充电电池分类与原理

充电电池分类与原理：

充电电池的对比

可充电电池主要有铅酸蓄电池和碱性蓄电池两种。目前使用的镍镉NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li －Ion)电池都是碱性电池。

铅酸电池

铅酸电池阀控式免维护铅酸电池的基本结构如图1所示。它由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成。正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极板上的活性物质为海绵状纯铅(Pb)。电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定比例配制而成。电池槽中装入一定密度的电解液后，由于电化学反应，正、负极板间会产生约为2.1V的电动势。新铅酸电池初次使用时，必须先充满电。如采用0.1C充电速率充电，大约需要55～75小时。蓄电池正常使用放完电后，应立即充电。通常采用的方法有：(1)分级定流充电法；(2)低压恒压充电法(带负载充电)；(3)快速充电法。快速充电的初充时间不超过5

小时，正常充电时间可缩短到1小时左右。

镍镉电池NiCd电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其它电池相比，NiCd电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率)适中。NiCd电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，放出80%电量后再充足电，该电池只能放出80%的电量。这就是所谓的记忆效应。当然，几次完整的放电/充电循环将使NiCd电池恢复正常工作。由于NiCd电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每节电池放电至

1V以下。

镍氢电池NiMH电池正极板材料为NiOOH，负极板材料为吸氢合金。电解液通常用30%的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。NiMH电池有圆柱形和方形两种。圆柱形密封NiMH电池的结构如图2所示。

NiMH电池具有较好的低温放电特性，即使在－20℃环境温度下，采用大电流(以1C放电速率)放电，放出的电量也能达到标称容量的85%以上。但是，NiMH电池在高温(+40℃以上)时，蓄电容量将下降5～10%。这种由于自放电(温度越高，自放电率越大)而引起的容量损失是可逆的，几次充放电循环就能恢复到最大容量。NiMH电池的开路电压为1.2V，与NiCd电池相同。

NiCd/NiMH电池的充电过程非常相似，都要求恒流充电。两者的差别主要在快速充电的终止检测方法上，以防止电池过充电。充电器对电池进行恒流充电，同时检测电池的电压和其它参数。当电池电压缓慢上升达到一个峰值，对NiMH电池快速充电终止，而NiCd电池则当电池电压第一次下降了一个－△V时终止快速充电。为避免损坏电池，电池温度过低时不能开始快速充电，电池温度Tmin低于10℃时，应转入涓流充电方式。而电池温度一旦达到规定数值后，必须立即停止充电。

锂离子电池液态电解质圆柱型锂离子电池基本构造如图3所示。用LiCoO2复合金属氧化物在铝板上形成阳极，用锂碳化合物在铜板形成阴极，极板间插入有亚微米级微孔的聚烯烃薄膜隔板，电解液为有机溶剂。为避免使用不当造成电池损坏，在锂离子电池内设有3种安全机构：(1)正温度系数元件(PTC)。当电池内的温度过高，PTC的阻值随之上升，会自动将阴极引线与阴极之间电路切断；(2)特殊材料的隔板。当电池内温度上升到一定数值时，隔板上微孔会自动溶解掉，从而使电池内的反应停止；

(3)安全阀。当电池内部压力升高到一定数值时，安全阀将自动打开。

锂电池易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率通常不超过1C，最低放电电压为2.7～3.0V，如再继续放电则会损坏电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1C电流充电至4.1V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小，当电池充足电后，进入涓流充电过程。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。

随着新材料、新工艺的出现，更为先进耐用的可再充电电池也在不断出现。国外最新开发的固态聚合物(电解质)Li离子电池、Li金属电池，不仅解决了漏液问题，而且电池的容量更大，体积更小，更为安全可靠。它们必将成为极有潜力的新一代电池产品。

镍氢电池：

镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。

化学成分

镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属氢化物。许多种类的金属互化物都已被运

镍氢电池

用在镍氢电池的制造上，它们主要分为两大类。最常见的是AB5一类，A是稀土元素的混合物（或者）再加上钛（Ti）；B则是镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn），（或者）还有铝（Al）。而一些高容量电池的“含多种成分”的电极则主要由AB2构成，这里的A则是钛（Ti）或者钒（V），B则是锆（Zr）或镍（Ni），再加上一些铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）和（或）锰（Mn）。所有这些化合物扮演的都是相同的角色：可逆地形成金属氢化物。电池充电时，氢氧化钾（KOH）电解液中的氢离子（H+）会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避免形成氢气（H2），以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。

重量

以每一个单元电池的e额定电压来看，镍氢与镍镉都是1.2V，而锂电池却为3.6V，锂电

镍氢电池

池的电压是其他两者的3倍。并且同型电池的重量锂电池与镍镉电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。可知，每一个电池本身重量不同，但锂电池因3.6V高电压，在输出同等电压的情况下使的单个电池组合时数目可减少3分之1而使成型后的电池重量和体积减小。特性电压 = 1.2V能量∕重量 = 30-80 Wh/kg （瓦特小时/千克）即 108-880kJ/kg （千焦耳/千克）能量∕体积 = 140-300 Wh/L （瓦特小时/公升）即 504-1188kJ/kg （千焦耳/千克）自放电率 = 一般为每月 30%，低自放电型号为每年15-30%充放电循环次数 = 500 -1000次记忆效应镍氢电池与镍镉电池相同都有记忆效应。因此，定期的放电管理也是必需的。这种定期放电管理属于模糊状态下被处理，甚至也有些在不正确的知识下进行放电（每次放电或者使用几次后进行放电都因公司的不同而有所差异）这种烦琐的放电管理在使用镍氢电池时是无法避免的。相对的锂电池而言因为完全没有记忆效应，在使用上非常方便简单。它完全不必理会残余电压多少，直接可进行充电，充电时间自然可以缩短。

充电

当快速充电时，可以透过充电器内的微电脑去避免电池过充的情况产生。现今的镍氢

镍氢电池快速充电管理芯片

电池含有一种催化剂，可以及时的解除因为过充所造成的危险。2H2 + O2 --催化剂--> 2H2O 但是这个反应只有从过充开始的时间算起的 C ÷ 10 小时内有效（C = 电池标示的容量）。当充电程序开始后，电池的温度会上升的很明显，有些急速充电器（低于1小时）内含风扇来避免电池过热。

有的厂商认为：使用一些简单的恒流（且电流要小）充电器，不管有没有计时器，都可以安全地为镍氢电池充电，允许的长时间充电电流为 C/10h （电池的标称电量除以10小时）。实际上，一些造价低廉的无线电话基地台和最便宜的电池充电器正是这样工作的。尽管这可能是安全的，但对电池的寿命可能会有不良影响。根据松下公司（Panasonic）的《镍氢电池充电指南》（链接在页面底部），