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    比較一下:鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池

    2010-01-11  又一本

    您用的手機、電動剃須刀、筆記本電腦里面裝的什么電池?您知道怎樣才能用好它?本文是作者網讀的摘記,未曾全面校對,請大家指正。

    概述

    鎳鎘電池

      鎳鎘電池(Ni-Cd Rechargeable Battery)是最早應用于手機筆記本電腦等設備的電池種類,它具有良好的大電流放電特性、耐過充放電能力強、維護簡單,一般使用以下反應放電:

      Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2

    充電時反應相反。

    鎳鎘電池正極板上的活性物質由氧化鎳粉和石墨粉組成,石墨不參加化學反應,其主要作用是增強導電性。負極板上的活性物質由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成,氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴散性,防止結塊,并增加極板的容量。活性物質分別包在穿孔鋼帶中,加壓成型后即成為電池的正負極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。

    鎳鎘電池最致命的缺點是,在充放電過程中如果處理不當,會出現嚴重的記憶效應,使得服務壽命大大縮短。【所謂記憶效應就是電池在充電前,電池的電量沒有被完全放盡,久而久之將會引起電池容量的降低,在電池充放電的過程中(放電較為明顯),會在電池極板上產生些許的小氣泡,日積月累這些氣泡減少了電池極板的面積也間接影響了電池的容量。NiCd電池在使用過程中,如果放電不完全就又充電,下次再放電時,就不能放出全部電量。比如,放出80%電量后再充足電,該電池只能放出80%的電量。這就是所謂的記憶效應。】當然,我們可以通過掌握合理的充放電方法來減輕記憶效應。此外,鎘是有毒的,因而鎳鎘電池不利于生態環境的保護。眾多的缺點使得鎳鎘電池已基本被淘汰出數碼設備電池的應用范圍。

    鎳氫電池

      鎳氫電池Ni-MH Rechargeable Battery中的金屬部分實際上是金屬互化物。許多種類的金屬互化物都已被運用在鎳氫電池的制造上,它們主要分為兩大類。最常見的是AB5一類,A是稀土元素的混合物(或者)再加上鈦(Ti);B則是鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn),(或者)還有鋁(Al)。而一些高容量電池的含多種成分的電極則主要由AB2構成,這里的A則是鈦(Ti)或者釩(V),B則是鋯(Zr)或鎳(Ni),再加上一些鉻(Cr)、鈷(Co)、鐵(Fe)和(或)錳(Mn)。

    所有這些化合物扮演的都是相同的角色:可逆地形成金屬氫化物。電池充電時,氫氧化鉀(KOH)電解液中的氫離子(H+)會被釋放出來,由這些化合物將它吸收,避免形成氫氣(H2),以保持電池內部的壓力和體積。當電池放電時,這些氫離子便會經由相反的過程而回到原來的地方。

    鎳氫電池也有記憶效應,但遠小于鎳鎘電池,大于鋰離子電池。每次充電前沒有必要進行放電操作(反而可能因為不規范放電損害電池),3個月進行一次完全充放電可以緩解記憶效應(實際上記憶效應并不明顯,不太在乎的可以無視)。

    鋰離子電池

    鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。鋰離子電池(Li-ion Batteries)鋰電池發展而來。它們是20世紀開發成功的新型高能電池

    鋰電池的負極是金屬鋰,正極用MnO2SOCL2(CFx)n等。70年代進入實用化。因其具有能量高、電池電壓高(額定電壓為3V,是一般堿性電池2倍;終止放電電壓為2V)、工作溫度范圍寬(-20~+60)、貯存壽命長(儲存時間3年以上)等優點,已廣泛應用于軍事和民用小型電器中,部分代替了傳統電池。例如,以前照相機里用的扣式電池就屬于鋰電池。不過,目前手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池,通常人們也俗稱其為鋰電池。真正的鋰電池由于危險性大(見本文末說明),沒有應用于日常電子產品。

    鋰電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電.這種電池也可能充電,但循環性能不好,在充放電循環過程中,容易形成鋰枝晶,造成電池內部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。

    后來,索尼公司發明了以炭材料為負極,以含鋰的化合物作正極,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生成的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣,當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負極碳層中的鋰離子脫出, 又運動回正極。回正極的鋰離子越多,放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在鋰電池的充放電過程中,鋰離子處于從正極負極正極的運動狀態。鋰離子電池就像一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,而鋰離子就象運動員一樣在搖椅來回奔跑。所以人們又叫它搖椅式電池。

    按材料的不同,鋰離子電池目前分液態鋰離子電池(LIB)和聚合物鋰離子電池(PLB)兩類。其中,液態鋰離子電池是指 Li + 嵌入化合物為正、負極的二次電池。正極采用鋰化合物LiCoO2LiMn2O4,負極采用鋰-碳層間化合物。鋰離子電池由于能量密度大、平均輸出電壓高、自放電小(每月在10%以下)、沒有記憶效應、工作溫度范圍寬為-2060、循環性能優越、可快速充放電、充電效率高達100%,而且輸出功率大、使用壽命長、沒有環境污染,被稱為綠色電池。

    目前開發的大容量鋰離子電池已在電動汽車中開始試用,預計將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一,并將在人造衛星、航空航天和儲能方面得到應用。

     

    電壓與重量

    以每一個單元電池的電壓來看,鎳氫與鎳鎘都是1.2V,而鋰離子電池則為3.6V約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓。并且同型電池的重量鋰電池與鎳鎘電池幾乎相等,而鎳氫電池卻比較重。可知,每一個電池本身重量不同,但鋰離子電池因3.6V高電壓,在輸出同等電壓的情況下使用單個電池組合時,數目可減少3分之1而使成型后的電池重量和體積減小。

    因為鋰離子電池一般有高于3.0伏的標稱電壓,更適合作集成電路電源。廣泛用于計算機,計算器,照相機、手表中。現在,鋰電池大量應用在手機上,可以說是最大的應用群體。

      鋰離子電池的比能量大,目前能達到的實際比能量為100-125Wh/kg240-300Wh/L2倍于Ni-Cd1.5倍于Ni-MH,未來隨著技術發展,比能量可高達150Wh/kg400 Wh/L。【比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kgWh/L來表示。Wh是能量的單位,W是瓦、h是小時;kg是千克(重量單位)L是升(體積單位。】

     

    自放電率

    自放電率即電池不使用時失去電荷的速率。

    鎳鎘電池為1530%(月)。鎳氫電池為2535%(月),鋰電池為25%(月)。以上鎳氫電池的自放電率為最大,而鋰電池的特長與其他兩類電池相比放電率極低。

    由于鋰電池的自放電率極低,放電電壓平緩,使得起搏器植入人體長期使用成為可能。

     

    給電池充電

    鎳鎘電池

    鎳鎘電池在充電回路和鎳氫電池類似,采用1.6倍電壓充電。通常鎳鎘電池的充電次數為300800, 在充放電達500次后電容量會下降至約80%。鎳鎘電池的記憶效應比鎳氫電池來的嚴重,故必須在完全沒電時才可進行充電, 以確保使用壽命。

      在0.05C至大于1C的范圍內對NiCd電池恒流充電。一些低成本充電器使用絕對溫度終止充電。雖然簡單、成本低,但這種充電終止方法不精確。更好的方法是通過檢測電池充滿時的電壓跌落終止充電。對于充電速率為0.5C或更高的NiCd電池,-ΔV方法是最有效的。-ΔV充電終止檢測應與電池溫度檢測相結合,因為老化電池和不匹配電池可能減少ΔV

      通過檢測溫升速率(dT/dt)可以實現更精確的滿充檢測,這種滿充檢測比固定溫度終止對電池更好。基于ΔT/dt-ΔV組合的充電終止方法可避免電池過充,延長電池壽命。

      快速充電可改善充電效率。在1C的充電速率下,效率可以接近1.1 (91%),充滿一個空電池的時間為1小時多一點。當以0.1C充電時,效率便下降到1.4 (71%),充電時間為14小時左右。

    因為NiCd電池對電能接收程度接近100%,所以幾乎所有的能量在充電開始的70%期間被吸收,而且電池保持不發熱。超快速充電器利用該特點,在幾分鐘內將電池充到70%,以幾C的電流充電而無熱量產生。充到70%后,電池再以較低速率繼續充電,直到電池充滿。最后以0.02C0.1C的涓流結束充電。

    鎳氫電池

    鎳氫電池及鋰電池都無法耐過充電。因此,鎳氫電池以定電流充電的PICK CUT 控制方式在充電電壓達到最高時,停止繼續充電為最好的充電方式。

    一般情況下,新的鎳氫電池只含有少量的電量,大家購買后要先進行充電然后再使用。但如果電池出廠時間比較短,電量很足,推薦先使用然后再充電。新買的鎳氫電池一般要經過3-4次的充電和使用,性能才能發揮到最佳狀態。雖然鎳氫電池的記憶效應小,仍然推薦大家盡量每次使用完后再充電,并且是一次性充滿,不要充一會用一會然后再充。電池充電時,要注意充電器周圍的散熱,太刻意用什么風扇吹沒有什么必要,但要注意的是充電器周圍不要放置太多雜物。

      長期不用的鎳氫電池會在存放幾個月后,電池自然進入一種休眠狀態,電池壽命大大降低。如果鎳氫電池已經放置了很長的時候,建議先用慢充進行充電為宜。據測試,鎳氫電池保存的最佳條件是帶電80%左右保存。這是因為鎳氫電池的自放電較大(一個月10%-15%左右),如果電池完全放電后再保存,很長時間內不使用,電池的自放電現象就會造成電池的過放電,會損壞電池。盡量不要對鎳氫電池放電,過放會導致充電失敗。(可以用萬用表自檢電池充滿與否。一般鎳氫電池在充電前,電壓在1.2V以下,充滿后正常電壓在1.4V左右。)

      充電器主要分為快充和慢充。慢充電流小,通常在200mA左右,比如我們常見的充電電流是在160mA左右。她的充電時間長,充電1800mAh的鎳氫電池要16個小時左右。時間雖然是慢了些,可是充電會充的很足,并且不傷電池。快充電流通常都在400mA以上,充電時間明顯減少很多,3-4個小時就可以搞定。快充種類很多,價格不一。好的充電器特別是好的快充都帶有防過度充電保護功能的。

    慢充不傷電池但是充電時間太長;快充可以節省時間,但對電池有傷害,建議買一個快充和一個慢充。用快充充一段時間,比方510次之后,改用慢充充電一兩次。這樣就又把電池的性能恢復到最佳狀態。

    鋰離子電池

    鋰離子電池需充足電后保存。在20下可儲存半年以上,可見鋰電池適宜在低溫下保存。曾有人建議將充電電池放入冰箱冷藏室內保存,的確是個好主意。

    鋰電池存在自放電現象,長時間保存會導致電池過放電而破壞電池內部結構,減少電池壽命。因此長期保存的鋰電池應當每3~6個月補電一次,即充電到電壓為3.8~3.9V(鋰電池最佳儲存電壓為3.85V左右)為宜。電池放置一段時間后則進入休眠狀態,此時容量低于正常值,使用時間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活,只要經過3—5次正常的充放電循環就可激活電池,恢復正常容量。由于鋰電池本身的特性,決定了它幾乎沒有記憶效應 。因此用戶新鋰電池在激活過程中,是不需要特別的方法和設備的。從一開始就采用標準方法充電就是最好的自然激活方式。

    應該強調,過充和過放電會對鋰電池、特別是液體鋰離子電池造成巨大的傷害。因而充電最好按照標準時間和標準方法充電,特別是不要進行超過12個小時的超長充電

      鋰電池的充電器在電池充滿后都會自動停充,并不存在鎳電池充電器所謂的持續10幾小時的涓流充電。也就是說,如果鋰電池在充滿后,放在充電器上也是白充。因無法保證電池的充放電保護電路的特性永不變化和質量的萬無一失,所以不應該長時間充電。

      因為充放電的次數是有限的,所以應該將鋰電池的電盡可能用光再充電。有一個關于鋰離子電池充放電循環的實驗表,關于循環壽命的數據列出如下:

      循環壽命 (10%DOD):>1000

      循環壽命 (100%DOD):>200

    其中DOD是放電深度的英文縮寫。從表中可見,可充電次數和放電深度有關,10%DOD時的循環壽命要比100%DOD的要長很多。當然如果折合到實際充電的相對總容量:10%*1000=100100%*200=200,后者的完全充放電還是要比較好一些。實際上,當出現機器電量過低提示時,應該盡量及時開始充電,以免影響機器的正常運轉。

    附:使用鋰電池注意防火

      鋰電池具有體輕、高效、耐低溫(-40)等優點,03mm厚、郵票大小的鋰電池可連續使用5年以上,近年來正逐步淘汰現用的堿性干電池和錳電池,廣泛應用于許多高檔家電和手機中。

      鋰電池不同于現用的錳電池和堿性干電池的氯化鋅和氫氧化鉀水溶電解液,它使用的是有機溶媒。鋰電池正極采用二氧化錳、氟化鉛、氯化亞硫等材料。負極采用的鋰金屬箔同一般電池負極使用的氯化鋅相比,離子化傾向強、正負極電壓差大,這樣提高了鋰電池的工作效能。

      但是,鋰電池在使用過程中常常會出現發熱、燃燒現象,輕者影響主機使用,重者還會燒毀主機引起火災。

    鋰電池為什么會發熱、燃燒呢?原來鋰電池中的許多材料與水接觸后,可發生劇烈的化學反應并釋放出大量熱能導致發熱、燃燒現象。鋰電池正極的二氧化錳,只沾一小滴水便可出現發熱現象。鋰電池中的氯化亞硫與水接觸后,在生成鹽酸和二氧化硫的同時釋放熱能,幾種因素使鋰電池成為生活中的火種,因此人們在使用鋰電池時一定要注意防水、防潮濕。各種主機停用后,應取下鋰電池置于干燥、低溫處妥善保管,以預防和避免因鋰電池使用不當而引起家庭火災事故的發生。

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