使用專用充電器，最大化磷酸鋰鐵電池的效能

磷酸鐵鋰 (LiFePO₄) 電池以 LiFePO₄ 為電池的陰極，並以金屬背接石墨碳材料為電極。此電池技術並不是一項新技術，德州大學的研究人員早在 1996 年就提出這一概念。不過，電化學現在越來越受到關注，原因在於它能提供一些鋰離子電池所沒有的優點，包括成本較低、無毒、鐵易於取得、熱穩定性極佳等。相較之下，鋰離子電池中使用的鎳和鈷不僅很難取得、價格昂貴，而且對環境有害。

此外，LiFePO₄ 的充電循環次數更多，遠超同等的鋰離子電池，介於 1,000 到 10,000 次不等，實際視電池的使用方式而定。此外，一顆符合標準的 LiFePO₄ 電池可在至少 2,000 次循環中提供至少 80% 的放電容量 (又稱「放電深度」)。而一顆典型鋰離子電池僅能在 300 至 500 次循環中提供同等特性。

LiFePO₄ 電池的其他特性包括可耐受快速充電、內部電阻低 (繼而支援高放電電流)，以及電源電壓非常穩定。而且，高溫下也能正常運作。

LiFePO4 電池的例子有 Power Sonic Corporation 的 PSL-FP-IFP2770180EC，這是一款 3.2 V、25 Ah 的電池 (圖 1)。

圖 1：LiFePO4 電池的價格較低，且相較於鋰離子電池具有更高的充電循環次數。(圖片來源： Power Sonic Corporation)

但有些缺點一直讓 LiFePO₄ 電池無法晉升為主流，直到最近。其中的關鍵阻礙是 LiFePO4 電池的能量密度比鋰離子電池低 15% 至 25%，且輸出電壓僅為 3.2 V，也低於鋰離子電池的 3.7 V。此外，LiFePO₄ 電池在低溫下的效能不佳，比起更為耐用的鋰離子電池，通常需要更多的保養和保護。

LiFePO₄ 能量密度獲得改善

近來， LiFePO₄ 電池的能量密度有所改善，使之更適用於更多類型的元件。雖然這種電池在手機或可攜式電腦等產品中，不太可能取代鋰離子電池，但在空間較大和／或講求低成本、易於回收的應用中，您可能會發現它們是一個不錯的選擇。相關範例包括電動自行車和某些型號的電動汽車 (EV)。例如，Tesla 曾在 2021 年年底宣佈，其入門車款將會改用 LiFePO₄ 電池。該公司的電池可提供大約 260 Wh/kg 的能量密度，與現今最佳的鋰離子電池不相上下。

圖 2：Tesla Model 3 現在開始採用 LiFePO4 電池。(圖片來源：Tesla)

在某些低成本、長壽命和具有良好電氣特性比高能量密度更重要的應用中，越來越多設計人員考慮使用 LiFePO₄ 電池。相關範例包括無線電控制型元件、可攜式馬達驅動式產品，以及工業物聯網 (IIoT) 感測器，尤其是後者。

由於電動汽車這些較特別的產品，只有一群特定的工程師參與設計，因此更可能在這些較普通的應用中發現 LiFePO₄ 電源。

謹慎處理

鋰離子和 LiFePO₄ 有些相似之處。例如，鋰離子移動產生能量，進而釋放電子，生成為元件供電的電流。但是，一個重要差別是電池的充電方式。LiFePO₄ 電池具有與鋰離子不同的電氣特性，從而改變了充電曲線。此差異並不明顯，但為了充分發揮 LiFePO₄ 的潛力，就需要加以瞭解。

圖 3 和圖 4 由 Texas Instruments 提供，顯示典型鋰離子電池和 LiFePO₄ 電池的充電曲線差異。鋰離子電池的充電循環一般都採用恆定電壓 (CV) 模式 (圖 3)，但 LiFePO₄ 充電演算法 (圖 4) 不需要此模式，而是利用快充恆定電流 (CC)，將電池快速充至過充電壓，然後讓電池「放緩」降至浮動充電電壓閾值。由於不必控制恆定電壓，充電時間大幅縮短。在充電循環中，內部控制迴路通常會監測電源管理 IC (PMIC) 接面溫度，若超過溫度閾值，則會降低充電電流。

圖 3：鋰離子電池充電分為三個不同階段。首先，電池以適度的恆定電流進行預充，再以較高的恆定電流快速增加能量。最後，當電池的輸出電壓達到充電電壓時，充電曲線會切換至恆定電壓，漸漸將電池充滿。(圖片來源：Texas Instruments)

圖 4：LiFePO4 電池的充電方式，與鋰離子電池不同。預充之後，LiFePO4 電池會用恆定電流來充滿電。接著會讓電壓「放緩」，然後再以一個小的漸止電流進行浮動充電。相較於鋰離子電池的充電循環，LiFePO4 電池的充電速度更快。(圖片來源：Texas Instruments)

充電曲線的另一個差異是 LiFePO₄ 電池的最大充電電壓較低，這是由電池的化學成分不同所致。LiFePO₄ 電池的最大充電電壓為 3.6 V (過電壓)，到達後會降回 3.5 V；而鋰離子電池的最大充電電壓則為 4.1 或 4.2 V。

LiFePO₄ 專用小型充電器

LiFePO₄ 使用率的增加，促使晶片公司推出專用單晶片 IC，使用經過最佳化的曲線為電池充電。這樣便可直接整合該技術，而無需從頭設計電源管理電路。

Texas Instruments 的 BQ25070DQCR LiFePO₄ PMIC 就是一例。此元件採用 2 x 3 mm 封裝，提供 3.7 V 過充電壓，並在高達 1.2 A 下提供 3.5 V 浮動電壓。

第二個例子是 Microchip Technology 的 MCP73123T-22SI/MF。此元件的輸入電壓為 4 至 16 V，最大充電電流為 1.1 A。其快充恆定電流值由外部電阻來設定，介於 130 mA 至 1.1 A，實際視充電的電池而定。在高功率或高環境溫度條件下，MCP73123/223 還會根據晶粒的溫度限制充電電流 (圖 5)。

圖 5：Microchip Technology 的 LiFePO4 PMIC 線路圖。最大充電電流將由連接至 PROG 引腳的電阻來設定。(圖片來源：Microchip Technology)

第三個解決方案來自 Analog Devices。MAX77787JEWX+ PMIC 的輸入電壓為 4.5 至 13.4 V，最大充電電流為 3.15 A。快速充電電流和終止電壓均由外部電阻進行配置。這款 2.75 x 2.75 mm 元件支援 LiFePO₄ 和鋰離子電池充電。

結語

相較於鋰離子電池，LiFePO₄ 電池雖在能量密度和電源電壓方面有所折衷，但具有更多充電循環次數和快速充電的優點。此外，這種電池適合許多成本敏感型應用，包括電動車 (EV) 和 IIoT 感測器。專門設計的單晶片充電器，讓電池化學成分的使用變得簡單，經過最佳化的充電曲線能確保長久的使用壽命和可靠性。