二次电池大观

2006-05-07 15:49:49来源: 电子产品世界

 

能反复充电的电池称为二次电池,亦叫蓄电池,它作为电子设备的关键部件之一受到注意,对以移动电话为首的小型设备的无线化、轻量化贡献颇大。本文除介绍传统密封铅蓄电池、镍镉电池外,还讲述确立了新型二次电池地位的镍氢电池和锂离子电池。

密封铅蓄电池

铅蓄电池于1859年由普朗特(法)发明,它是具有140年历史,完善度很高的电池,被用作电子设备的电源。

1.最新技术

密封铅蓄电池具有单位重量能量密度低、过放电会缩短寿命等缺点,但具有以下优点:①性能价格比高;②在目前市售水溶液系电池中,电池电压达2V;③自行放电少;④无存储效应等,在市场上占有一席之地。

表1 二次电池的构成及实用能量密度

二次电池的种类 正极活性物质 电解质 负极活性物质 电压(V) 实用能量物质
Wh/kg Wh/L
密封铅蓄电池 PbO2 H2SO4 Pb 2.0 30~40 70~100
镍镉电池 NiOOH KOH Cd 1.2 45~55 100~180
镍氢电池 NiOOH KOH MH 1.2 50~65 150~300
锂离子电池 Li(I-X)CoO2 有机溶剂 LixC 3.6 60~100 150~300

技术开发的焦点是在UPS(不间断电源)中提高高效效电性能,在无线设备方面的高能量密度经。其电池内部的改进包括通过添加异向性石墨提高正极活性物质的利用率;代替以往的铅锡合金,用铅钙合金或铅钙锡合金作集电网,以图高功能化。

密封铅蓄电池的技术课题是提高能量密度。具体地说有:①减少电池内的无效空间;②减少与起电反应无关的结构;③提高活性物质利用率。此外,还要性病此种电池的弱点,即过放电产生的性能下降。

铅的价格低廉,在资源上也无问题,而且已建立回收再生途径。

2.密封铅蓄电池的构造

其构成包括正极板、数量相等或多1片的负极板、夹在极板间的隔离栅、电解液、装入它们的合成树脂成型电槽及中盖,引外,还装设有起到不让大气中氧进入的逆止阀功能的安全阀及上盖。

3.密封铅蓄电池的特性

残留容量与保存温度:自行放电与保存温度大有关系。适当低的温度可进行长期保存。保存温度每低10℃,自行放电约降低1/2。

容量与开路电压的关系:通过测定开路电压可以推断其容量。

重复寿命:重复寿命受各次重复中放电深度的影响颇大。

4.今后的展望

密封铅蓄电池在镍镉、镍氢、锂离子等家用二次电池中最便宜,故要求大容量的用途成为倔后的目标,可望作为信息、通信网络基础设施的备用电源。

镍镉电池

实用二次电池中,历史悠久的电池除上述铅蓄电池外可说只有镍镉电池了,它作为高性能、高可靠性电池评价颇高。

它发明了1899年,全密闭化是1947年。它有以下特点可用于广泛的用途:

可高效充放电;重复寿命长;容易对付过充电、过放电;可长期放置;使用温度范围宽。

由于具有适应各种用途的特性,进而不同用途的专用电池的开发,更对扩大用途起了很大的作用。

1.高容量化技术

由于镍镉电池的反应是快速移动的OH-离子,与铅蓄电池相比,反应更为平稳,因此,其特点是在高放电率下放电容量也几乎不下降。由于结晶构造基本上改变,故其寿命长。通过提高正极活性物质利用率及采用泡沫镍或镍纤维等多孔基体,可实现高能量密度化。

2.镍镉电池的构造

主要形状为圆筒形和方形。圆筒形构造把纸状正负极板介入隔离片后卷成涡卷状态,装入金属造的外壳中,注入苛性碱水溶液作为电解液,再用装有安全阀的封口板把上部封口。方形刷则把若干长方形的正负极板隔入隔离片后装入金属造的外壳中。

3.镍镉电池的特性

放电性能:放电中的电压变化小,即使放电电流增大,容量的减产也不大。

充电特性:充电特性受电流、时间、温度等的影响。在充电电流大或温度低时电池电压上升。此外,因充电发热,电池温度上升。

重复寿命:按普通使用方法可充放电500次以上。

保存特性:一般,如电池放置不用,由于自行放电容量下降,但通过充电可恢复。

4.专用电池种类

基本构造与一般用镍镉电池相同,而根据用途改进了需特性的电池即为专用电池。它不是用途受至限制,而是在其用途下让它具有特别的特点。

高容量型:达到比标准型高40~60%的容量。

快速充电型:标准型电池的充电需要14~16小时,快速充电型的充电时间短,约1小时。

高温型:它是用作建筑标准法规定的特种灯等防灾用照明器具的内装电池而开发的,即使在外部温度很高(35~45℃)下,仍能发挥高性能。

存储器伯务用:易失性半导体存储器件的停电补偿用。

5.展望

镍镉电池有负极的镉为环境污染物持,且有存储效应(如持续进行浅放电便不能深放电的现象)等缺点。

对镉来说根据有限资源的有效利用及地球环保的观点,建立电池回收体制及重复利用技术。

此外,对存储效应的一种解决办法,可采取充电器放电之后再进行充电的方式。镍镉电池可说已达到了能量密度的极限,但总体看来,仍为二次电池中最佳的电池,今后亦将有广泛的领域。

镍氢电池

镍氢电池基本上是把镍镉电池的镉负极换成含氢合金构成,所以可说是对环境极佳的电池。工作电压为1.2V,与镍镉电池一样。容量为标准型镍镉电池(普通用)的1.5~2.0倍,能量密度高。虽是历史较短的电池,但是有与镍镉电池同样的特点,可望有广泛的用途。

1. 含氢合金负极的特性与课题

含氢合金含藏了近乎体积600~1000倍的氢。为了发挥作为电池负极的功能,除含氢能力巨大外,还要求以下几点:

①氢的释放进度进度快;

②在电池可使用的温度范围内,氢压(氢平衡压)低;

③对氢的吸入、放出、难致合金成为粉末或弯向一边;

④氧化不够的情况很少;

⑤能稳定生产。

镍氢电池今后要大发展必须解决以下课题:

①在更宽的温度范围提高充电效率;

②开发高容量含氢合金。

2.镍氢电池构造

其构造几乎与镍 镉电池一样。

3.镍氢电池的特性

放电特性:放电电压几乎与镍镉电池相同。

充电特性:充电特性亦显示与镍镉电池很相似。

重复寿命:普通使用方法下可充放电500次以上。

保存特性:显示出镍镉电池大致相同的自行放电特性。

4.展望

负极采用的含氢合金比镉价格昂贵,对电池容量的性价比不及镍镉电池。上市当初用于PC机及蜂窝式电话,现在已发展到电动工具、电动助力车、混合型到电动工具、电动助力车、混合型汽车等高能用途。今后的发展在于含氢合金特性的改进和降低价格。

锂离子电池

使用金属的二次电池有望成为最高能量密度的二次电池,在近年进行了积极的研究。但是,鉴于在金属锂充放电时溶解析出过程中讨厌的可逆性,尚未找到对安全性、周期性的有效解决办法,现在还主要进行基础研究。

作为解决安全性、周期性的办法是把碳用作锂吸藏体的锂离子电池。与使用金属锂的电池比较,虽然能量密度要低,但安全低及周期性有飞跃提高。

1.特点

①能量密度度。尤其是重量能量密度比其他电池都高。

②平均工作电压为3.6V,相当于镍镉电池、镍氢电池的3倍。

③在-20~60℃的温度范围内工作,低温下的工作优于其它电池。

④无存储效应(镍镉、镍氢电池都有)。

⑤自行放电比镍镉、镍氢电池小。

2.锂离子电池的构造

正极采用铝集电体上涂有正极活性物质liCoO2的薄膜,负极用铜集电体上涂上碳的薄膜,用聚乙烯多孔膜隔在之间,经过多重卷绕。电解液浸透电极与隔离膜。正极端子装有防焊阀、经隔断装置及PTC元件的安全机构。

3.锂离子电池的特性

放电性:由于随放电的进行电池电压缓慢下降,故可检测残存容量。

重复寿命:普通使用方式下,500~1000次充放电不成问题,而且容量不会急剧下降。

4.用途及今后发展

可装于移动电话、PC机、摄像机等。它具有以往电池所没有的3.6V工作电压的重要特点,将来有可能容量增大到400WH/1以上。在快速充电、高负荷放电方面劣于镍镉、镍氢电池,但此点是可以改进的。唯其价格最高,将来与其它二次电池分庭抗礼会加快发展。

二次电池使用注意事项

①勿投入火中,也别加热、分檄开和短路;

②勿靠近明火或在烈使用、放置、拆开和充电;

③别用槌子打砸或脚踩使其变形;

④充电使用专用充电器或按规定的充电条件进行(二次电池充电时,切勿过充电,这不仅关系到电池寿命,也是关系到安全性的问题。充电方式及电路自行设计,可向电池厂商咨询)。

此外,锂离子电池的情况还不适合过放电。锂离子电池用的保护电路装有保护电池的开关元件及其控制IC。可防止过充电和过放电。最近,还开发了除这些功能外,还能有效利用电池的IC。通过电池与负荷设备对话的输出切断时序电路的采用,通过遥控器ON/OFF控制减少设备停机时的损耗,以及保护电路本身的低功耗化、电池平衡补偿功能等都是针对这个问题的。据此,除确保电池的安全性外,还可望延长工作时间及电池使用期,今后将逐渐成为标准应用。

本文介绍了各种实用的二次电池,但一种电池不可能包揽一切,应用选择使用适合于设备的电池。对于需要大电流的设备,二次电池非常合适,但对于小电流又长时间工作的设备,建议采用一次电池。

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200605/2162.html
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