鋰電池是一種基于鋰元素作為活性物質(zhì)的電池體系，具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和低自放電率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域。

一、鋰電池的定義

鋰電池是一類以鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料，使用非水電解質(zhì)溶液的電池。根據(jù)是否能充電，鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰金屬電池屬于一次電池，不可充電；而鋰離子電池則屬于二次電池，可以反復(fù)充電使用。目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的主要是鋰離子電池，它以其高能量密度、長(zhǎng)壽命和環(huán)保特性受到青睞。

二、鋰電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)主要由正極、負(fù)極、隔膜、電解液和外殼五部分組成。

1. 正極 ：正極是鋰離子電池中活性物質(zhì)的主要載體，通常采用含鋰的金屬氧化物或磷酸鹽材料，如鈷酸鋰（LCO）、鎳鈷錳三元材料（NCM）、磷酸鐵鋰（LFP）等。這些材料具有較高的理論比容量和較好的循環(huán)穩(wěn)定性。
2. 負(fù)極 ：負(fù)極材料一般采用石墨或其他碳材料，這些材料具有良好的嵌鋰性能，能夠在充放電過(guò)程中可逆地嵌入和脫出鋰離子。此外，也有部分研究嘗試使用鋰金屬或鋰合金作為負(fù)極材料，以提高電池的能量密度，但面臨枝晶生長(zhǎng)和安全性等問(wèn)題。
3. 隔膜 ：隔膜位于正極和負(fù)極之間，起到隔離正負(fù)極、防止短路的作用，同時(shí)允許鋰離子通過(guò)。隔膜通常采用微孔的聚合物薄膜制成，具有良好的離子透過(guò)性和機(jī)械強(qiáng)度。
4. 電解液 ：電解液是鋰離子電池中鋰離子的傳輸介質(zhì)，通常由鋰鹽（如六氟磷酸鋰）溶解在有機(jī)溶劑（如碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等）中形成。電解液的選擇對(duì)電池的性能和安全性有重要影響。
5. 外殼 ：外殼用于保護(hù)電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，防止外界的干擾和損壞。外殼材料通常為金屬（如鋁、鋼）或塑料（如ABS、PP等），具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。

三、鋰電池的工作原理

鋰離子電池的工作原理基于鋰離子在正負(fù)極之間的嵌入和脫嵌過(guò)程。充電時(shí)，正極材料中的鋰離子脫出，通過(guò)電解液遷移到負(fù)極，并嵌入到負(fù)極材料的晶格中；同時(shí)，電子從正極通過(guò)外部電路流向負(fù)極，形成充電電流。放電時(shí)，過(guò)程相反，負(fù)極材料中的鋰離子脫出，通過(guò)電解液回到正極，并嵌入到正極材料的晶格中；同時(shí)，電子從負(fù)極通過(guò)外部電路流向正極，為外部設(shè)備提供電能。

具體來(lái)說(shuō)，以鈷酸鋰（LCO）為正極、石墨為負(fù)極的鋰離子電池為例，其充放電反應(yīng)可以表示為：

• 充電反應(yīng)：LiCoO2 + 6C + xLi+ + xe- → Li1-xCoO2 + LixC6
• 放電反應(yīng)：Li1-xCoO2 + LixC6 → LiCoO2 + 6C + xLi+ + xe-

在這個(gè)過(guò)程中，鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程是可逆的，因此鋰離子電池可以實(shí)現(xiàn)反復(fù)充放電使用。

四、鋰電池的特點(diǎn)

1. 高能量密度 ：鋰離子電池具有較高的能量密度，即單位體積或單位重量能夠儲(chǔ)存更多的電能。這使得鋰離子電池在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
2. 長(zhǎng)循環(huán)壽命 ：鋰離子電池具有較好的循環(huán)穩(wěn)定性，能夠在多次充放電循環(huán)后保持較高的容量保持率。這有助于延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命和降低維護(hù)成本。
3. 低自放電率 ：鋰離子電池的自放電率較低，即在不使用的情況下能夠長(zhǎng)時(shí)間保持電量。這有助于減少電能的浪費(fèi)和延長(zhǎng)設(shè)備的待機(jī)時(shí)間。
4. 無(wú)記憶效應(yīng) ：與鎳鎘電池等相比，鋰離子電池沒(méi)有記憶效應(yīng)，即可以隨時(shí)充電而無(wú)需先放完電。這為用戶提供了更大的便利性和靈活性。
5. 環(huán)保性 ：鋰離子電池不含有毒重金屬元素（如鎘、汞等），對(duì)環(huán)境友好。同時(shí)，隨著回收技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池的回收利用率也在不斷提高。

綜上所述，鋰電池以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新，鋰電池的性能將進(jìn)一步提升，為人類的生活和工作帶來(lái)更多便利和價(jià)值。

五、鋰電池充電電路圖

1、基于CN3705構(gòu)成的鋰電池充電電路

CN3705 為降壓模式鋰電池充電芯片，具有恒流恒壓充電方式。對(duì)于深度放電的電池，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定的恒壓充電電壓的66.7%時(shí)，CN3705采用恒流充電電流的15% 對(duì)鋰電池涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流降低到外部電阻設(shè)定的值時(shí)，充電結(jié)束。芯片輸入電壓在12V 到28V之間，最大工作頻率為300kHz，輸出最大電流為5。

圖為CN3705構(gòu)成的鋰電池充電電路，電路結(jié)構(gòu)為buck降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輸入電壓在14V到28V之間，電路PWM開(kāi)關(guān)頻率為300kHz，最大輸出電流為1.2A，最大輸出電壓為12.6V。適合給3節(jié)串聯(lián) 3.7V標(biāo)準(zhǔn)鋰電池充電。

圖中，P溝道MOS管Q1、肖特基D2、電感L1以及電解電容C1構(gòu)成經(jīng)典的buck降壓充電電路。Q1的選擇要綜合考慮轉(zhuǎn)換效率、MOS管的功耗和最高溫度。還要考慮的因素包括導(dǎo)通電阻Rd(on)，柵極總電荷Qg，輸入電壓和最大充電電流。MOS 管損耗功率計(jì)算公式如下所示：

Pd為MOS管功耗，Vbat為輸出電壓，Vcc為輸入電壓，Rd(a)為MOS在室溫下的導(dǎo)通電阻，ICH為充電電流。一般，當(dāng)輸入電壓小于20V時(shí)，MOS管的導(dǎo)通損耗大于開(kāi)關(guān)損耗。所以要選擇導(dǎo)通損耗較小的MOS管。D2為肖特基二極管，二極管流過(guò)電流能力要大于充電電流，二極管的耐壓要大于最低輸入電壓。

2、基于TP4057構(gòu)成的鋰電池充電電路

本文介紹一款采用TP4057鋰電池專用充電IC制作的鋰電池充電電路，其可以對(duì)單節(jié)鋰電池進(jìn)行充電，并且?guī)в谐潆娭甘緹艉统錆M指示燈。在鋰電池充滿電之后，整個(gè)電路自動(dòng)處于微功耗省電狀態(tài)。

TP4057是一款單節(jié)鋰電池專用的恒流/恒壓線性充電IC，其內(nèi)部帶有電池反接保護(hù)及防倒充電路。該充電IC的工作電壓范圍為4～6V，靜態(tài)工作電流僅有40μA，其輸出的充電電流可由⑥腳外接的電阻R2來(lái)設(shè)定，最大充電電流為600mA。

TP4057的①腳為充電指示端，充電時(shí)①腳外接的LED1指示燈點(diǎn)亮；⑤腳為充滿指示端，充滿電時(shí)，⑤腳外接的LED2指示燈點(diǎn)亮。R1為L(zhǎng)ED1和LED2的限流電阻。R2為充電電流設(shè)定電阻，其阻值為1.6KΩ時(shí)，輸出的充電電流為500mA。本電路可以使用手機(jī)充電器或充電寶輸出的5V電壓供電。