关于锂离子电池的性能分析和介绍

多年以前，当我第一次拿着使用锂离子电池供电的数码相机去北京八达岭长城游玩的时候，只照了几张相片以后相机就不能工作了，查看信息是说电池没有电了。当时的北京城里还比较暖和，八达岭则已经下雪，而我还没有了解过锂离子电池的特性，所以遇到这样的状况时会很茫然，现在我知道是低温下的锂离子电池放不出电来了。类似的状况去年春节的时候又遇到一次，当时我住在龙岗，突然发现自己的iPad不工作了，给它充电也没有任何反应，后来到了一间有空调的房间，iPad的工作又恢复了正常，这时候才意识到是iPad在低温下有禁止电池工作的功能，而当时恰好遇到了深圳76年来第一次下雪的状况。

我们在给手机充电的时候，常常会觉得手机很热，所以，我们都认为充电时电池会发热，但事实可能不完全是这样的。

要判断充电过程是否会让电池发热，可以把电池置于真空绝热环境之中再给它充电，其间再将电池的热功率或是温度变化过程记录下来，我们就可以看到电池是在放热还是吸热了。

上图摘录自一份锂离子电池热特性研究报告（研究生的研究项目），研究中的电池本来已被充满，然后被放电36分钟以后开始被充电，上图记录的是它被充电过程中的热功率和时间之间的关系，负值代表电池在吸热，因而表现为温度降低；正值代表电池在放热，因而表现为温度升高。由于电池处于真空绝热环境之下，所以没有外来热量影响它，它的热量也不能传递到外面，吸热或是放热的反应只能影响其温度，对外界环境则没有影响，也不受外界环境的影响。

上图所记录的大部分时间里电池都处于吸热状态，这已经足以让我们得到结论：充电的过程是锂离子电池吸热的过程。由这个结论，我们可以知道充电可以使锂离子电池的温度降低，但是很显然，这与我们平常的体验不一致，因为我们都有给手机充电时手机温度升高的经验，我们会天然地觉得充电会使电池温度升高，而且上图中也有一部分时间里的电池是处于放热状态的，其中的认知冲突到底出现在哪里呢？

实际上，在上述电池充电的热功率测试中，锂离子电池处于恒流充电的时间非常短暂，只有大约10分钟，这个阶段让它进入了发热状态，以后就进入恒压充电阶段了。恒压充电阶段的充电电流是逐渐降低的，这是我们在了解锂离子电池的充电特性时就已经知道了的。从电池的电压源加电阻的电路模型上来看，造成恒压充电阶段电流逐渐降低的原因是外部电压与电池理想部分的电压差落在电池内阻上形成的，而该内阻会随着温度、电池充满程度、电流大小以及使用时间的长短而发生变化。充电过程只是在对理想电压源进行充电，这个过程对于电池来说是个吸热过程，但电流流过内阻的时候却会发热，最后它对外表现出来的热功率是正是负，就看这两者之间的数量关系了。大多数情况下我们看到的都是电池在发热，基本上来说就是充电电流太大了，它流过内阻时生成的热超过了充电吸取的热，所以表现出温度升高的现象。在上面的充电时间与热功率的关系图中，随着恒压充电的时间越来越长，充电的吸热反应和内阻造成的发热反应就越来越均衡，并以吸热反应为主，所以记录下来的热功率就比较平稳了。

温度对锂离子电池特性的影响是巨大的。一般而言，温度越高，锂离子电池内部物质的活性就越大，电池的内阻会比较低，充放电的反应过程也越容易进行，但是在温度高到一定的程度时就很容易出现热失控的问题，有些物质会发生气化现象，严重的时候还会出现鼓胀甚至爆炸等严重的状况。在充电过程中，原来位于阳极中的锂离子会脱离阳极，它们在穿过隔膜和电解质以后到达阴极并嵌入到阴极中去，它所缺少的一个电子会在这里得到补充，使之被还原成为锂原子。如果充电电流比较大，有的锂离子可能在没有进入阴极时就被转化成了锂原子，它们就会在阴极表面堆积起来，堆积起来的锂常常形成树枝状的晶体，随着这些“树枝”的生长，最终可能刺破隔膜并造成阴极与阳极之间的短路，这样就会有大电流通过它，而很高的热量也会在这里生起，从而使上面提到的危险状况更容易出现。

温度较低的时候，锂离子电池内部物质的活性下降，内阻增大，因而通过大电流时会在内阻上形成比较大的压降，造成电池电压与外显电压之间的比较大的压差，给充放电特性都带来影响。考虑到大电流会在内阻上形成比较高的发热量，会提升电池温度，对充放电过程会比较有利，但由于低温下的物质活性的降低，大电流对材料结构的破坏显然会高于正常温度下带来的影响，所以低温下的大电流充电和放电都是不被推荐的。

我们在说到锂离子电池充电IC的特性的时候，常常会说某某器件符合JEITA规范的要求，这个JEITA规范到底在说什么呢？比我们前面介绍过的RT9466集成度还要高、已经支持直充应用的RT9468在涉及这个问题时是这样说的：

实际上，JEITA是Japan Electronics and Information Technology Industries Association的缩写，由于市场上使用锂离子电池的产品在2006年多次出现因电池导致的火灾事故，JEITA与日本电池协会一起于2007年4月20日发布了一份名为《A Guide to the Safe Use of Secondary Lithium Ion Batteries in Notebook-type Personal Computers》的文件，描述了二次锂离子电池单元及其系统在设计和评估过程中确保更高安全性的方法，内容涉及电芯、电池模组和PC系统。按照其指引，充电系统在为锂离子电池充电时应在电池温度较高或较低时主动将充电电压和充电电流降低以保护电池。所以，当说一款充电IC支持JEITA规范的时候，实际上是在说它会随着温度的不同而调整充电电压和电流。

在JEITA规范的实际实施中，通常采用外置的热敏电阻去感知电池的温度，其电阻在温度的作用下发生相应的改变，与它一起构成的电阻网络就会把适当的电压信号提供给IC，IC内部再设定几个电压比较器，这样就可以识别出电池所处的温度区间，再用此信息去实施相应的电压、电流调整就可以了。

在上面的RT9468应用电路图中，由红线框起来的几个元件即是测温电阻网络。其中的NTC热敏电阻用黑色线和电池框在一起，这表示它需要和电池紧密接触，以便能够比较准确地测量其体温。另外的两只电阻则是用来对NTC热敏电阻所生成的信号进行校正的，以便实际的应用中可以选用不同规格的NTC热敏电阻。为电阻网络供电的REGN是由IC自身生成的比较稳定的电压，TS_BAT端子是IC的温度测量端子，它所检测的是电压信号。IC内部的几个比较器的参考电压是按照它们与REGN电压的一定比例来设定的，应用中需要利用其数据和NTC热敏电阻在不同温度下的电阻数据一起来进行匹配电阻网络的参数计算，相关的计算方法在规格书中都有提供，需要了解的可以去阅读规格书（点击文末的“阅读原文”即可找到）。

对于RT9468来说，对JEITA规范的支持是一个可选项。支持以后的各温度区间的充电电流是不同的，充电电压也是有变化的。这些设定都可通过在内部寄存器中写入数据来完成，该寄存器的定义如下表所示：

当该寄存器的JEITA_EN被置为1时，JEITA规范即被支持。当其他几个位都被设定为0时，温度较高和较低期间的充电电流即为正常充电电流的50%，而充电电压则降低0.2V，而该寄存器被复位以后的初始数据即为上述数据，所以在你不对该寄存器做设定时，JEITA规范就是被支持的，充电电流在较冷和较热时都会自动降低一半，充电电压也自动降低0.2V，从而保证了最佳的安全性。