的大部分時(shí)間里電池都處于吸熱狀態(tài)，這已經(jīng)足以讓我們得到結(jié)論：充電的過(guò)程是鋰離子電池吸熱的過(guò)程。由這個(gè)結(jié)論，我們可以知道充電可以使鋰離子電池的溫度降低，但是很顯然，這與我們平常的體驗(yàn)不一致，因?yàn)槲覀兌加薪o手機(jī)充電時(shí)手機(jī)溫度升高的經(jīng)驗(yàn)，我們會(huì)天然地覺(jué)得充電會(huì)使電池溫度升高，而且上圖中也有一部分時(shí)間里的電池是處于放熱狀態(tài)的，其中的認(rèn)知沖突到底出現(xiàn)在哪里呢？

實(shí)際上，在上述電池充電的熱功率測(cè)試中，鋰離子電池處于恒流充電的時(shí)間非常短暫，只有大約10分鐘，這個(gè)階段讓它進(jìn)入了發(fā)熱狀態(tài)，以后就進(jìn)入恒壓充電階段了。恒壓充電階段的充電電流是逐漸降低的，這是我們?cè)诹私怃囯x子電池的充電特性時(shí)就已經(jīng)知道了的。從電池的電壓源加電阻的電路模型上來(lái)看，造成恒壓充電階段電流逐漸降低的原因是外部電壓與電池理想部分的電壓差落在電池內(nèi)阻上形成的，而該內(nèi)阻會(huì)隨著溫度、電池充滿程度、電流大小以及使用時(shí)間的長(zhǎng)短而發(fā)生變化。充電過(guò)程只是在對(duì)理想電壓源進(jìn)行充電，這個(gè)過(guò)程對(duì)于電池來(lái)說(shuō)是個(gè)吸熱過(guò)程，但電流流過(guò)內(nèi)阻的時(shí)候卻會(huì)發(fā)熱，最后它對(duì)外表現(xiàn)出來(lái)的熱功率是正是負(fù)，就看這兩者之間的數(shù)量關(guān)系了。大多數(shù)情況下我們看到的都是電池在發(fā)熱，基本上來(lái)說(shuō)就是充電電流太大了，它流過(guò)內(nèi)阻時(shí)生成的熱超過(guò)了充電吸取的熱，所以表現(xiàn)出溫度升高的現(xiàn)象。在上面的充電時(shí)間與熱功率的關(guān)系圖中，隨著恒壓充電的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，充電的吸熱反應(yīng)和內(nèi)阻造成的發(fā)熱反應(yīng)就越來(lái)越均衡，并以吸熱反應(yīng)為主，所以記錄下來(lái)的熱功率就比較平穩(wěn)了。

溫度對(duì)鋰離子電池特性的影響是巨大的。一般而言，溫度越高，鋰離子電池內(nèi)部物質(zhì)的活性就越大，電池的內(nèi)阻會(huì)比較低，充放電的反應(yīng)過(guò)程也越容易進(jìn)行，但是在溫度高到一定的程度時(shí)就很容易出現(xiàn)熱失控的問(wèn)題，有些物質(zhì)會(huì)發(fā)生氣化現(xiàn)象，嚴(yán)重的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)鼓脹甚至爆炸等嚴(yán)重的狀況。在充電過(guò)程中，原來(lái)位于陽(yáng)極中的鋰離子會(huì)脫離陽(yáng)極，它們?cè)诖┻^(guò)隔膜和電解質(zhì)以后到達(dá)陰極并嵌入到陰極中去，它所缺少的一個(gè)電子會(huì)在這里得到補(bǔ)充，使之被還原成為鋰原子。如果充電電流比較大，有的鋰離子可能在沒(méi)有進(jìn)入陰極時(shí)就被轉(zhuǎn)化成了鋰原子，它們就會(huì)在陰極表面堆積起來(lái)，堆積起來(lái)的鋰常常形成樹(shù)枝狀的晶體，隨著這些“樹(shù)枝”的生長(zhǎng)，最終可能刺破隔膜并造成陰極與陽(yáng)極之間的短路，這樣就會(huì)有大電流通過(guò)它，而很高的熱量也會(huì)在這里生起，從而使上面提到的危險(xiǎn)狀況更容易出現(xiàn)。

溫度較低的時(shí)候，鋰離子電池內(nèi)部物質(zhì)的活性下降，內(nèi)阻增大，因而通過(guò)大電流時(shí)會(huì)在內(nèi)阻上形成比較大的壓降，造成電池電壓與外顯電壓之間的比較大的壓差，給充放電特性都帶來(lái)影響。考慮到大電流會(huì)在內(nèi)阻上形成比較高的發(fā)熱量，會(huì)提升電池溫度，對(duì)充放電過(guò)程會(huì)比較有利，但由于低溫下的物質(zhì)活性的降低，大電流對(duì)材料結(jié)構(gòu)的破壞顯然會(huì)高于正常溫度下帶來(lái)的影響，所以低溫下的大電流充電和放電都是不被推薦的。

我們?cè)谡f(shuō)到鋰離子電池充電IC的特性的時(shí)候，常常會(huì)說(shuō)某某器件符合JEITA規(guī)范的要求，這個(gè)JEITA規(guī)范到底在說(shuō)什么呢？比我們前面介紹過(guò)的RT9466集成度還要高、已經(jīng)支持直充應(yīng)用的RT9468在涉及這個(gè)問(wèn)題時(shí)是這樣說(shuō)的：

實(shí)際上，JEITA是Japan Electronics and Information Technology Industries Association的縮寫，由于市場(chǎng)上使用鋰離子電池的產(chǎn)品在2006年多次出現(xiàn)因電池導(dǎo)致的火災(zāi)事故，JEITA與日本電池協(xié)會(huì)一起于2007年4月20日發(fā)布了一份名為《A Guide to the Safe Use of Secondary Lithium Ion Batteries in Notebook-type Personal Computers》的文件，描述了二次鋰離子電池單元及其系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和評(píng)估過(guò)程中確保更高安全性的方法，內(nèi)容涉及電芯、電池模組和PC系統(tǒng)。按照其指引，充電系統(tǒng)在為鋰離子電池充電時(shí)應(yīng)在電池溫度較高或較低時(shí)主動(dòng)將充電電壓和充電電流降低以保護(hù)電池。所以，當(dāng)說(shuō)一款充電IC支持JEITA規(guī)范的時(shí)候，實(shí)際上是在說(shuō)它會(huì)隨著溫度的不同而調(diào)整充電電壓和電流。

在JEITA規(guī)范的實(shí)際實(shí)施中，通常采用外置的熱敏電阻去感知電池的溫度，其電阻在溫度的作用下發(fā)生相應(yīng)的改變，與它一起構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)就會(huì)把適當(dāng)?shù)碾妷?a target="_blank">信號(hào)提供給IC，IC內(nèi)部再設(shè)定幾個(gè)電壓比較器，這樣就可以識(shí)別出電池所處的溫度區(qū)間，再用此信息去實(shí)施相應(yīng)的電壓、電流調(diào)整就可以了。

在上面的RT9468應(yīng)用電路圖中，由紅線框起來(lái)的幾個(gè)元件即是測(cè)溫電阻網(wǎng)絡(luò)。其中的NTC熱敏電阻用黑色線和電池框在一起，這表示它需要和電池緊密接觸，以便能夠比較準(zhǔn)確地測(cè)量其體溫。另外的兩只電阻則是用來(lái)對(duì)NTC熱敏電阻所生成的信號(hào)進(jìn)行校正的，以便實(shí)際的應(yīng)用中可以選用不同規(guī)格的NTC熱敏電阻。為電阻網(wǎng)絡(luò)供電的REGN是由IC自身生成的比較穩(wěn)定的電壓，TS_BAT端子是IC的溫度測(cè)量端子，它所檢測(cè)的是電壓信號(hào)。IC內(nèi)部的幾個(gè)比較器的參考電壓是按照它們與REGN電壓的一定比例來(lái)設(shè)定的，應(yīng)用中需要利用其數(shù)據(jù)和NTC熱敏電阻在不同溫度下的電阻數(shù)據(jù)一起來(lái)進(jìn)行匹配電阻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)計(jì)算，相關(guān)的計(jì)算方法在規(guī)格書中都有提供，需要了解的可以去閱讀規(guī)格書（點(diǎn)擊文末的“閱讀原文”即可找到）。

對(duì)于RT9468來(lái)說(shuō)，對(duì)JEITA規(guī)范的支持是一個(gè)可選項(xiàng)。支持以后的各溫度區(qū)間的充電電流是不同的，充電電壓也是有變化的。這些設(shè)定都可通過(guò)在內(nèi)部寄存器中寫入數(shù)據(jù)來(lái)完成，該寄存器的定義如下表所示：

當(dāng)該寄存器的JEITA_EN被置為1時(shí)，JEITA規(guī)范即被支持。當(dāng)其他幾個(gè)位都被設(shè)定為0時(shí)，溫度較高和較低期間的充電電流即為正常充電電流的50%，而充電電壓則降低0.2V，而該寄存器被復(fù)位以后的初始數(shù)據(jù)即為上述數(shù)據(jù)，所以在你不對(duì)該寄存器做設(shè)定時(shí)，JEITA規(guī)范就是被支持的，充電電流在較冷和較熱時(shí)都會(huì)自動(dòng)降低一半，充電電壓也自動(dòng)降低0.2V，從而保證了最佳的安全性。