聚合物鋰離子電池的充電方式與液體鋰離子電池基本上相同,主要有兩種方式:恒流充電和恒壓充電,當(dāng)然兩者也可以交叉進(jìn)行。前者主要用于實(shí)驗(yàn)室研究,后者則較少用。在恒流充電過(guò)程中,電壓起始升高較快,容量一般隨時(shí)間線性增加,內(nèi)阻也不斷增加。商品鋰離子電池則是先采用恒流充電,然后采用恒壓充電。電壓、電流和充電量隨充電時(shí)間的變化。恒流、恒壓充電方式最簡(jiǎn)單的電路實(shí)現(xiàn)方法為:設(shè)計(jì)一個(gè)高精度的恒定電壓控制電路,并在該電壓環(huán)路內(nèi)添加高精度的電流限制環(huán)路。電流限制環(huán)路用于限制電池的充電電流,直到電池電壓真正達(dá)到終止電壓 (單體聚合物鋰離子電池通常為4V)。
當(dāng)電池電壓剛剛達(dá)到終止電壓時(shí),電池實(shí)際上只完成了充電的70%~80%。因此需要在恒壓模式下繼續(xù)對(duì)電池充電,直到流入電池的電流衰減到最?。?%C)時(shí),才說(shuō)明電池達(dá)到滿(mǎn)充電狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用或檢測(cè)中,也可以采用脈沖放電或充電方式。脈沖充電為將全波整流后的交流電壓直接接至控制系統(tǒng),當(dāng)全波處于上升沿時(shí),電壓將超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí),切斷充電電路;當(dāng)全波信號(hào)的電壓降至低于閾值時(shí),充電電路再次啟動(dòng)。使用這一電路,電池僅在線性充電器的輸入輸出電壓差較低時(shí)充電。這可以減小便攜式設(shè)備的功率損耗,同時(shí)允許使用簡(jiǎn)單的全波整流適配器,電池充電器價(jià)格低。
聚合物鋰離子電池的放電方式在實(shí)際過(guò)程中主要是負(fù)荷固定的方式。盡管負(fù)荷的電阻不變,然而電池的電阻會(huì)發(fā)生變化。隨放電過(guò)程的進(jìn)行,電壓下降。當(dāng)電壓降低到一定值時(shí),會(huì)發(fā)生過(guò)放,導(dǎo)致集流體的溶解。為了檢測(cè)電池的性能,也可以采用恒流放電方式。電池的輸出功率與放電電流有關(guān)。當(dāng)電流位于一適中值,輸出功率最大(Pmax)。通常可接受的最大功率為Padm。隨著聚合物鋰離子電池的進(jìn)一步發(fā)展,充電技術(shù)也得到不斷提高,以期縮短充電時(shí)間,提高充電效率和改進(jìn)充電效果,例如多階段變電流間歇快速充電方法、初始電流大的多階段恒流充電等。在聚合物鋰離子電池的充電過(guò)程中,不可避免會(huì)發(fā)生包括歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化等在內(nèi)的極化現(xiàn)象,導(dǎo)致充電電壓升高、充電效率降低。為了減小充電過(guò)程產(chǎn)生的極化,有效增大充電量,提高充電效率,可以采用去極化的方式。去極化的方式主要有兩種:自然去極化(即采用中途停止充電、間歇的方式)和強(qiáng)制去極化 (即采用脈沖放電的方式)。
脈沖充電和去極化脈沖的方式也可以對(duì)聚合物鋰離子電池進(jìn)行充電。為了提高聚合物鋰離子電池充電的效果,除了進(jìn)行變電流充電以及充電波形(利用間歇和放電脈沖)的改進(jìn),還需要考慮電池狀態(tài) (包括荷電狀態(tài)或可接受充電電流以及老化狀態(tài))對(duì)充電的影響。隨電池充電的增多,其可接受充電電流減小。并且,隨著電池循環(huán)次數(shù)的增多,電池老化嚴(yán)重,其充電特性也逐漸變劣。
在不同的充電或放電狀態(tài)下,正極、負(fù)極的狀態(tài)不一樣,電阻也不一樣。了解其變化對(duì)于正確理解聚合物鋰離子電池的充放電行為具有積極意義。對(duì)于整個(gè)電池而言,電池的電阻由本體電阻、膜電阻 (Rsei)和電荷傳遞阻抗 (Rct)組成。在循環(huán)過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)電池的本體電阻和膜電阻不變,而電荷傳遞阻抗表現(xiàn)出2個(gè)最小值。溫度降低時(shí),Rct明顯減少,決定電池的電阻。在低溫下充電比放電更難。處于全充電狀態(tài)時(shí),電阻主要由負(fù)極的SEI膜決定;而處于全放電狀態(tài)時(shí),主要由正極的電荷傳遞阻抗決定。大電流下的放電容量受正極中鋰離子的擴(kuò)散系數(shù)限制,而負(fù)極的影響很小。200次循環(huán)后,正極的電阻增加最大,例如充電狀態(tài)為50%時(shí),增加約200%。低溫放電時(shí),負(fù)極的電阻最大。放電快結(jié)束時(shí),正極電阻占據(jù)主要地位,而負(fù)極的電阻減少。
為了衡量聚合物鋰離子電池的循環(huán)性能,如果進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,直到循環(huán)達(dá)到500次或容量衰減到80%為止,將花費(fèi)大量時(shí)間。通過(guò)一系列試驗(yàn),也可以建立一套模型,采用該模型來(lái)估計(jì)聚合物鋰離子電池的循環(huán)壽命。該方法比較省時(shí),但目前還有許多問(wèn)題要解決。
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