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磷酸铁锂电池及充电器 |
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作者： 来源：化学与物理电源系统 |
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随着科学技术的发展及电化学材料及工艺技术的进步，人们不断地研究、开发出新型电池材料及新型电池。继镍镉、镍氢可充电电池之后，在1991年开发出可充电的锂离子电池，1995年又推出性能更好的锂聚合物电池，到2002年后，新型磷酸铁锂电池又问世。
目前市场上的锂离子电池的正极材料主要是氧化钴锂（LiCoO2），另外还有少数采用氧化锰锂（LiMn2O4）及氧化镍锂（LiNiO2）作正极材料。新型磷酸铁锂电池是一种用磷酸铁锂（LiFePO4）作电池正极，用石墨作负极的锂离子电池。它的工作原理与锂离子电池完全相同，是锂离子电池家族中的新成员。
磷酸铁锂电池的全名应是磷酸铁锂锂离子电池，这名字太长，简称磷酸铁锂电池。由于该电池非常适用于作动力电池，所以往往称它为磷酸铁锂动力电池，还有人更简单地称它为铁锂动力电池（LiFe Power Battery）。本文简写成LiFePO4电池。
在上述几种作锂离子电池正极材料中，其金属元素钴（Co）最贵，并且世界上储藏量不多、其次是镍（Ni）、锰（Mn）较便宜、而铁（Fe）最便宜。正极材料的价格也与这些金属材料的价格行情一致。因此，LiFePO4电池应是最便宜的。另外它具有放电性能上特别平坦、能用大放电率放电（5～10C）、特别安全（不会因过充电、过放电、甚至于发生短路时发生燃烧或爆炸）、循环寿命长、对环境无污染等特点，作为大电流输出的动力电池，它的性能是最佳的。
目前国内已有一些工厂能生产LiFePO4正极材料，有一些工厂已小批量生产各种不同容量的LiFePO4电池（容量从几百mAh到几百Ah）。由于生产时间不长、产量不大，还是初创阶段，因此目前在价格上比同样容量的锂离子电池还贵，并且还供不应求，经常发生缺货。这种现象将在1～2年内得到改进。到那时LiFePO4电池的价格更齐全、质量进一步提高，价格也更便宜，应用将更广泛。
LiFePO4电池主要特点
LiFePO4电池主要优点：
1、强劲的动力特性
一般锂离子电池的工作放电率为（1～1.5）C，动力锂电池为（2～5）C，而LiFePO4电池可在（2～10）C放电率范围长期工作，甚至于在10秒短时间内可达20C的放电率。采用LiFePO4电池作汽车电池时有极好的加速性能、用作电动工具手电铝电源时则有高的铝孔速度，并能对硬度较大的材料进行钻孔。
2、极为平坦的放电特性
LiFePO4电池在不同放电率时的放电特性如图1所示。从图1中可以看出，放电特性曲线极为平坦，在放电容量80%以内几乎是平直线，大部分电压在3.2V～2.9V之间。电压变化在10%之内，放电电压是很稳定的。
图1
图2是采用同样尺寸及容量的锂离子电池用同样的放电率得出的放电特性。图1与图2相比较可看出：LiFePO4电池的放电特性是极好的；
图2
3、循环寿命最长
如果采用1C充电率充电、2C放电率放电对锂离子动力电池及LiFePO4电池作循环寿命试验，其结果是：锂离子动力电池做了300个循环后，其放电容量已降到85%；而LiFePO4电池做了500个循环后，其放电容量还大于95%。
如果采用1C充电率充电、5C放电率放电对上述两种电池作循环寿命试验，其结果是：锂离子动力电池做了300个循环，其放电容量已降到60%；而LiFePO4电池做了300个循环放电容量还大于80%。
从上述比较可知：LiFePO4电池在高放电率时也有较长的循环寿命，在一般1C放电率使用时共循环寿命可达1000次以上。
4、非常安全的电池
大功率动力电池不能使用PTC及CID一类的保险丝作过流保护，因此安全要靠内部化学成分，即使电池在短路故障发生时也不会产生燃烧及爆炸。同样，电池受外力损伤（甚至用针刺，将电池刺破）也不会燃烧及爆炸。另外，在使用过程中有过充电、过放电时，这对电池会有些损伤，但不漏溢、不燃烧、不爆炸。即使充满电的电池，将它放到130℃的热箱中，电池内部温度也达到130℃时也不燃烧、不爆炸。
由于它安全性极好，适合用于易燃、易爆、工作温度较高的场合。例如用LiFePO4电池作矿灯电源是最安全的。
5、能在低电压带负载放电到0V
有一些性能好的LiFePO4电池，在放电到终止放电压2.0V后还继续放电到电池电压为0V时，对电池性能影响不大。其试验如下：电池以0.5C充满后以1C放电到0V；在电池正负极加一个1W电阻连接起来；将电池分成两组分别放置7天及30天；到期后再按0.5C充满，按1C放电，其两组电池的试验结果是：
1）放置7天的一组，无泄漏、性能良好、放电容量为100%；
2）放置30天的一组，无泄漏，放电容量为98%，经过3次充放电循环，恢复到100%。
6、对环境无污染
LiFeO4电池对环境无毒，其毒性明显低于LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4为正极材料的锂离子电池。
7、价格低
由于LiFePO4有上述特点，因此它发展势头很猛，将在很多领域中逐步取代以氧化钴锂为正极材料的锂离子电池。
LiFePO4电池充电器
LiFePO4电池的主要参数是标称电压是3.2V、终止充电电压是3.6±0.05V、终止放电电压是2.0V。由于它的终止充电电压与锂离子电池的终止充电电压（4.2V）不同，所以需要LiFePO4电池专用充电器。
上海如韵电子有限公司在2007年开发出LiFePO4电池充电器集成电路CN3058及CN3059。这两种充电器IC性能基本相同，其差别是前者最大充电电流ICH=500mA，而后者是ICH=1000 mA；前者是8引脚SOP-8封装（无铅），后者为10引脚3mmx3mm的DFN封装（无铅）。本文介绍CN3058组成的充电器。
CN3058组成的充电器特点
CN3058是一种单节LiFePO4电池以恒流、恒压充电的线性充电器IC。用该IC组成的充电器主要特点：用一个外设电阻RISET可设定充电电流，最大充电电流可达500 mA；输入电压4～6V，可采用USB端口或4.5～6V AC/DC适配器供电；充电器电路简单、外围元器件少、成本低；对过放电电池（<2.0V）有小电流预充电模式；内部有功率管理电路，若芯片的结温超过115℃，自动降低充电电流作过热保护，使用户可设置较大的充电电流以提高充电效率；有两个LED分别作充电状态指示及充电结束指示；有输入电压低于3.61V时输出锁存功能、电池温度监测功能；它还有一个独特的特点：外设一个电阻RVSET，可以增加恒压充电的电压。利用这个特点可以充终止充电电压4.2V的锂离子电池及可组成简易的4V铅酸电池充电器及3节镍氢电池充电器。
由CN3059组成的LiFePO4充电器适合充0.35Ah～2Ah的LiFePO4电池。其应用领域：矿灯、LED应急灯、警示灯；车模、船模、航模及电动玩具；在照相机中，用可充电的LiFePO4电池（型号为RCR123A）替代一次性锂电池（型号为CR123A，其尺寸与RCR123A型相同）；通信装置、便携式医疗仪器及野外测试仪器及小型电动工具等。
引脚排列与功能
图3
CN3058采用SOP8散热增强型封装，其引脚排列如图3所示，各引脚功能如表1所示。
1．500mA恒流充LiFePO4电池的电路
用CN3058组成的充电电流为500mA的充电器电路如图4所示。若LiFePO4的容量为1000mAh，则其充电率为0.5C。该充电器可以由计算机的USB端口作电源供电，使用十分方便。
电路由输入电容GIN及输出电容COUT、LED（红＂R＂）及LED（绿＂G＂）、充电电流设定电阻RISET组成。因充电电流不大，只要在0～45℃环境温度下充电不必检测电池温度，所以TEMP端接GND。GIN、COUT电容保证电路稳定充电，红色LED在充电时亮，充电结束时红色LED灭而绿色LED亮，表示充电结束。330Ω为限流电阻。
充电电流ICH（恒流）与RISET的关系为：
现设定ICH=500mA，则代入上式，RISET=3.6kΩ。电阻RISET应采用精度±1%的金属膜1/8W电阻。
LiFePO4电池的充电率一般采用0.2～1C范围。
2．可充锂离子电池或LiFePO4电池的充电器电路
一种可充锂离子电池或LiFePO4电池的充电器电路如图5所示。与图4不同之处是在电路中增加了一个单刀双掷开关S及电阻RVSET，开关打在上端是充3.6V锂离子电池（其终止充电电压是4.2V）；开关打在下端是充LiFePO4电池。
在充锂离子电池时，其终止充电电压Vbat为4.2V，则RVSET与Vbat的关系为：
Vbat(V)=3.6V+3.04×10-6（A）×RVSET（Ω）
将4.2V代-入上式，则RVSET=197.37kΩ。按标准电阻值取196 kΩ。RVSET应采用±1%精度1/8W电阻。
在充电前要根据充电电池检查开关位置是否正确。
3．充3.2V可充电电池（型号为RCR123A）充电器电路
照相机中有不少是采用2个型号为CR123A的一次性3V锂电池作电源。现可采用LiFePO4电池（型号为RCR123A）替代它，容量大、经济性好。电路如图6（左半部）所示。图6（右半部）是充电器上视图及CR123A的外廊尺寸图（RCR123A是LiFePO4电池，尺寸与CR123A相同）。
RCR123A的容量为500～750mAh，采用500mA充电，有较高的效率。
充电器采用4.5V/1200mA的AC/DC适配器（插头式电源）供电。LED采用双发光二极管（阳极），可简化结构。(end)
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(6/25/2010) |
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