鋰離子 電池 充電器 的原理和制作

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從USB和6V至36V輸入獲取電源的通用型鋰離子電池充電器


在GPS導航裝置、PDA、數碼相機、照片流覽器和MP3播放機等掌上型設備中提供USB和高輸入電壓電源以及電池充電能力可具有諸多優點。例如，利用USB來提供充電和工作電源帶來的明顯便利就是不再需要隨身攜帶旅行充電器。 高電壓電源(比如：Fire Wire和12V至24V適配器)就更好了，因為它們能夠提供比USB更快的充電速度，並允許在更多的場所(比如：汽車內)進行充電。然而，在採用高電壓 電源時有一個重要的設計考慮，這就是高電壓電源和掌上型設備中的電池之間存在著非常大電壓差。由於線性充電器不能處理功率耗散，因而需要使用開關充電器。
LTC4089 和LTC4089-5(見圖1)很便利地把一個高電壓和寬輸入範圍(6V至36V，絕對最大值為40V)的單片式1.2A降壓型開關穩壓器、以及一個 USB電源管理器/充電器集成在一個緊湊的耐熱增強型3mm×6mmDFN封裝內。LTC4089的降壓穩壓器輸出電壓跟蹤電池電壓(兩者之間的差異不超 過300mV)。這種Bat-Track功能最大限度地降低了總功耗。當在HVIN引腳上施加電源時，LTC4089-5將在OUT引腳上提供一個固定的5V電壓。
當從USB埠來供電時，電源管理器將實現系統負載可用功率的最大化；可高至2.5W的滿USB可用功率。它能夠根據系統負載電流來自動地調節鋰離子電池的充電電流，以維持總輸入電流與USB規格限值的相符性。當把所有組件都佈設在PCB的同一面上時，整個解決方案的占板面積小於2cm2。



自適應高電壓降壓最大限度地降低了總功耗LTC4089的降壓型轉換器輸出電壓VOUT跟蹤電池電壓VBAT。它始終比VBAT高0.3V，這樣就能夠對電池進行快速充電，同時最大限度地降低總功耗。圖2示出了當總功耗低於1.1W時，在不同輸入電壓條件下的總效率。而且，如果電池被過度放電和VBAT降至過低，則最小VOUT為3.6V，以確保連續的系統操作。
USB電源管理器實現了系統可用功率的最大化
在傳統的雙輸入器件中，輸入負責向電池充電，而系統的電源則直接從電池獲取。這產生了不少問題。其中之一便是：當接入USB電源時，系統的可用功率將由於低電池電壓的原因而減少。例如：當VBAT=3.3V時，系統的可用功率僅為1.65W，而USB本身就提供了2.5W的功率。差額部分被作為熱量耗散掉。
LTC4089通過提供一個中間電壓VOUT對系統負載供電而使該問題成功地得以解決。該VOUT與電池電壓無關，且等於USB電壓，因而系統負載可獲得滿USB功率。

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鋰離子電池結構探秘（
一、鋰離子電池的結構與工作原理
所謂鋰離子電池是指分別用二個能可逆地嵌入與脫嵌鋰離子的化合物作為正負極構成的二次電池。人們將這種靠鋰離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電工作的，獨特機理的鋰離子電池形象地稱為“搖椅式電池”，俗稱“鋰電”。



◎當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入，放電時反之。這就需要一個電極在組裝前處於嵌鋰狀態，一般選擇相對鋰而言電位大於3V且在空氣中穩定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
◎做為負極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物，包括SnO、SnO2、錫複合氧化物SnBxPyOz(x=0.4∼0.6，y=0.6∼0.4，z=(2 ＋3x＋5y)/2)等。
◎電解質採用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。
◎隔膜採用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們複合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。
◎外殼採用鋼或鋁材料，蓋體元件具有防爆斷電的功能。




二、鋰離子電池的種類
根據鋰離子電池所用電解質材料不同，鋰離子電池可以分為液態鋰離子電池(lithium ion battery, 簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(polymerlithium ion battery, 簡稱為LIP)兩大類。
液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用LiCoO2，負極使用各種碳材料如石墨，同時使用鋁、銅做集流體。
它們的主要區別在於電解質的不同, 鋰離子電池使用的是液體電解質,而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質來代替, 這種聚合物可以是“幹態”的,也可以是“膠態”的,目前大部分採用聚合物膠體電解質。

表 鋰離子電池結構比較


電解質
殼體/包裝
隔膜
集流體
液態鋰離子電池
液態
不銹鋼、鋁
25μPE
銅箔和鋁箔
聚合物鋰離子電池
膠體聚合物
鋁/PP複合膜
沒有隔膜或個μPE
銅箔和鋁箔
由於聚合物鋰離子電池使用了膠體電解質不會象液體電液洩露，所以裝配很容易，使得整體電池很輕、很薄。也不會產生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題，因此可以用鋁塑複合薄膜製造電池外殼，從而可以提高整個電池的比容量；聚合物鋰離子電池還可以採用高分子作正極材料，其品質比能量將會比目前的液態鋰離子電池提高50％以上。此外,聚合物鋰離子電池在工作電壓、充放電迴圈壽命等方面都比液態鋰離子電池有所提高。基於以上優點，聚合物鋰離子電池被譽為下一代鋰離子電池。


三、鋰離子電池結構的實驗探究
研究物件：科健K98手機鋰聚合物電池
1．結構解剖
（1）將電池從外殼中取出，用剪刀剪開密封外皮，並將外皮剝開。可以看到紅色銅箔為負極集流體，銀白色鋁箔正極集流體。



（2）將塑膠薄膜揭開，可以看到銅極、鋁極表面均附有黑色物質。銅極、鋁極與高分子膜交替出現組成了電池：…－銅箔（表面附有黑色物質CLix）－高分子膜－鋁箔（表面附有黑色物質LiCoO2）－高分子膜－…


2．實驗研究
步驟
現象
反應或解釋
（1）取一片銅極，置於酒精燈上加熱。

劇烈燃燒
4Li＋O2＝2Li2O
（2）取一片鋁極，置於酒精燈上加熱。

無明顯現象
——
（3）用剪刀將銅極和鋁極剪成小片。
——
——
（4）取一支試管，向其中加入兩小片銅極，並加入少量蒸餾水。


有火光出現，放出大量氣泡。
2Li＋2H2O＝2LiOH＋H2↑
（5）取部分步驟（4）得到溶液，注入到另一支試管中，滴加兩滴酚酞。


溶液變為紅色
溶液顯鹼性
（6）取一根潔淨的鉑絲，蘸取步驟（4）得到的溶液，置於酒精燈外焰上灼燒。

焰色為紅色
Li的焰色
（7）取一支試管，向其中加入兩小片鋁極，並加入少量蒸餾水。

無明顯現象
——
（8）取部分步驟（7）得到溶液，注入到另一支試管中，滴加兩滴酚酞。


無明顯現象
——
（9）向步驟（7）原試管中加入適量稀鹽酸，振盪。


溶液逐漸變為紅色
4LiCoO2＋12HCl＝4LiCl＋4CoCl2＋O2↑＋6H2O
Co3＋為強氧化劑，在水溶液中極不穩定，易氧化H2O轉化為Co2＋，Co（III）只存在於固態和配合物中。[Co(H2O)6]2＋為粉紅色。
（10）將上述紅色溶液分別注入兩支結晶試管中，向其中一支試管中加入適量濃鹽酸。


溶液變為藍色
[Co(H2O)6]2＋—→

[CoCl4]2－

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