二次電池大觀

能反復充電的電池稱為二次電池，亦叫蓄電池，它作為電子設備的關鍵部件之一受到注意，對以移動電話為首的小型設備的無線化、輕量化貢獻頗大。本文除介紹傳統(tǒng)密封鉛蓄電池、鎳鎘電池外，還講述確立了新型二次電池地位的鎳氫電池和鋰離子電池。

密封鉛蓄電池

鉛蓄電池于1859年由普朗特（法）發(fā)明，它是具有140年歷史，完善度很高的電池，被用作電子設備的電源。

1.最新技術

密封鉛蓄電池具有單位重量能量密度低、過放電會縮短壽命等缺點，但具有以下優(yōu)點：①性能價格比高；②在目前市售水溶液系電池中，電池電壓達2V；③自行放電少；④無存儲效應等，在市場上占有一席之地。

表1 二次電池的構成及實用能量密度

技術開發(fā)的焦點是在UPS（不間斷電源）中提高高效效電性能，在無線設備方面的高能量密度經(jīng)。其電池內(nèi)部的改進包括通過添加異向性石墨提高正極活性物質(zhì)的利用率；代替以往的鉛錫合金，用鉛鈣合金或鉛鈣錫合金作集電網(wǎng)，以圖高功能化。

密封鉛蓄電池的技術課題是提高能量密度。具體地說有：①減少電池內(nèi)的無效空間；②減少與起電反應無關的結(jié)構；③提高活性物質(zhì)利用率。此外，還要性病此種電池的弱點，即過放電產(chǎn)生的性能下降。

鉛的價格低廉，在資源上也無問題，而且已建立回收再生途徑。

2.密封鉛蓄電池的構造

其構成包括正極板、數(shù)量相等或多1片的負極板、夾在極板間的隔離柵、電解液、裝入它們的合成樹脂成型電槽及中蓋，引外，還裝設有起到不讓大氣中氧進入的逆止閥功能的安全閥及上蓋。

3.密封鉛蓄電池的特性

殘留容量與保存溫度：自行放電與保存溫度大有關系。適當?shù)偷臏囟瓤蛇M行長期保存。保存溫度每低10℃，自行放電約降低1/2。

容量與開路電壓的關系：通過測定開路電壓可以推斷其容量。

重復壽命：重復壽命受各次重復中放電深度的影響頗大。

4.今后的展望

密封鉛蓄電池在鎳鎘、鎳氫、鋰離子等家用二次電池中最便宜，故要求大容量的用途成為倔后的目標，可望作為信息、通信網(wǎng)絡基礎設施的備用電源。

鎳鎘電池

實用二次電池中，歷史悠久的電池除上述鉛蓄電池外可說只有鎳鎘電池了，它作為高性能、高可靠性電池評價頗高。

它發(fā)明了1899年，全密閉化是1947年。它有以下特點可用于廣泛的用途：

可高效充放電；重復壽命長；容易對付過充電、過放電；可長期放置；使用溫度范圍寬。

由于具有適應各種用途的特性，進而不同用途的專用電池的開發(fā)，更對擴大用途起了很大的作用。

1.高容量化技術

由于鎳鎘電池的反應是快速移動的OH-離子，與鉛蓄電池相比，反應更為平穩(wěn)，因此，其特點是在高放電率下放電容量也幾乎不下降。由于結(jié)晶構造基本上改變，故其壽命長。通過提高正極活性物質(zhì)利用率及采用泡沫鎳或鎳纖維等多孔基體，可實現(xiàn)高能量密度化。

2.鎳鎘電池的構造

主要形狀為圓筒形和方形。圓筒形構造把紙狀正負極板介入隔離片后卷成渦卷狀態(tài)，裝入金屬造的外殼中，注入苛性堿水溶液作為電解液，再用裝有安全閥的封口板把上部封口。方形刷則把若干長方形的正負極板隔入隔離片后裝入金屬造的外殼中。

3.鎳鎘電池的特性

放電性能：放電中的電壓變化小，即使放電電流增大，容量的減產(chǎn)也不大。

充電特性：充電特性受電流、時間、溫度等的影響。在充電電流大或溫度低時電池電壓上升。此外，因充電發(fā)熱，電池溫度上升。

重復壽命：按普通使用方法可充放電500次以上。

保存特性：一般，如電池放置不用，由于自行放電容量下降，但通過充電可恢復。

4.專用電池種類

基本構造與一般用鎳鎘電池相同，而根據(jù)用途改進了需特性的電池即為專用電池。它不是用途受至限制，而是在其用途下讓它具有特別的特點。

高容量型：達到比標準型高40～60%的容量。

快速充電型：標準型電池的充電需要14～16小時，快速充電型的充電時間短，約1小時。

高溫型：它是用作建筑標準法規(guī)定的特種燈等防災用照明器具的內(nèi)裝電池而開發(fā)的，即使在外部溫度很高（35～45℃）下，仍能發(fā)揮高性能。

存儲器伯務用：易失性半導體存儲器件的停電補償用。

5.展望

鎳鎘電池有負極的鎘為環(huán)境污染物持，且有存儲效應（如持續(xù)進行淺放電便不能深放電的現(xiàn)象）等缺點。

對鎘來說根據(jù)有限資源的有效利用及地球環(huán)保的觀點，建立電池回收體制及重復利用技術。

此外，對存儲效應的一種解決辦法，可采取充電器放電之后再進行充電的方式。鎳鎘電池可說已達到了能量密度的極限，但總體看來，仍為二次電池中最佳的電池，今后亦將有廣泛的領域。

鎳氫電池

鎳氫電池基本上是把鎳鎘電池的鎘負極換成含氫合金構成，所以可說是對環(huán)境極佳的電池。工作電壓為1.2V，與鎳鎘電池一樣。容量為標準型鎳鎘電池（普通用）的1.5～2.0倍，能量密度高。雖是歷史較短的電池，但是有與鎳鎘電池同樣的特點，可望有廣泛的用途。

1. 含氫合金負極的特性與課題

含氫合金含藏了近乎體積600～1000倍的氫。為了發(fā)揮作為電池負極的功能，除含氫能力巨大外，還要求以下幾點：

①氫的釋放進度進度快；

②在電池可使用的溫度范圍內(nèi)，氫壓（氫平衡壓）低；

③對氫的吸入、放出、難致合金成為粉末或彎向一邊；

④氧化不夠的情況很少；

⑤能穩(wěn)定生產(chǎn)。

鎳氫電池今后要大發(fā)展必須解決以下課題：

①在更寬的溫度范圍提高充電效率；

②開發(fā)高容量含氫合金。

2.鎳氫電池構造

其構造幾乎與鎳 鎘電池一樣。

3.鎳氫電池的特性

放電特性：放電電壓幾乎與鎳鎘電池相同。

充電特性：充電特性亦顯示與鎳鎘電池很相似。

重復壽命：普通使用方法下可充放電500次以上。

保存特性：顯示出鎳鎘電池大致相同的自行放電特性。

4.展望

負極采用的含氫合金比鎘價格昂貴，對電池容量的性價比不及鎳鎘電池。上市當初用于PC機及蜂窩式電話，現(xiàn)在已發(fā)展到電動工具、電動助力車、混合型到電動工具、電動助力車、混合型汽車等高能用途。今后的發(fā)展在于含氫合金特性的改進和降低價格。

鋰離子電池

使用金屬的二次電池有望成為最高能量密度的二次電池，在近年進行了積極的研究。但是，鑒于在金屬鋰充放電時溶解析出過程中討厭的可逆性，尚未找到對安全性、周期性的有效解決辦法，現(xiàn)在還主要進行基礎研究。

作為解決安全性、周期性的辦法是把碳用作鋰吸藏體的鋰離子電池。與使用金屬鋰的電池比較，雖然能量密度要低，但安全低及周期性有飛躍提高。

1.特點

①能量密度度。尤其是重量能量密度比其他電池都高。

②平均工作電壓為3.6V，相當于鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍。

③在-20～60℃的溫度范圍內(nèi)工作，低溫下的工作優(yōu)于其它電池。

④無存儲效應（鎳鎘、鎳氫電池都有）。

⑤自行放電比鎳鎘、鎳氫電池小。

2.鋰離子電池的構造

正極采用鋁集電體上涂有正極活性物質(zhì)liCoO2的薄膜，負極用銅集電體上涂上碳的薄膜，用聚乙烯多孔膜隔在之間，經(jīng)過多重卷繞。電解液浸透電極與隔離膜。正極端子裝有防焊閥、經(jīng)隔斷裝置及PTC元件的安全機構。

3.鋰離子電池的特性

放電性：由于隨放電的進行電池電壓緩慢下降，故可檢測殘存容量。

重復壽命：普通使用方式下，500～1000次充放電不成問題，而且容量不會急劇下降。

4.用途及今后發(fā)展

可裝于移動電話、PC機、攝像機等。它具有以往電池所沒有的3.6V工作電壓的重要特點，將來有可能容量增大到400WH/1以上。在快速充電、高負荷放電方面劣于鎳鎘、鎳氫電池，但此點是可以改進的。唯其價格最高，將來與其它二次電池分庭抗禮會加快發(fā)展。

二次電池使用注意事項

①勿投入火中，也別加熱、分檄開和短路；

②勿靠近明火或在烈使用、放置、拆開和充電；

③別用槌子打砸或腳踩使其變形；

④充電使用專用充電器或按規(guī)定的充電條件進行（二次電池充電時，切勿過充電，這不僅關系到電池壽命，也是關系到安全性的問題。充電方式及電路自行設計，可向電池廠商咨詢）。

此外，鋰離子電池的情況還不適合過放電。鋰離子電池用的保護電路裝有保護電池的開關元件及其控制IC?？煞乐惯^充電和過放電。最近，還開發(fā)了除這些功能外，還能有效利用電池的IC。通過電池與負荷設備對話的輸出切斷時序電路的采用，通過遙控器ON/OFF控制減少設備停機時的損耗，以及保護電路本身的低功耗化、電池平衡補償功能等都是針對這個問題的。據(jù)此，除確保電池的安全性外，還可望延長工作時間及電池使用期，今后將逐漸成為標準應用。

本文介紹了各種實用的二次電池，但一種電池不可能包攬一切，應用選擇使用適合于設備的電池。對于需要大電流的設備，二次電池非常合適，但對于小電流又長時間工作的設備，建議采用一次電池。