锂聚合物(锂电)电池基本原理

1 基本工作原理 1 正极反应 LiCoO2 Li1 xCoO2 x Li xe 2 负极反应 6C x Li xe LixC6 3 电池反应 LiCoO2 6C Li1 xCoO2 LixC6 4 电池的电动势 1 定义 在没有电流的情况下 电池正 负极两端的电位差 2 影响因素 由电极材料决定 不受其它任何辅助材料影响 2 电压特性 1 开路电压 用电压表直接测量的正 负极两端的电压 E V I R 2 工作电压范围 2 75 4 2 volt 3 额定电压 3 6 volt 4 平均工作电压 3 72 volt 5 影响电压特性的基本因素 1 电极材料 2 电极配方 3 电池设计 4 工作电流 1 电极的极化 由于电池电极上有电流通过 导致电极电位偏离平衡状态 a 欧姆极化 电池材料的电阻影响 b 电化学极化 得失电子的难易 导致电极电位偏离平衡状态 c 浓差极化 由于离子迁移速度慢 导致电极电位偏离平衡状态 2 极化与电流的关系 ie ir ic 2 工作电流的确定 ic 2 3 mA cm2 3 影响工作电流的因素 1 电极配方 导电材料性能 用量 粘合剂用量 2 极片的面积 3 极片压实密度 4 钝化膜的厚度 化学电源在实现能量的转换过程中 必须具有两个必要的条件 一 组成化学电源的两个电极上进行的氧化还原过程 必须分别在两个分开的区域进行 这一点区别于一般的氧化还原反应 二 两电极的活性物质进行氧化还原反应时所需电子必须由外线路传递 这一点区别于金 属腐蚀过程的微电池反应 为了满足以上的条件 任何一种化学电源均由以下四部分组成 1 电极电池的核心部分 它是由活性物质和导电骨架所组成 活性物质是指正 负极中 参加成流反应的物质 是化学电源产生电能的源泉 是决定化学电源基本特性的重要部分 对活性物质的要求是 1 组成电池的电动势高 2 电化学活性高 即自发进行反应的能力强 3 重量比容量和体积比容量大 4 在电解液中的化学稳定性高 5 具有高的电子导电性 6 资源丰富 价格便宜 2 电解质电池的主要组成之一 在电池内部担负着传递正负极之间电荷的作用 所以势 一些具有高离子导电性的物质 对电解质的要求是 1 稳定性强 因为电解质长期保存在电池内部 所以必须具有稳定的化学性质 使储藏 期间电解质与活性物质界面的电化学反应速率小 从而使电池的自放电容量损失减小 2 比电导高 溶液的欧姆压降小 使电池的放电特性得以改善 对于固体电解质 则要 求它只具有离子导电性 而不具有电子导电性 3 隔膜也叫隔离物 置于电池两极之间 隔膜的形状有薄膜 板材 棒材等 其作用是 防止正负极活性物质直接接触 造成电池内部短路 对于隔膜的要求是 1 在电解液中具有良好的化学稳定性和一定的机械强度 并能承受电极活性物质的氧化 还原作用 2 离子通过隔膜的能力要大 也就是说隔膜对电解质离子运动的阻力要小 这样 电池 内阻就相应减小 电池在大电流放电时的能量损耗减小 3 应是电子的良好绝缘体 并能阻挡从电极上脱落活性物质微粒和枝晶的生长 4 材料来源丰富 价格低廉 常用的隔膜材料有棉纸 微孔橡胶 微孔塑料 玻璃纤维 水化纤维素 接枝膜 尼龙 石棉等 可根据化学电源不同系列的要求而选取 电池知识 A 锂动力电池的主要构成 电池盖 正极 活性物质为氧化钴锂 隔膜 一种特殊的复合膜 负极 活性物质为碳 有机电解液 电池壳 锂动力电池的优越性能 我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镉镍电池 Ni cd 和氢镍电池 Ni cd 来讲的 那么 锂离子电池究竟好在哪里呢 工作电压高 比能量大 循环寿命长 自放电率低 无记忆效应 无污染 锂动力电池的组装过程 锂动力电池的工艺及技术要求非常严格 复杂 这里只能简单介绍一下其中的几个主要 工序 制浆 用专门的溶剂和粘贴剂分别与粉末状的正负极活性物质混合 经高速搅拌均匀后 制 成浆状的正负极物质 涂膜 将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面 烘干 分别制成正极极片和负极极片 装配 按正极片 隔膜 负极片 隔膜自上而下的顺序放好 经卷绕制成电池极芯 再经注入 电解液 封口等工艺过程 即完成电池的装配过程 制成成品电池 化成 用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试 对每一只电池都进行检测 筛选 出合格的成品电池 待出厂 锂动力电池的安全特性 锂动力电池已非常广泛地应用于人们的日常生活中 所以它的安全性能绝对应该是锂离 子电池的第一项考核指标 对于锂动力电池安全性能的考核指标 国际上规定了非常严格 的标准 一只合格的锂离子电池在安全性能上应该满足以下条件 短路 不起火 不爆炸 过充电 不起火 不爆炸 热箱试验 不起火 不爆炸 150 恒温 10min 针刺 不爆炸 用直径 mm 钉穿透电池 平板冲击 不起火 不爆炸 10kg 重物自 米高处砸向电池 焚烧 不爆炸 煤气火焰烧烤电池 锂动力电池是一种新型绿色环保电池 新型绿色环保电池是指近年来已投入使用或正在研制开发的一类高性能 无污染的 电池 目前已经大量使用的锂动力蓄电池 金属氢化物镍蓄电池和正在推广使用的无汞缄 性锌锰电池以及正在研制开发的锂或锂离子塑料蓄电池 燃料电池 电化学贮能超级电容 器都属于新型绿色环保电池的范畴 此外 目前已广泛应用的利用太阳能进行光电转换的 太阳电池 又称光伏发电 也属于这一范畴 针刺测试步骤如下 1 电池充电 在 20 5 度条件下 电池以 1 3 C 放电至电压为 3 0V 时停止放电 静置 1h 然后在 20 5 度条件下 以 1 3 C 恒流充电 至电压为 4 2V 时转恒压充电 至充电电流降至 1 30 C 时停止 充电 静置 1h 进行步骤 2 2 用直径 3mm 8mm 的耐高温钢针 也说用钨针 以 10 40mm s 的速度 从垂直于电池极板的方 向贯穿 钢针停留在电池中 要求电池经针刺后 不爆炸 不起火 结 论 论负载力 也就是谁的力气最大龙虎排行榜如下 最强 镍镉充 只要齿轮箱结构跟上 拖动 150 左右的簧没问题 其次 镍氢充 看来拖 120 左右就差不多鸟 再次 小 JJ 锂离子充 还是老老实实用原装簧好 论电池保养 也就是比谁最不娇气之金玲排行榜如下 命贱最好养活 锂离子充 命还尚可 镍氢充 续航时间差不多 刚好冲出第一岛链 娇柔 需要经常呵护 小 JJ 镍镉充 大家闺秀 论电池续航力 比谁跑得远 续航时间久 远洋海军 锂离子充 续航时间差不多 刚好冲出第一岛链 镍氢充 黄水海军 近海防御 镍镉充 锂离子电池与 Cd Ni 和 MH Ni 比较特性列表 项目 Cd Ni MH Ni Li iON 单节工作电压 V 1 2 1 2 3 6 质量比能量 wh kg 50 65 100 160 体积比能量 wh l 150 200 250 300 循环寿命 500 500 1000 20 容量与 25 容量比较 60 60 90 自放电 月 25 30 30 35 10 记忆效应 有 有 无 第一篇 大力将军镍镉 横刀立马于此 镍镉电池工作原理 电池正极活性物质为氢氧化镍 负极活性物质为氧化镉粉 电解液为氢氧化钾的水溶液 正极反应 阴极 负极反应 阳极 充电 Ni OH 2 OH NiOOH H2O e Cd OH 2 2e Cd 2OH 过充电 4OH 2H2O O2 4e 2Cd O2 2H2O 4e 2Cd OH 2 放电 NiOOH H2O e Ni OH 2 OH Cd 2OH Cd OH 2 2e 过放电 Cd OH 2 2e Cd 2OH H2 2OH 2H2O 2e 2H2O 2e H2 2OH 总反应式 2Ni OH 2 Cd OH 2 2 NiOOH Cd 2H2O Q 镍镉 镍氢电池的发展 1899 年 Waldmar Jungner 在开口型镍镉电池中 首先使用了镍极板 几乎与此同时 Thomas Edison 发明了用于电动车的镍铁电池 遗憾的是 由于当时这些碱性蓄电池的极板材料比其它 蓄电池的村料贵得多 因此实际应用受到了极大的限制 后来 Jungner 的镍镉电池经过几次重要改进 性能明显改善 其中最重要的改进是在 1932 年 科学 家在镍电池中开始使用了活性物质 他们将活性物质放入多孔的镍极板中 然后再将镍极板装入金属壳内 镍镉电池发展史上另一个重要的里程碑是 1947 年密封型镍镉电池研制成功 在这种电池中 化学反应产 生的各种气体不用排出 可以在电池内部化合 密封镍镉电池的研制成功 使镍镉电池的应用范围大大增 加 密封镍镉电池效率高 循环寿命长 能量密度大 体积小 重量轻 结构紧凑 并且不需要维护 因此在工业和消费产品中得到了广泛应用 蓄电池参数 蓄电池的五个主要参数为 电池的容量 标称电压 内阻 放电终止电压和充电终止电压 电池的容量通 常用 Ah 安时 表示 1Ah 就是能在 1A 的电流下放电 1 小时 单元电池内活性物质的数量决定单元电池 含有的电荷量 而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定 因此 通常电池体积越大 容量越高 与电池容量相关的一个参数是蓄电池的充电电流 蓄电池的充电电流通常用充电速率 C 表示 C 为蓄电 池的额定容量 例如 用 2A 电流对 1Ah 电池充电 充电速率就是 2C 同样地 用 2A 电流对 500mAh 电池充电 充电速率就是 4C 电池刚出厂时 正负极之间的电势差称为电池的标称电压 标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液 的浓度决定 当环境温度 使用时间和工作状态变化时 单元电池的输出电压略有变化 此外 电池的输 出电压与电池的剩余电量也有一定关系 单元镍镉电池的标称电压约为 1 3V 但一般认为是 1 25V 单元镍氢电池的标称电压为 1 25V 电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗 在充放电过程中 极板的电阻是不变的 但是 离子流的 阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化 蓄电池充足电时 极板上的活性物质已达到饱和状态 再继续充电 蓄电池的电压也不会上升 此时的电 压称为充电终止电压 镍镉电池的充电终止电压为 1 75 1 8V 镍氢电池的充电终止电压为 1 5V 表 1 1 镍镉电池不同放电率时的放电终止电压 放电率 放电终止电压 8 小时率 1 10V 5 小时率 1 00V 3 小时率 0 8V 1 小时率 0 5V 放电终止电压是指蓄电池放电时允许的最低电压 如果电压低于放电终止电压后蓄电池继续放电 电池两 端电压会迅速下降 形成深度放电 这样 极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复 从而影响电 池的寿命 放电终止电压和放电率有关 镍镉电池的放电终止电压和放电速率的关系如表 1 1 所列 镍 氢电池的放电终止电压一般规定为 1V 镍镉蓄电池的工作原理 镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物 负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉 电解液通常 为氢氧化钠或氢氧化钾溶液 当环境温度较高时 使用密度为 1 17 1 19 15 时 的氢氧化钠溶液 当环境温度较低时 使用密度为 1 19 1 21 15 时 的氢氧化钾溶液 在 15 以下时 使用密度为 1 25 1 27 15 时 的氢氧化钾溶液 为兼顾低温性能和荷电保持能力 密封镍镉蓄电池采用密度为 1 40 15 时 的氢氧化钾溶液 为了增加蓄电池的容量和循环寿命 通常在电解液中加入少量的氢氧 化锂 大约每升电解液加 15 20g 镍镉蓄电池充电后 正极板上的活性物质变为氢氧化镍 NiOOH 负极板上的活性物质变为金属镉 镍镉电 池放电后 正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍 负极板上的活性物质变为氢氧化镉 1 放电过程中的电化学反应 1 负极反应 负极上的镉失去两个电子后变成二价镉离子 Cd2 然后立即与溶液中的两个氢氧根离子 OH 结合生成 氢氧化镉 Cd OH 2 沉积到负极板上 2 正极反应 正极板上的活性物质是氢氧化镍 NiOOH 晶体 镍为正三价离子 Ni3 晶格中每两个镍离子可从 外电路获得负极转移出的两个电子 生成两个二价离子 2Ni2 与此同时 溶液中每两个水分子电离出 的两个氢离子进入正极板 与晶格上的两个氧负离子结合 生成两个氢氧根离子 然后与晶格上原有的两 个氢氧根离子一起 与两个二价镍离子生成两个氢氧化亚镍晶体 2 充电过程中的化学反应 充电时 将蓄电池的正 负极分别与充电机的正极和负极相连 电池内部发生与放电时完全相反的电化学 反应 即负极发生还原反应 正极发生氧化反应 1 负极反应 充电时负极板上的氢氧化镉 先电离成镉离子和氢氧根离子 然后镉离子从外电路获得电子 生成镉原子 附着在极板上 而氢氧根离子进入溶液参与正极反应 2 正极反应 在外电源的作用下 正极板上的氢氧化亚镍晶格中 两个二价镍离子各失去一个电子生成三价镍离子 同 时 晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子 将氧负离子留在晶格上 释出的氢离子与溶液中的氢氧 根离子结合 生成水分子 然后 两个三价镍离子与两个氧负离子和剩下的二个氢氧根离子结合 生成两 个氢氧化镍晶体 蓄电池充电终了时 充电电流将使电池内发生分解水的反应 在正 负极板上将分别有大量氧气和氢气析 出 从上述电极反应可以看出 氢摒化钠或氢氧化钾并不直接参与反应 只起导电作用 从电池反应来看 充电过程中生成水分子 放电过程中消耗水分子 因此充 放电过程中电解液浓度变化很小 不能用密度 计检测充放电程度 3 端电压 充足电后 立即断开充电电路 镍镉蓄电池的电动势可达 1 5V 左右 但很快就下降到 1 31 1 36V 镍 镉蓄电池的端电压随充放电过程而变化 可用下式表示 U 充 E 充 I 充 R 内 U 放 E 放 I 放 R 内 从上式可以看出 充电时 电池的端电压比放电时高 而且充电电流越大 端电压越高 放电电流越大 端电压越低 当镍镉蓄电池以标准放电电流放电时 平均工作电压为 1 2V 采用 8h 率放电时 蓄电池的端电压下降 到 1 1V 后 电池即放完电 4 容量和影响容量的主要因素 蓄电池充足电后 在一定放电条件下 放至规定的终止电压时 电池放出的总容量称为电池的额定容量 容量 Q 用放电电流与放电时间的乘积来表示 表示式如下 Q It Ah 镍镉蓄电池容量与下列因素有关 活性物质的数量 放电率 电解液 放电电流直接影响放电终止电压 在规定的放电终止电压下 放电电流越大 蓄电池的容量越小 使用不同成分的电解液 对蓄电池的容量和寿命有一定的影响 通常 在高温环境下 为了提高电池容量 常在电解液中添加少量氢氧化锂 组成混合溶液 实验证明 每升电解液中加入 15 20g 含水氢氧化锂 在常温下 容量可提高 4 5 在 40 时 容量可提高 20 然而 电解液中锂离子的含量过多 不仅使电解液的电阻增大 还会使残留在正极板上的锂离子 Li 慢慢渗入晶格内部 对正极的化学变 化产生有害影响 电解液的温度对蓄电池的容量影响较大 这是因为随着电解液温度升高 极板活性物质的化学反应也逐步 改善 电解液中的有害杂质越多 蓄电池的容量越小 主要的有害杂质是碳酸盐和硫酸盐 它们能使电 解液的电阻增大 并且低温时容易结晶 堵塞极板微孔 使蓄电池容量显著下降 此外 碳酸根离子还能 与负极板作用 生成碳酸镉附着在负极板表面上 从而引起导电不良 使蓄电池内阻增大 容量下降 5 内阻 镍镉蓄电池的内阻与电解液的导电率 极板结构及其面积有关 而电解液的导电率又与密度和温度有关 电池的内阻主要由电解液的电阻决定 氢氧化钾和氢氧化钠溶液的电阻系数随密度而变 18 时氢氧化 钾溶液和氢氧化钠溶液的电阻系数最小 6 效率与寿命 在正常使用的条件下 镍镉电池的容量效率 Ah 为 67 75 电能效率 Wh 为 55 65 循环 寿命约为 2000 次 容量效率 Ah 和电能效率 Wh 计算公式如下 I 放t 放 Ah X 100 I 充t 充 U 放I 放t 放 Ah X 100 U 充I 充t U 充和 U 放应取平均电压 7 记忆效应 镍镉电池使用过程中 如果电量没有全部放完就开始充电 下次再放电时 就不能放出全部电量 比如 镍镉电池只放出 80 的电量后就开始充电 充足电后 该电池也只能放出 80 的电量 这种现象称为 记忆效应 电池全部放完电后 极板上的结晶体很小 电池部分放电后 氢氧化亚镍没有完全变为氢氧化镍 剩余的 氢氧化亚镍将结合在一起 形成较大的结晶体 结晶体变大是镍镉电池产生记忆效应的主要原因 镍氢电池的工作原理 镍氢电池和同体积的镍镉电池相比 容量增加一倍 充放电循环寿命也较长 并且无记忆效应 镍氢电池 正极的活性物质为 NiOOH 放电时 和 Ni OH 2 充电时 负极板的活性物质为 H2 放电时 和 H2O 充电时 电解液采用 30 的氢氧化钾溶液 充电时 负极析出氢气 贮存在容器中 正极由氢 氧化亚镍变成氢氧化镍 NiOOH 和 H2O 放电时氢气在负极上被消耗掉 正极由氢氧化镍变成氢氧化 亚镍 蓄电池过量充电时 正极板析出氧气 负极板析出氢气 由于有催化剂的氢电极面积大 而且氢气 能够随时扩散到氢电极表面 因此 氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水 使容器内的气体 压力保持不变 这种再化合的速率很快 可以使蓄电池内部氧气的浓度 不超过千分之几 从以上各反应式可以看出 镍氢电池的反应与镍镉电池相似 只是负极充放电过程中生成物不同 从后两 个反应式可以看出 镍氢电池也可以做成密封型结构 镍氢电池的电解液多采用 KOH 水溶液 并加入少 量的 LiOH 隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等 为了防止充电过程后期电池内压过高 电池中 装有防爆装置 电池充电特性 当恒定电流刚充入放完电的电池时 由于电池内阻产生压降 所以电池电压很快上升 A 点 此后 电 池开始接受电荷 电池电压以较低的速率持续上升 在这个范围内 AB 之间 电化学反应以一定的速 率产生氧气 同时氧气也以同样的速率与氢气化合 因此 电池内部的温度和气体压力都很低 电池充电 过程中 产生的氧气高于复合的氧气时 电池内压力升高 电池内的正常压力 大约为 1 磅力 英寸 2 过充电时 根据充电速率 电池内部压力将很快上升到 100 磅力 英寸 2 或者更高 研究蓄电池的各种充 电方法时 镍镉电池内产生的气体是一个重要问题 气泡聚集在极板表面 将减小极板表面参与化学反应 的面积并且增加电池的内阻 过充电时 电池内产生的大量气体 如果不能很快复合 电池内部的压力就 会显著增加 这样将损伤电池 此外 压力过大时 密封电池将打开放气孔 从而使电解液逸散 若电解 液反复通过放气孔逸散 电解液的粘稠性增大 极板间离子的传输变得困难 因此电池的内阻增加 容量 下降 经过一定时间后 C 点 电解液中开始产生气泡 这些气泡聚集在极板表面 使极板的有效面积减小 所以电池的内阻抗增加 电池电压开始较快上升 这是接近充足电的信号 充足电后 充入电池的电流不是转换为电池的贮能 而是在正极板上产生氧气超电位 氧气是由于电解液 电解而产生的 不是由于氢氧化镉还原为镉而产生的 在氢氧化钾和水组成的电解液中 氢氧离子变成氧 水和自由电子 反应式为 4OH O2 2H2O 4e 虽然电解液产生的氧气能很快在负极板表面的电解液中复合 但是电池的温度仍显著升高 此外由于充电 电流用来产生氧气 所以电池内的压力也升高 由于从大量的氢氧离子中比从很少的氢氧化镉中更容易分解出氧气 所以电池内的温度急剧上升 这样就 使电池电压下降 因此电池电压曲线出现峰值 D 点 电解液中 氧气的产生和复合是放热反应 电池过充电时 E 点 不停地产生氧气 从而使电池内的温度 和压力升高 如果强制排出气体 将引起电解液减少 电池容量下降并损伤电池 若气体不能很快排出 电池将会爆炸 采用低速率恒流涓流充电时 电池内将产生枝晶 这些枝晶能够通过隔板在极板之间扩散 在扩散较严重 的情况下 这些枝晶会造成电池部分或全部短路 充电过程与充电方法 电池的充电过程通常可分为预充电 快速充电 补足充电 涓流充电四个阶段 对长期不用的或新电池充电时 一开始就采用快速充电 会影响电池的寿命 因此 这种电池应先用小电 流充电 使其满足一定的充电条件 这个阶段称为预充电 快速充电就是用大电流充电 迅速恢复电池电能 快速充电速率一般在 1C 以上 快速充时间由电池容量 和充电速率决定 为了避免过充电 一些充电器采用小电流充电 镍镉电池正常充电时 可以接受 C 10 或更低的充电速率 这样充电时间要 10h 以上 采用小电流充电 电池内不会产生过多的气体 电池温度也不会过高 只要 电池接到充电器上 低速率恒流充电器就能对电池提供很小的涓流充电电流 电池采用小电流充电时 电 池内产生的热量可以自然散去 涓流充电器的主要问题是充电速度太慢 例如 容量为 1Ah 的电池 采用 C 10 充电速率时 充电时间 要 10h 以上 此外 电池采用低充电速率反复充电时 还会产生枝晶 大部分涓流充电器中 都没有任 何电压或温度反馈控制 因而不能保证电池充足电后 立即关断充电器 快速充电分恒流充电和脉冲充电两种 恒流充电就是以恒定电流对电流充电 脉冲充电则是首先用脉冲电 流对电池充电 然后让电池放电 如此循环 电池脉冲的幅值很大 宽度很窄 通常放电脉冲的幅值为充 电脉冲的 3 倍左右 虽然放电脉冲的幅值与电池容量有关 但是 与充电电流幅值的比值保持不变 充电 过程中 镍镉电池中的氢氧化镍还原为氢氧化亚镍 氢氧化镉还原为镉 在这个过程中产生的气泡 聚集 在极板两边 这样就会减小极板的有效面积 使极板的内阻增大 由于极板的有效面积变小 充入全部电 量所需的时间增加 加入放电脉冲后 气泡离开极板并与负极板上的氧复合 这个去极化过程减小了电池的内部压力 温度和 内阻 同时 充入电池的大部分电荷都转换为化学能 而不会转变为气体和热量 充放电脉冲宽度的选择应能保证极板恢复原来的晶体结构 从而消除记忆效应 采用放电去极化措施后 可以提高充电效率并且允许大电流快速充电 采用某些快速充电止法时 快速充电终止后 电池并未充足电 为了保证充入 100 的电量 还应加入 补足充电过程 补足充电速率一般不超过 0 3C 在补足充电过程中 温度会继续上升 当温度超过规定 的极限时 充电器转入涓流充电状态 存放时 镍镉电池的电量将按 C 30 到 C 50 的放电速率减小 为了补偿电池因自放电而损失的电量 补 足充电结束后 充电器应自动转入涓流电过程 涓流充电也称为维护充电 根据电池的自放电特性 涓流 充电速率一般都很低 只要电池接在充电器上并且充电器接通电源 在维护充电状态下 充电器将以某一 充电速率给电池补充电荷 这样可使电池总处于充足电状态 快速充电终止控制方法 采用快速充电法时 充电电流为常规充电电流的几十倍 充足电后 如果不及时停止快速充电 电池的温 度和内部压力将迅速上升 内部压力过大时 密封电池将打开放气孔 从而使电解液逸散 造成电解液的 粘稠性增大 电池的内阻增大 容量下降 从镍镉电池快速充电特性可以看出 充足电后 电池电压开始下降 电池的温度和内部压力迅速上升 为 了保证电池充足电又不过充电 可以采用定时控制 电压控制和温度控制待多种方法 1 定时控制 采用 1 25C 充电速率时 电池 1h 可充足 采用 2 5C 充电速率时 30min 可充足 因此 根据电池的 容量和充电电流 很容易确定所需的充电时间 这种控制方法最简单 但是由于电池的起始充电状态不完 全相同 有的电池充不足 有的电池过充电 因此 只有充电速率小于 0 3C 时 才允许采用这种方法 2 电压控制 在电压控制法中 最容易检测的是电池的最高电压 常用的电压控制法有 最高电压 Vmax 从充电特性曲线可以看出 电池电压达到最大值时 电池即充足电 充电过程中 当电池电压达到规定值后 应立即停止快速充电 这种控制方法的缺点是 电池充足电的最高电压随环境 温度 充电速率而变 而且电池组中各单体电池的最高充电压也有差别 因此采用这种方法不可能非常准 确地判断电池已足充电 电压负增量 V 由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关 而且不受环境温度和充电速率等 因素影响 因此可以比较准确地判断电池已充足电 这种控制方法的缺点是 电池电压出现负增量后 电 池已经过充电 因此电池的温度较高 此外镍氢电池充足电后 电池电压要经过较长时间 才出现负增量 过充电较严重 因此 这种控制方法主要适用于镍镉电池 电压零增量 0 V 镍氢电池充电器中 为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池 通常采 用 0 V 控制法 这种方法的缺点是 充足电以前 电池电压在某一段时间内可能变化很小 从而造成过 早地停止快速充电 为此 目前大多数镍氢电池快速充电器都采用高灵敏 0 V 检测 当电池电压略有 降低时 立即停止快速充电 3 温度控制 为了避免损坏电池 电池温度过低时不能开始快速充电 电池温度上升到规定数值后 必须立即停止快速 充电 常用的温度控制方法有 最高温度 Tmax 充电过程中 通常当电池温度达到 45 时 应立即停止快速充电 电池的温度可通 过与电池装在一起的热敏电阻来检测 这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长 温度检测有一定滞后 同时 电池的最高工作温度与环境温度有关 当环境温度过低时 充足电后 电池的温度也达不到 45 温升 T 为了消除环境影响 可采用温升控制法 当电池的温升达到规定值后 立即停止快速充电 为了实现温升控制 必须用两只热敏电阻 分别检测电池温度和环境温度 温度变化率 T t 镍氢和镍镉电池充足电后 电池温度迅速上升 而且上升速率 T t 基本相同 当电池温度每分钟上升 1 时 应当立即终止快速充电 这种充电控制方法 近年来被普遍采用 应当说 明 由于热敏电阻的阻值与温度关系是非线性的 因此 为了提高检测精度应设法减小热敏电阻非线性的 影响 最低温度 Tmin 当电池温度低于 10 时 采用大电流快速充电 会影响电池的寿命 在这种情况下 充电器应自动转入涓流充电 待电池的温度上升到 10 后 再转入快速充电 4 综合控制 上述各种控制方法各有优缺点 为了保证在任何情况下 均能准确可靠地控制电池的充电状态 目前快速 充电器中通常采用包括定时控制 电压控制和温度控制的综合控制法 镍镉充电电池应用 基本电学公式 首先来介绍几个很简单的基本电学公式 希望让没有电子方面背景的读者们能对几个物理现象有点概念 电压 V 电流 I x 电阻 R 电荷量 Q 电流 I x 时间 T 功率 P V x I 能量 W P x T Q x V 任何物体都有阻抗 在阻抗两端加上一电位差则会产生电荷流过该阻抗 阻抗越大则单位时间内 一秒 流过 的电荷量越小 阻抗越小则单位时间内流过的电荷量越多 若将电位差增大则单位时间内流过的电荷量越多 将电位差减小则单位时间内流过的电荷量越少 此电位差称之为电压 V 单位为伏特 V 单位时间内流过 的电荷量多寡称之为电流 I 单位为安培 A 阻抗称为电阻 R 单位为欧姆 电流 I 强度越大表示单位 时间内流过的电荷数目越多 那麼在在 T 秒内流过电阻的电荷数目总共有 I x T 用以描述此电荷量多寡的 名词为电荷量 Q 俗称称电量 单位为库仑 Q 电阻消耗的功率 P 为 I x V 单位为瓦特 W 消耗功率越 大代表越耗电 消耗的能量 W 为 P x T 单位为焦耳 J 时间越久消耗能量越大 同样时间消耗功率越大的消耗能量也越大 例如 一颗 1 5V 的乾电池接上 0 5 的灯泡时 消耗电流为 3A 消耗功率为 4 5W 10 秒钟内共流过了 30 库仑的电荷 消耗了 45 焦耳的能量 镍镉电池 的材料电池的分类有很多种 在化学电池中不可充电用完就扔掉的电池称为一次电池 可以多次充 电再使用的电池称为二次电池 而镍镉电池是属於二次电池中碱性蓄电池的一种 镍镉电池在材料方面阳极 是使用过氧氢氧化镍 阴极使用镉化合物之活性物质 电解液则是使用氢氧化钾等碱性水溶液 当对 镍镉电 池 充电时 会在阳极上面产生氢氧化镍 在阴极上面产生金属镉 因而在两极间形成了电位差 将 镍镉电池 的阳极和阴极两端外接负载放电时 阴极端产生带负电的电子经由外接负载流向阳极 因此提供能量供外部 负载消耗 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 为了避免过度充电电池遭毁损 通常将阴极之容量制作得比阳极容量大 如此当过度充电时阳极会先达到饱 和并产生氧气 而阴极却未饱和而不会产生氢气 阳极产生的氧气扩散到阴极之后会与充电产生的金属镉起 化学反应吸收掉氧气 且此反应的速度与金属镉产生的速度平衡 因此可以有效地避免电池的压力上升 但是 若充电电流过大 使用快充时 就会失去平衡 电池的内压过大会将电池的安全阀推开 氢气和氧气会泄漏到 电池外部 直到压力降低安全阀关闭电池才又再密封起来 但是气体的泄漏已使得内部化学材料减少 造成电 池寿命的缩短 充电电压的变化 电池过度充电时 因为阳极产生的氧气与阴极起化学反应会产生热 使得电池温度会上升外壳发烫 由於温度 越高电池的充电电压会变得比较低 因此充电时电池电压会持续上升直到过度充电时 电池温度会突然地快 速上升 电压不再上升转而由峰值开始下降 标称电压 镍镉电池在标准放电条件下放电时 电压会缓缓地下降直到当电量几乎释放完时 电压会大幅度地下降 此电 压值称之为标称电压 一般 镍镉电池 的标称电压为 1 2V 与一般乾电池标注的 1 5V 是相同意思 都是标 注於电池外壳上面 镍镉电池只要有电量电压值一定至少在标称电压 1 2V 以上 储存的电量越多电压也越 高 放电终止电压 电池在放电时其电压会随著电池电量的减少而逐渐降低 当电压降到所要求的准位时就不再让它继续放电 称为放电终止 而此电压准位称之为放电终止电压 通常厂商建议的放电终止电压约在 0 9V 1 1V 左右 电压放电到此准位时电量几乎已经放光了 此状况称为完全放电 镍镉电池已经完全放电了还不移掉负载而 让它继续放电下去 那麼就成了过度放电 电压会急速下降直到 0V 为止 若电压尚未降到 0V 左右就终止放 电 则电池电压会自动快速回升到标称电压 1 2V 左右 过度放电 镍镉电池的一大致命伤就是被过度放电 将放电终止电压设定在此状况下 不但没有电力可以推动负载 对电 池寿命也会造成损害 而且一旦不慎让电压继续下降到几乎等於 0V 时 就算想终止放电把负载移走恐怕也 来不及了 电池的电压无法再自动回升 一般的充电器也无法再把电充进去 它的电压会一直固定住停留在 0V 不动 此刻的它就像是中风似的瘫痪在那边 就别说折寿了 更是往往一命呜呼哀哉不能再使用了 电池容量的定义 电池的容量系指对电池放电 直到电压降到终止电压为止 在这期间所能取得的放电电荷量 若是在规定的电 流和温度等标准放电条件下 对充饱电的电池进行放电直到放电终止 所得到的容量称之为额定容量 或标 称容量 容量的大小与其所消耗的电极材料之活性物质的量有关 而标准放电条件则是依照电池种类的不 同有所规定 容量是根据电池的放电反应来定义 而非充电反应来定义 因此我们常说的电池容量有多大 是 指放电时可得到的累积放电电荷量有多少 而非充电时流进去的电荷量有多少 电池容量的表示法 电池的容量的大小 可以用 放电电流 x 电压降到放电终止电压所经之放电时间 计算后所得到的值来表 示 之前所介绍的基本电学公式中 电量为电流 x 时间 单位是库仑 Q 电池若以多少库仑来表示电池容量 的话 可能是比较不好理解 因此电池的容量都是把电流 x 时间的值 直接以 C IT 单位以 mAh 或 Ah 来 表示 其中 C 是容量 与库仑是同意义 I 是电流 A 是安培 mA 表示电流大小为豪安 千分之一安培 A h 代表小时 hour 也就是说以千分之一安培的电流放电一小时所累积的放电量为 1mAh 因此 C I x T 多少 mAh mAh 就是库仑的等效表示方式 通常电池的外壳包装上面都会标明电池的额定容量 用来表示该电池的最大容量 新的镍镉电池在第一次充 放电时容量都可以达额定容量 但容量会随著充放电次数的增加而减少 例子 以 1 安培电流放电需要二小时才能将电池电量放光 那麼电池容量约为 2000 mAh 若将电池容量以 库仑来表示的话 那麼 C I x T 1A x 7200 sec 7200 库伦 您是不是也发现用 2000 mah 来表示 比用 7200 库伦来表示比较不空洞而明了多了呢 C 表示式 电池除了以安培 或毫安 做单位来表示电池的充放电流大小之外 也使用英文字母 C capacity 来当作额 定容量 电流 x 时间 之电流部分 以它做为电流大小衡量的单位 比如说额定容量 600mAh 的电池 C 就是 600mA 的意思 所以电流 1C 就是 600mA 电流 2C 就是 1 2mA 电流 0 1C 就是 60mA 以后购买电池 时若在规格上找不到充放电流的安培数时 请先别著急 别忘了找找看有没有写著多少 C 喔 充放电率 所谓充 放 电率是将全部容量的电荷放 充 完所需要的时间 做为充 放 电时的标准速度 一般用来说明放 充 电的速度是多少 比如说二小时率的放电 是指用 0 5C 的电流 在二个小时的时间将电池全部容量放完 20 分钟率表示用 3C 的电流在 20 分钟内将电池额定电量全部放完 在厂商的电池规格书上面 也常使用小 时率来表示标准放电时间 只要根据额定容量来换算就知道标准放电电流是多少了 通常厂商提供的规格上 额定容量是以温度 20 而放电是以 5 小时率 0 2C 的条件来量测 充电效率 电池不可能充多少电量进去就能储存有多少电量 一定会有所耗损 除了阳极和阴极漏电间的绝缘体漏电之 外 材料也不可能无瑕地储存所有电量 电池放电时取出的电量与充电时流进去电池的电量之比 称之为充电 效率 通常电池厂商都是建议充电量必须为额定容量的 1 5 倍 才能将电池充饱 也就是说若以 0 1C 的电 流充电需要充 15 小时 以 3C 的电流充电需要充半小时 虽理论填充量是额定容量的 1 5 倍 但实际填充量 差不多刚好为额定容量 利用率 虽然理论上电池的额定容量很大 但实际上充饱电后再放电时可得到的电量却往往小於理论容量 表示电池 可储存的实际储存容量并没有那麼大 此实际容量相对於理论容量的比率称之为利用率 通常电池的放电电 流越大 或者周遭温度降低时 利用率会减小 放电深度 电池放电时所放电量与所储存电量的比率称之为放电深度 比百分比表示 例如放电深度 20 表示电量放 电到剩下 80 电量的程度 周期寿命 通常镍镉电池在应用上都是拿来做反覆充电与放电的周期性工作 电池的寿命是有限的 容量不可能一直保 持而不下降 在一定的工作条件之下反覆充放电之后 电池的容量会下降到额定容量的 80 或定义在 60 此反覆充放电的次数称之为周期寿命 周期寿命越高表示该电池的使用寿命越长 有些电池的参考规格上面 会标明充放电周期 写著放电深度多少时约多少次 意旨周期寿命 随著充放电流 放电深度与其他充放条件 的不同 周期寿命也随著变化 尤其是使用大电流充放电时 一定会有寿命缩短的现象 现在的镍镉电池只要 依照购买时厂商所附的说明正常地使用 通常都可以反覆使用 500 次以上 电池内阻与电压 电池是有内阻的电压源 可以视为是一个理想电压源 没有内阻 串联一电阻输出 未接负载时电池两端量到 的端电压就是理想电压源的电压 称之为开路电压 当电池外接负载时 负载与内阻串联接到理想电压源上 因此负载上所得到的分压也就是电池的端电压 会小於理想电压源的电压 称之为闭路电压 电池的内阻越高 则负载可分得的电压就越小 因此理想的电池是没有内阻 镍镉电池的内部电阻非常的低 一般只有几毫欧姆到数十毫欧姆左右 因此外接大小不同之负载时放电电压 还是很稳定 放电电流曲线很平坦 可以做大电流放电使用 一般乾电池内阻动辄数欧姆 放电电压不稳定放 电电流曲线不平坦 相较之下镍镉电池属於特性较理想的电池 自放电 电池由於内部会起化学反应的关系 内部会自我放电 虽未外接负载但是电池所储存的电量会随著时间而逐 渐消失 自我放电的速度称为自我放电率 周遭温度越高时自我放电电流也越大 根据专家实验的结果 镍镉 电池在 0 时约三个月会放电 20 使残余容量剩下 80 在 20 时一个月约放电 25 三个月放电 40 若温度越高 45 时 一个月就已经放掉 70 的容量了 因此 在夏天电池充饱电后只要短短几天的时间 容 量就剩下 80 甚至 50 了 难怪专家建议 最好的保存方法就是将电池密闭包装妥当后置於冰箱中冷藏 不能受潮 不是没有道理的 连续放电与间歇放电 连续放电是指电池在放电过程中不中断 持续放电直到电池的电压降至放电终止电压才停止 间歇放电则是 指放电过程中电池与负载之间的电流通路断断续续 时而导通时而断路 直到电池的电压降至放电终止电压 为止 电池在放电过程中电压会慢慢地持续下降 若过程中暂时停止放电则电压会马上上升回复到某一准位 才停止 若再继续放电则电压又从该准位开始下降 连续放电方式的实际放电时间与放电期间是相同的 而 间歇放电的实际放电时间则是放电期间电流通路导通的时间片段累积和 比较相同容量的电池以两种方式 进行放电时 在同样的终止电压下 由於电池电压会回复的关系 间歇放电方式的实际放电时间会比连续放电 的实际放电时间还长 且间歇放电方式所释放的容量也比连续放电方式的放电容量还多 一般的电池都有上述现象 使用大电流来放电时放电容量会无形中减少了许多 而使用间接放电方式会比连 续放电方式多出更多容量 尤其当电池外接重负载 负载电阻越小 时差异现象越是明显 镍镉电池的内阻小 短路电流大放电曲线平坦特性佳 一般情况使用连续放电与间歇放电时容量差异不大 但是电动枪的马达在 由静止开始运转启动之际 阻抗非常的低是属於重负载 电池的放电电流相当的大 间歇放电方式产生的效果 就非常明显了 根据经验电动枪使用全自动射击时 往往打没几百发电池就令人错愕的没电了 这与广告上所号称的可连续 射击 1000 发的吹嘘差异甚远 不知是电池品质不好还是怎样 年纪轻轻的还没被你摧残就欲振乏力 或者开 始怀疑电枪的 mecabox 内部有问题 但是若您愿意尝试克制一点不要那麼兴奋 尽量使用单发射击而少用 全自动胡乱扫射挥霍 BB 弹的话 您会发现您的电池还可以打个好几百发没问题 电池品质好不好也可以从 发射弹量来做比较客观地的分析 温度对电池的影响 镍镉电池是靠化学物质的反应来动作 化学材料往往会自我消耗 在温度高的环境下自我消耗的情形会较严 重 容量会降低 也可能会有漏液与生锈的情形 在高温下进行充放电更是会对电池造成破坏降低寿命 镍镉 电池可稳定工作的温度范围还算很广 充电约 0 45 放电约 20 60 保存约 30 45 平常最 好保存於较冷但不潮湿的地方 温度对於电池的寿命以及充放电特性影响很大 充放电时若环境温度越高 则电池的材质受到破坏 极版之活 性物质的功能降低使容量减小 阳极阴极隔离版间的隔离版绝缘降低造成短路 且温度升高电池之电压也变 得较低 充放电效率降低了许多 电池的容量大大地减少 因此除非使用的 镍镉电池 是耐热型的 否则充放 电时应留意电池的温度 不要使用过大之电流充放电以免温度过高 充电方式 镍镉电池若不以当备用电源为用途 而是以反覆性的充电和放电来使用时 根据电流的大小可以把电池的充 电方式分为标准充电与急速充电 快充 两种 标准充电是指参考电池额定容量以 0 1C 的电流 对电池作 14 16 小时的充电 也就是说充电容量大约是电池额定容量的 1 5 倍时可以将电池几乎完全充饱 急速充 电是使用较大的电流充电 并且在充电末期对电压与电流加以控制防止过充电 急速充电的电流大小一般约 在 0 3C 左右 使能够在 4 6 小时完成充电 现在有些超急速型的电池 能以 1 5C 或更大电流做超急速充 电 在不到一小时的极短时间内完成 充电动作 一般型的镍镉电池若以快充方式来充时 产生的气体无法快速吸收会严重的影响电池寿命 虽然标准充电方 式耗时数小时 为了电池能用久一点好是遵照此方式来充比较好 快充型的电池是比较能能够承受大电流 不 过使用大电流充电对电池而言绝对是没有好处 不同厂牌之电池的品质良劣参差不齐 对使用者而言厂商标 榜的规格是否有夸大事实并无从得知 除非该电池之性能口碑值得信赖 否则时间不催促的话最好是以标准 方式来充 使用在急速充电里预防过充电的侦测方法 比较常见的有定电压控制 温度上升控制以及控制 或者三种方式 混合使用 定电压控制 当侦测到电池电压上升到设定的电压准位时就停止充电 这种方式是最简单的方式 只要根据电池特性知道 电池的电压上升曲线 就可以将侦测电压设为最接近充饱时的准位 不同款式的电池充饱时之电压准位不大 一样 新旧电池特性也不一样 用此方法比较无法设定理想电压 这种方式虽然简单但也相当危险 前面说过 温度较高时电池电压会降低 以大电流充电更是会提高电池温度 如此电池有可能已经充饱但是电压却尚未 达到设定的准位 且电池充饱后电压不再上升而开始下降 如此的过充电后果相当严重 若加上电池发生内部 短路充电器未具备保护电路时 一旦电流过大造成危险后果不堪设想 因此在此方式进行充电期间 使用者必 须加以留意 温度上升控制 电池容量充到饱和时产生的氧气会在阴极和镉反应产生氧化热 电池的温度会开始快速上升 利用此现象侦 测到温度到达某程度时既结束充电 在同样的充电量下充电电流越大此上升的温度也越高 因此若充电电流 过大时 达到预定之温度时电池可能尚未饱和 但是电流若太小 则氧化吸收快温度就不会明显上升 充电动 作就会一直持续下去而不知终止 此外这种方式会受周遭温度影响 无法判别电池的温度是内部自行产生的 化学热 还是由周遭环境引起的高温而误判 因此此方式在高温的环境下会充电不足而低温的环境会充电过 度 控制 充电时电池的电压会随著充电容量的增加而升高 当充电容量达到饱和时 电压上升到峰值 并转而开始缓慢 下降 利用此电压下降的特性可以用来控制充电终止 待电压下降幅度达到时即停止充电 通常 1 2V 的镍镉 电池其下降幅度差不多会有 20mV 以上 实际之数据得参考电池规格 在充电过程可以以电表明显的观察 出来 电池电压的充电曲线受到充电电流与温度的影响 在同样的充电容量下 电流越大或温度越低时 电压 上升的幅度较大 下降的幅度也比较明显 电流越小或温度越高时 电压上升的幅度较小 下降的幅度也较为 平坦不易分辨 因此控制方式比较适用在急速充电的方式里 且为了避免温度的影响使侦测失灵 通常配合温 度上升控制使用 以防止过充电 镍镉电池若经保存过久未使用 或者已经日薄西山 那麼初次再行充电的前几分钟 会发生电压不但充上去且 还往下降的情形然后再上升的情形 因而造成的误判而终止充电 控制方式是较佳的控制方式 特性不同的电 池仍能可利用的特性来对电池作完全充电 比较不用再担心电压控制设或温度设定出问题而伤害电池 目前许多高级的微电脑控