提高锂电池的容量，以透过物理尺寸最小的电池来实现最长的产品工作时间，是人们一直以来的目标。但是在有些实例中，较长的电池寿命、较多的充电次数或较安全的电池却比电池容量更为重要。本文便将介绍几种可以将电池寿命达到最高的锂电池充电和放电方法。

目前几乎所有高效能可携式产品，都使用包括锂离子聚合物电池在内的可再充电锂电池，这么做的理由非常简单，因为与其他可再充电电池相比，锂电池具有较高的能量密度、较高的电池电压、自我放电少、周期寿命非常长、环保、而且充电和维护都更为简单。另外，由于其具有相对高的电压（2.9V至4.2V），因此很多可携式产品都能用单颗电池工作，从而简化了产品总体设计。

锂电池的基本知识

在介绍电池充电器如何延长电池寿命之前，我们可回顾一下锂电池的基本知识。锂是最轻的金属之一，也是最容易起化学反应的物质之一，且具有最高的电化学电势，因此是非常理想的电池材料。锂电池不含金属态锂，而是使用锂离子，在充电和放电时，锂离子系往来穿梭于电池的阴极和阳极之间。

锂电池类型

尽管有很多不同类型的锂电池，但是目前在生产中，最常用的化学材料只有3类，而且都与电池中使用的阴极材料有关。锂钴材料在笔记本电脑、相机和手机电池中更常用，这主要是因为这类材料具有较大的充电容量。而在需要大的充电电流、需要提高安全性时、或在成本是关键因素的应用中，便会使用其他化学材料。另外，新的混合型锂电池也正开发中，这种电池采用了纳入每种化学材料最佳特性的组合阴极材料。

与采用其他化学材料的电池不同，锂电池技术尚未成熟。人们正在研究比今天的电池具有更高容量、更长寿命和更高效能的新型电池。表一显示每种类型电池的重要特点。

锂离子聚合物电池

锂离子聚合物电池的充放电过程和特性与标准锂电池类似。两者的主要差别是，在锂离子聚合物电池中，固态离子传导聚合物取代了标准锂电池中使用的液态电解质，但是大多数聚合物电池还含有一种电解质凝胶，以降低电池内部电阻。去掉液态电解质后，聚合物电池可以用铝箔包装，而不是采用标准锂电池所需的重金属外壳。由于生产经济性并可以灵活地做成很多不同的形状（包括非常薄的形状），因此锂离子聚合物电池越来越受欢迎。

电池寿命

所有可再充电电池都会用坏，锂电池也不例外。电池制造商通常认为，电池容量降至额定容量的80％时，电池寿命终止。不过，低于80％充电容量时，尽管工作时间缩短了，但是电池仍然能够提供可用功率。

提到电池寿命时，常常用充电/放电周期数来表示，但是周期寿命和电池寿命（或服务寿命）的时间长度可能不同。充电和放电最终将减少电池的活性材料，并引起其他化学材料的变化，从而引起内部电阻提高和永久性容量损失。但是，即使电池未使用时也会发生永久性容量损失。在温度升高、电池电压保持在4.2V（充饱电）时，永久性容量损失最大。

为了最大限度延长储存寿命，电池应该以40％的充电量（3.6V）在40℉的温度下（冰箱中）储存。也许对锂电池而言，一种最不利的情况是，白天将笔记型电脑放在办公桌上使用，电池在电脑中，而且连接着充电器。笔记型电脑工作时一般是微温甚至发热，这提高了电池温度，而充电器又保持电池接近100％充电。这两种情况都会缩短电池寿命，可能缩短半年到一年。如果可能的话，笔记型电脑放在办公桌上使用时，可以将电池卸下来，用交流适配器为电脑供电。笔记型电脑电池如果保护得当，其寿命应该可以达到2至4年或更长。

锂电池容量损失

有两种类型的电池容量损失：可恢复性损失和永久性损失。锂电池充饱电以后，一般在24小时之内会损失约5％的容量，然后，由于自我放电，每个月损失约3％，如果电池组有保护电路，那么每个月还会额外损失3％。电池温度保持在20℃左右时会发生此自我放电损失，随着温度升高和电池老化，自放电损失会大大提高。这种容量损失可以透过为电池再充而恢复。

永久性容量损失，正如其名，是不能透过充电来恢复的永久性损失。这种损失与电池寿命有关，因为永久性容量损失使电池容量降至额定容量的80％左右时，电池就被认为寿命终止。引起永久性容量损失的主要原因是，满充电/放电周期数、电池电压和电池温度。电池保持在4.2V或100％充电水准（或对磷酸锂离子而言为3.6V）的时间越长，容量损失越快。不管电池是正在充电，还是刚好在电压接近 4.2V 的满充电状态都是如此。总是保持锂电池处于充饱电状态会缩短其寿命。缩短电池寿命的化学变化在它一制造出来时就开始了，高浮动电压和高温会加速这些变化。永久性容量损失是不可避免的，但是在充电、放电或只是储存电池时，透过遵守良好的电池使用惯例，永久性容量损失将可以控制至最小。采用部分放电方法可以极大地提高周期寿命，充电量低于容量的100％甚至可以进一步延长电池寿命。

决定锂离子电池周期寿命或服务寿命的因素

延长或缩短电池寿命的因素通常并非单一，而常常是几种因素加起来的效果。就延长周期寿命而言：

锂电池充电方法

建议为锂电池充电的方法是，向电池提供一个±1％限压的定电流，直到电池充满电，然后停止充电。用来决定电池何时充满电的方法包括：给总充电时间定时、监视充电电流，或兼用这两种方法。第一种方法采用限压定电流，变化范围从C/2到1C，持续2.5至3小时，使电池达到100％充电。也可以使用较低的充电电流，但是将需要更长时间。第二种方法与第一种方法类似，但需监视充电电流。随着电池的充电，电压上升，这与采用第一种方法时完全相同。电池电压达到设定限压值（也称为浮动电压）时，充电电流开始下降。电流一开始下降，电池约充电至容量的50％至60％。浮动电压继续提供，直到充电电流降至足够低的水准（C/10至C/20），这时电池约充电至容量的92％至99％，充电周期终止。目前，要为标准锂离子电池快速充电（不到1小时）至容量的100％，还没有一种安全的方法。

这里并不建议在电池充饱电后仍然为电池加上连续电压，因这会加速永久性容量损失，而且可能引起内部锂金属镀膜。这种镀膜可能发展成内部短路通路，引起过热，使电池受热时不稳定。

有些锂离子电池充电器允许使用热敏电阻监视电池温度。这么做的主要目的，是如果电池温度超出建议的0℃至40℃视窗范围时，就禁止充电。与镍镉或镍氢金属电池不同，锂离子电池在充电时温度上升非常少。图一是一个典型的锂电池充电曲线，图中显示了充电电流、电池电压和电池容量随时间的变化。

《图一 显示了电池电流、电压和容量的典型充电曲线》

字母“C”

字母“C”是一个电池术语，用于指示电池制造商规定的电池放电容量，单位是mAHr。例如，一个额定2000mAHr的电池可以为一个2000mA负载供电一小时，之后电池电压才会降至零容量电压。在这个例子中，以C/2的电流给电池充电意味着以1000mA（1A）充电。字母“C”在电池充电器中变得很重要，因为它决定了电池充饱电所需的合适充电电流和时间长度。在讨论最低充电电流终止方法时，采用C/10终止的2000mAHr电池将在充电电流降至低于200mA时终止充电周期。

决定电池浮动电压的因素

主要的决定因素是电池阴极中使用的活性材料的电化学电势，就锂而言约为4V。增加其他化合物将提高或降低这个电压。第二个因素是在电池容量、周期寿命、电池寿命和安全性之间取得平衡。图二所示曲线显示了电池容量和周期寿命之间的关系。

《图二 充电器浮动电压与电池容量和周期寿命》

大多数锂电池制造商都设定了一个4.2V浮动电压，以此作为容量和周期寿命之间的最佳平衡。用4.2V作为定限压值（浮动电压）时，电池一般可以提供约500个充电/放电周期，然后电池容量降至80％。一个充电周期由一个充饱电至一个满放电过程组成。多个浅放电过程合起来便构成一个充饱电周期。

尽管利用降低浮动电压、或最低充电电流终止方法充电至低于100％的容量，最初会降低电池容量，但是随着周期数增加到超过500次，较低浮动电压的电池容量可以超过较高浮动电压的电池容量。关于容量和充电周期数，图三显示了建议浮动电压与降低浮动电压的比较情况。

《图三 周期寿命和容量与 4.1V和4.2V浮动电压》

由于不同的锂电池化学材料和其他条件可能影响电池寿命，因此本文显示的曲线只是估计的充电周期数和电池容量值。由于电池材料和制作方法的微小差别，甚至来自不同制造商的类似电池化学材料也可能产生有天壤之别的结果。电池制造商规定最终用户必须使用的充电方法和浮动电压，以满足电池容量、周期寿命和安全规格要求。不建议充电至高于推荐的浮动电压。很多电池含有电池组保护电路，如果超过最高电池电压，该电路暂时断开电池连接。一旦断开，将电池组连接到充电器一般会重定电池组保护电路。电池组上常常印有一个电压值，如单颗电池为3.6V。这个电压不是浮动电压，而是电池放电时的平均电池电压。

选择电池充电器以延长电池寿命

尽管电池充电器对电池的深度放电、放电电流和电池温度不加以控制，但是所有这些因素对电池寿命都有影响，很多充电器具有能够延长电池寿命的功能，而且有时可以将电池寿命延长到最久。

电池充电器延长电池寿命的作用，主要由充电器的浮动电压和充电终止方法决定。许多锂电池充电器具有4.2V±1％（或更低）的固定浮动电压，部分产品则为4.1V和4.0V，以及具有可调浮动电压，以满足不同需求使用。

不提供较低浮动电压选项的电池充电器也能延长电池寿命。采用最小充电电流终止方法（C/10或C/x）的充电器透过选择适当的充电电流值来终止充电周期，将可延长电池寿命。

C/10终止大约仅将电池充电至其容量的92％，但是将提高周期寿命。 C/5终止可以将周期寿命延长一倍，但是电池充电量进一步降低至约为容量的85％。图六显示了凌力尔特的几款充电器，其分别采用C/10（10％电流门槛）或C/x（可调电流门槛）充电终止模式。

较长工作时间或较长电池寿命，能兼而有之吗？

如果采用目前的电池技术，而且不增大电池尺寸，那么答案是不能。要实现最长的工作时间，充电器必须将电池充电至容量的100％。这时电池电压接近制造商推荐的浮动电压，一般为4.2V±1％。遗憾的是，将电池充电至接近这个电压值，并保持在这个电压值会缩短电池寿命。一个办法是选择较低的浮动电压，禁止电池100％充电，但是这需要较高容量的电池才能实现同样长的工作时间。当然，在很多可携式产品中，也许不选择较大尺寸的电池。

采用C/10或C/x最小充电电流终止方法与采用较低浮动电压一样，也可以对电池寿命有同样的影响。浮动电压降低100mV，容量将降低约15％，但是周期寿命可以延长一倍。同时，充电电流降至20％（C/5）时终止充电周期，容量也降低15％，同样可将周期寿命延长一倍。

放电时典型的锂电池输出电压

可以预料的是，放电时，电池电压会缓慢下降。放电电压曲线随时间的变化取决于几个因素，这包括放电电流、电池温度、电池老化程度和电池使用的阳极材料类型。目前，大多数锂电池使用基于石油的焦炭或石墨。每种电池的电压曲线如图四所示。使用比较广泛的石墨材料在容量的20％和80％之间放电电压变化不大，然后在接近结束时迅速下降，而焦炭阳极具有比较陡的电压斜坡和较低的2.5V截止电压。用焦炭材料时大约的剩余电池容量更容易确定，简单测量电池电压就可以了。

《图四 采用不同阳极材料的锂电池放电电压曲线》

并联或串联连接电池

为了提高容量，锂离子电池常常并联连接。除了电池必须采用相同的化学材料、来自同一制造商和尺寸相同，没有其他特殊要求。串联连接的电池更需要小心，因为常常需要电池容量匹配和电池平衡电路，以确保每颗电池达到相同的浮动电压和相同的充电水准。我们不建议串联连接两颗电池（有各自的电池组保护电路），因为容量不匹配可能导致电池达到过压限值，从而断开电池连接。另外，应该从电池制造商购买已装配了适当电路的多颗电池组。

结论

锂电池的寿命取决于很多项因素，其中最重要的，是电池化学材料、放电深度、电池温度和电池容量终止值。为电池充电至制造商建议的100％容量可达到制造商公布的充饱电/放电周期数。选择允许充电至低于100％容量的充电器，将使需要延长电池寿命的应用获得极大利益。这是透过选择具有较低浮动电压、或较早终止充电周期的电池充电器所实现的。

---作者任职于Linear凌力尔特公司---

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