常用充电电池的参数及物理意义

高中生综合实践活动
课题名称：常用充电电池的参数及物理意义研究
研究时间：2018.4.1——2018.5.15
学校班级：桐乡第二中学
102班（ 3人）；110班（ 3人）
指导老师：梁瑞霞
课题成员：杨宇杰（组长、第一执笔人）
成员：张成灯陈林光周天培夏明龙汤奇栋
常用充电电池的参数及物理意义研究报告
【摘要】本研究的主要目的在于认识常用充电电池的性能参数，了解这些参数代表的物理意义，掌握正确使用充电电池的方法，能运用物理知识解决生活中遇到的相关问题，提升环保意识。

并在此过程中掌握一般的研究方法，提高收集和整合资料的能力，学会合理的利用网络资源等。

【关键词】充电电池、容量
电池是一种把化学能、内能、光能、原子能等形式的能量转化为电能的装置。

化学电池按照工作性质可分为一次电池（原电池）和二次电池（可充电电池）。

电池结构简单，携带方便，充放电操作简便易行，不受外界气候和温度的影响，性能稳定可靠，在现代社会生活中的各个方面发挥有很大作用。

人们每天都能与电池打交道，如随身听、电动玩具、钟表、遥控器、汽车摩托车的蓄电池等等。

电池如此常见，你们有认真观察过电池的销售包装都有哪些参数吗？这些参数都代表什么意思？在使用过程中要注意哪些事项？下面就让我们来深入了解一下电池的性能参数及物理意义吧。

一、电池的发展历史
1746年，荷兰莱顿大学的马森布罗克在发明了收集
电荷的“莱顿瓶”。

他在做电学实验时，无意中把一个
带了电的钉子掉进玻璃瓶里，当他一只手拿起桌上的瓶子，另一只手刚碰到钉子时，突然感到有一种电击式的振动。

于是，他又照着刚才的样子重复了好几次，而每次的实验结果都和第一次一样，于是他非常高兴地得到一个结论：把带电的物体放在玻璃瓶子里，电就不会跑掉，这样就可把电储存起来。

1780年，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani
）在做青蛙解剖时，两
手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。

伽伐尼认为，出现这种现像是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。

1799年，意大利物理学家伏特把一块锌板和一块锡板
浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。

于
是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸
片，平叠起来。

用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。

伏特用这种方法成功地制成了世界上第一个电池──“伏
特电堆”。

这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。

它成为早期电学实验，电报机的电力来源。

1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。

他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌─铜电池此后，这些电池都存在电压随着使用时间延长而下降的问题。

当电池使用一段时间后电压下降时，可以给他通以反向电流，使电池电压回升。

因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。

1860年，法国的雷克兰士（GeorgeLeclanche ）还发明了世界广受使用的电池（碳锌电池）的前身。

它的负极是锌和汞的
合金棒，而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着
碾碎的二氧化锰和碳的混合物。

在此混合物中插
有一根碳棒作为电流收集器。

负极棒和正极杯都
被浸在作为电解液的氯化铵溶液中。

此系统被称
为“湿电池”。

雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜，所以一直到1880年才被改进的“干电池”取代。

负极被改进成锌罐（即电池的外壳），电解液变为糊状而非液体，基本上这就是现在我们所熟知的碳锌电池。

1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。

干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。

1890年爱迪生（Thomas Edison）发明可充电铁镍电池。

二、充电电池的种类
1、根据所用材料不同，充电电池可分为四种：镍镉、镍氢、锂离子、铅蓄、铁锂。

镍镉电池：正极板上的活性物为氧化镍粉，负极板上的活性物质为氧化镉粉，电解液通常用氢氧化钾溶液。

镍金属氢电池：正极板材料为氧化镍粉，负极板材料为吸氢合金，电解液氢氧化钾溶液。

锂离子电池：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，极板间有亚微米级微孔的聚烯烃薄膜隔板，电解液为有机溶剂。

铅酸蓄电池：正极板上的活性物质是二氧化铅，极板上的活性物质为海绵状纯铅，电解液为一定浓度的硫酸溶液。

（1）镉是有毒的，因而镍镉电池不利于生态环境的保护。

众多的缺点使得镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。

（2）镍氢电池目前国产5号电池最高容量是3000mAh左右。

（3）锂离子电池重量比镍氢电池轻30%～40%，容量高出镍氢电池60%以上。

但是不耐过充，如果过充会造成温度过高而破坏结构，引起爆炸。

（4）锂聚合物电池，锂电的改良型，没有电池液，而改用聚合物电解质，可以做成各种形状，比锂电池稳定。

（5）铅酸电池，就是一般车用电瓶（它是以6个2V串联成12V的），免加水的电池使用寿命长达10年，但体积和容量是最大的。

2、根据体积大小，电池型号分类如下：
三、充电电池的性能参数
1、电动势和内阻
电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压，也称为电池的电动势。

电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的材料而异，如果电池正、负极的材料完全一样，那么不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，其开
路电压都一样的。

电池包装铭牌上的电压指的是电池的电动势，及开路电压。

终止电压：指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。

根据不同的电池类型及不同的放电条件，电池放电的终止电压也不相同。

规定终止电压放一般都要随放电电流的增大而减少。

电池的内阻是指电流通过电池内部时受到的阻力。

它直接影响电池的工作电压，工作电流，输出的能量和功率，对于电池来说，其内阻越小越好。

【探究】充电电池包装上电压是 1.2V，指的是电池的电动势。

测量一节刚充好电的电池和一节“没电”的充电电池，电池两端电压分别是多少？
【结论】充好电的电池两端电压为_____v；“没电”的电池两端电压为_____v。

【原因分析】由于内阻的存在，电池的工作电压总是小于电池的电动势或开路电压。

电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化（逐渐变大），这是因为活性物质的组成，电解液的浓度和温度都在不断的改变。

2、容量
电池容量是衡量电池性能的重要性能指标之一，它表示在一定条件下（放电率、温度、终止电压等）电池放出的电量，即电池的容量，通常以安培·小时为单位（简称，以A·H表示，1A·h=3600C）。

电池容量=放电电流I（恒流）×放电时间T 。

例如：充电电池的额定容量为1000mAh时，即表示以1000mA放电时间可持续1小时，如以200mA放电时间可持续5小时。

以1.2V、800 mA·h镍氢电池为例，采取40mA（20小时）的放电电流它的放电终止电压一般设定在1.15v；采取80 mA（10小时）的放电电流则它的放电终止电压就要设定在1.10v了。

【探究】一节充电电池充好电后，多长时间放完电？
【探究】一节充电电池放完电后，多长时间能充满电？
3、其它参数与性能
（1）放电深度：在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为放电深度。

放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。

过度放电：电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。

过度充电：在充电过程中电池的电压会随著储存电量的增加而逐渐上升，当电池储存的电量达到饱和电极材料无法继续充电时，若继续充电则电解液会起电解，并且在阳极产生氧气，在阴极产生氢气，如此会在密封的电池内部造成内部压力上升，会对电池内部结构造成破坏，像这种现象称之为过度充电。

（2）能量密度：电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。

一般在相同体积下，锂离子电池的能量密度是镍镉电池的 2.5倍，是镍氢电池的 1.8倍，因此在电池容量相等的情况下，锂离子电池就会比镍镉、镍氢电池的体积更小，重量更轻。

（3）自我放电：电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。

若是以一个月为单位来计算的话，锂离子电池自我放电约是1%-2%、镍氢电池自我放电约3%-5%。

（4）循环寿命充电电池在反复充放电使用下，电池容量会逐渐下降到初期容量的60%-80%。

（5）记忆效应：在电池充放电过程中，会在电池极板上产生许多小气泡，时间一久，这些气泡会减少电池极板的面积，也间接影响电池的容量。

四、充电电池的使用和维护
1、使用非智能的充电器一定要控制充电时间，充电时间=电池容量除充电器的充电电流乘1.2倍，过度充电会造成电池寿命缩短。

2、镍氢充电电池一使用完最好立即充电，不要等待与其他电池一起充电，放完电的电池存放容易造成电池过放电造成极板短路，造成电池永久损坏。

3、电池长期不用，应将充电电池从电器上取下，将电池充满电，装入电池盒中，并保持每年至少充电一次。

新电池或者长期不用的充电电池，初使用容量不足是正常的，一般的条件下只要经过3-5次循环充放电使用即可恢复容量。

4、在使用充电电池时，建议最好将一对同品牌、同容量、同年终奖的电池用于同一种设备上，并将它们一同充电。

最好不要混用不同品牌和容量的电池。

这是因为市面上大多充电器出于成本和体积的考虑，并不对单个电池独立充电、独立控制的，而是将两个电池串联后再接入同一组充电和控制回路中。

这样串联的两个电池的充电电流和、充电时间都是一样的，一旦串联的两个电池容量不同，或电池内的剩余电量有差异的话，其中容量较小的或剩余电量较多的电池必然先充满电。

这样由于另一支电池尚未充满，充电器将继续对电池组充电，这就必然导致先充满电的那支电池过充，发热量剧增，从而损坏电池，严重的甚至发生爆炸。

5、镍镉和镍氢电池的记忆效应不容忽视，电池容量随充放电次数的增加而减小。

尤其是当它们使用于耗电量较大的DC或相机伴侣时，当电池还有大量的残余电能时，其输出电量已无法满足设备的要求。

残余电量的累积，将增加电池的记忆效应。

要减小电池的记忆效应，最简单的方法就是对充电电池进行放电。

对电池放电也是有一定技巧的。

首先，绝对不能使用短路电池正负极或采用大电流的方法放电。

因为充电电池内电阻小，短路时将产生非常大的电流从而可能损坏电池的电极，造成电池损坏。

同时，大电流放电也会产生大量热量，可能损坏电池。

建议将电池放入用电量较小的设备中进行自然放电，如
MP3或者收音机。

当这些设备无法正常开机或使用时，放电也就差不多了。

这样既不会过度放电，也避免了大电流放电造成的损坏。

6、按充电的速度，充电器可以分为慢速充电器和快速充电器。

慢速充电器和快速充电器并没有什么明显的界限，而是和使用的充电器及充电电池的容量有关。

如一节标称容量C=500mAH的电池，它的建议充电电流为50mA；又如一节标称容量C=1300mAH的电池，它的建议充电电流为130mA。

在充电时，充电电流小于0.1C时，为涓流充电。

充电电池为0.1到 0.2C时，为慢速充电。

充电电流大于0.2C小于0.8C时为快速充电，而当充电电流大于0.8C时为超高速充电。

即200mA电流，对于800mAh 的电池，其充电电流为0.25C，为快速充电，对于1600mAh的充电电池，其充电电流为0.125C，刚为慢速充电。

五、充电电池的发展前景
电池业是中国的重点产业之一，有着良好发展前景。

二十一世纪的电池具有大容量、高功率、长寿命、无污染、安全可靠轻便
的特点，是高科技、高产出、高利润、高创汇产品。

随着信息时代的到来，资讯产业蓬勃发展，在迈入电
子、资讯、通讯的“3C”时代后，电子产品朝着“短、
小、轻、薄”的趋势发展，作为电子产品不可或缺的
电池，其重要性也越来越显著。

欧美国家已开始开发一种新的可充电电池，叫镍锌AA电池（Ni-Zn电池）。

将充电电池与充电装置融合在一起，成为新一代充电电池设计的发展趋势。

usb电池将标准的usb接口内置在充电电池内，使用方便，成为未来电池发展的亮点。

将usb接口和电芯融合再分离，usb花园将充电电池的研发推上一个新台阶。

这一种usb电池可以更换电芯，在电池循环使用多次后，处理时减少电子垃圾，符合环保型社会产品的设计要求，是新能源的热点。

【参考文献】
[1]孙华明．充电电池基本知识及应用维护,电脑知识与技术,2004
[2]电池发展小史．万方数据知识服务平台．2005-11-10
[3]陈子聪．家庭电子．1998第6期P21-21
[4]陈贻麟．干电池．北京：人民邮电出版社。