电池基本知识-赵金龙

电池知识培训 培训人 赵金龙 目录 一 电池定义二 化学电源的基本结构三 衡量电池的几个重要参数四 电池发展历史五 电池的种类1 依外形区分2 按照工作性质分类2 1原电池 一次电池 2 1 1锌锰干电池2 1 2碱性锌锰电池2 1 3锌银电池2 2蓄电池2 2 1铅酸电池2 2 2镍镉电池2 2 3镍氢电池2 2 4锂离子电池2 3贮备电池2 4燃料电池六 电池使用寿命 目录 一 电池的定义 电池 是将化学能 光能 热能 核能等直接转换为电能的装置 电池就是一种能量存储与转化的装置将化学能转化为电能的装置叫化学电源 也就是我们常规所说的电池 本文只针对化学电源做介绍 二 电池的基本结构 组成化学电源必须具备的结构及最基本的作用 1 正极 电池的核心部分 由活性物质和导电骨架组成 决定电池的基本特性 与负极搭配产生容量与电压 2 负极 电池的核心部分 由活性物质和导电骨架组成决定电池的基本特性 与正极搭配产生容量与电压 3 电解质 正负极间物质 能量传输 电池充放电时或参与反应 4 隔膜 分隔正负极 电池充放电时不参与反应 5 外壳 电池的容器 维持电池内部稳定的体系 减少外部环境的干扰 三 衡量电池的几个重要参数 描述单只电池电性能的基本参数有 1 容量2 内阻3 电压4 循环寿命 二次电池 5 自放电性能 1 容量 电池容量是指在一定的放电制度下 即一定的I放 T放 V放 电池所给出的电量 电池容量的单位是mAh或者是Ah 1Ah 1000mAhmAh是一个电量单位 1Ah 3600C电量是电池性能的一个非常重要的参数 同电压的情况下 容量越高 一次充电后 电池的工作时间越长 容量可以通过对同类型同容量电池进行并联组装而成倍的提高 2 内阻 内阻是指电流通过电池内部时受到的阻力 它包括欧姆内阻和极化内阻 内阻的单位是欧姆 欧姆内阻是由电解液电阻 极片电阻 隔膜纸电阻 和导流体电阻相加而得 其中隔膜纸的电阻是它本身不规则的微孔阻挡离子迁移造成的电阻 同时又与隔膜材料的成分 孔径 孔率相关 此外 电池的欧姆内阻还与电池形状 尺寸 结构 装配等因素有关极化内阻是电池产生极化 充放电 时产生的阻力 它是浓度极化和电化学极化所引起的电阻之和 电池内阻测试可分为交流内阻 RAC 和直流内阻 RDC RAC 利用电池等效于一个有源电阻的特点 给电池一个1000HZ 50mA的恒定电流 对其电压采样整流滤波等一系列处理从而精确地测量其阻值RDC 测直流内阻时由于电极极化 产生极化内阻 故无法测出其真实值 而测其交流内阻可免除极化内阻的影响 得出真实的内值 3 电压 电池是把化学能转化成电能的装置 但是不同的电池 制造的材料是不同的 把同样多的电荷从负极移动到正极所做的功是一般是不同的 非静电力做功越多 把化学能转化成电能的本领就越大 电源的这种本领叫电池电动势 电池电压实际上是指的电源电动势 非静电力把正电荷从负极移动到正极所做的功跟被移动电量的比值 叫电源电动势 电压的单位是V这是电池的另一个非常重要的参数 电池的电压与电池池的种类有关系 也就是与制造电池的材料有关系 电压可以通过用同类型同容量的电池进行串联组装成倍的提高 4 循环寿命 只是针对二次电池而言电池循环寿命是指电池在一定的充放电条件下 电池容量降到某一规定值前所经历的充放电次数 可以理解为二次电池的使用次数或使用寿命 5 自放电 电池的自放电是指电池在开路的时候自动放电的现象 电池发生自放电将直接降低电池可以供输出的电量 使容量降低 自放电的产生的原因很多 主要是电池的两个电极各自发生了氧化还原反应的结果 四 电池发展历史 1932年 在伊拉克首都巴格达附近发现了已有两千多年历史的 罐状电池 人称 巴格达电池 后经研究证明 巴格达电池 并非电池 而是一种利用电化学原理进行电镀的器材 1780年 意大利科学家伽伐尼在解剖青蛙时偶然发现与金属接触的蛙腿会发生抽动 若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉 则当两种金属相碰时 蛙腿也会发生抽动 伽伐尼认为这是一种 动物电 现象 1799年 意大利科学家伏打在实验中发现 把一块锌板和一块银板浸在盐水里 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 用这种方法伏打成功地制成发世界上第一个电池 伏打电堆 1859年GastonPlant 发明可充电的铅酸电池1888年Dr Gassner开发出第一个干电池 1896年在美国批量生产干电池1899年WaldmarJungner发明镍镉电池1911年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池 上海交通部电池厂 1914年ThomasEdison发明碱性电池1947年Neumann开发出密封镍镉电池1956年我国建设第一个镍镉电池工厂 风云器材厂 755厂 1976年PhilipsResearch的科学家发明镍氢电池1987前我国商业化生产一次锂电池1990前后镍氢电池商业化生产 1991年Sony 可充电锂离子电池商业化生产1995年我国镍氢电池商业化生产初具规模1999年可充电锂聚合物电池商业化生产2000年我国锂离子电池商业化生产 五 电池的种类 1 依外形区分一般圆柱形例 1号 D 2号 C 5号 AA 7号 AAA 等 适用于一般电子商品 钮扣形例 锌银电池 适用于电子表 助听器等 方形例 9V电池 适用于无线麦克风 玩具等 薄片形例 太阳能电池板 适用于计算机 户外建物 2 按照工作性质分类 2 1 原电池 一次电池 2 2 蓄电池 二次电池 2 3 贮备电池2 4 燃料电池 连续电池 下面主要针对前两种 在我们日常生活中会用到的电池做初步的介绍 2 1 原电池 一次电池 指电池在放电后不能用简单的充电方法使活性物质复原而继续使用的电池 如 锌锰电池 锌锰干电池及锌锰碱性电池 锂锰电池 锌空电池 一次锌银电池等 制造最早而至今仍大量生产的原电池 有圆柱型和叠层型两种结构 其特点是使用方便 价格低廉 原材料来源丰富 适合大量自动化生产 但放电电压不够平稳 容量受放电率影响较大 适于中小放电率和间歇放电使用 2 1 1锌锰干电池 常用的一种是碳 锌干电池 负极是锌做的圆筒 内有氯化铵作为电解质 少量氯化锌 惰性填料及水调成的糊状电解质 正极是四周裹以掺有二氧化锰的糊状电解质的一根碳棒 电动势约为1 5伏 新型锌锰干电池采用高浓度氯化锌电解液 优良的二氧化锰粉和纸板浆层结构 使容量和寿命均提高一倍 并改善了密封性能 2 1 2碱性锌锰电池 亦称为碱性干电池 碱性电池 碱锰电池 圆柱型碱性锌锰电池 是锌锰电池系列中性能最优的品种 虽然圆柱型碱性锌锰电池的电压与普通电池的相同 均为1 5伏 但由于碱性电池在结构上采用与普通电池相反的电极结构 增大了正负极间的相对面积 而且用高导电性的氢氧化钾溶液 负极锌也由片状改变成粒状 加之采用高性能的电解锰粉 所以电性能得以很大提高 一般的 同等型号的碱锰电池是普通电池的放电时间的3 7倍 低温性能两者差距更大 碱锰电池更适用大电流连续放电和要求高的工作电压的用电场合 特别适用于照相机 闪光灯 剃须刀 电动玩具 CD机 大功率遥控器等 碱性电池是最成功的高容量干电池 也是目前最具性能价格比的电池之一 外观图 碱性电池外壳一般由08F镀镍钢带经冷轧冲压制成 同时兼作正极集流体 电解二氧化锰正极材料压成圆环紧贴在柱体内壁 以保证良好的接触 其负极采用粉状锌粒并制成膏剂 处于电池的中间 其间插入负极集流体 负极一般为铜钉 集流体与负极底部相连 在电池内部 正极间用隔膜 隔离层 隔开 其外部用尼龙或聚丙烯密封圈隔开 同时实现电池的密封 电池外部与一般电池几乎相同 2 1 3锌银电池 锌银电池可做成原电池 蓄电池等不同形式 其外型常见有矩形 圆柱形和纽扣形三种 最普通的锌银电池的正极是氧化银加石墨 负极材料是金属锌 电解质是强碱氢氧化钾 锌银电池的优点在于放电电压稳定 连续使用性能好 锌银电池也可以制成可充电的二次电池组 这种电池有短时间提供大电流放电的能力 放电时 锌极上的电极反应 Zn 2OH Zn OH 2 2e 氧化银电极上的电极反应是 Ag2O H2O 2e 2Ag 2OH 总反应式为 Ag2O H2O Zn Zn OH 2 2Ag 2 2 蓄电池 蓄电池是指电池在放电之后可通过充电的方式使活性物质复原而继续使用的电池 而这种充放电可以达到数十次 上千次循环 如 铅酸电池 镍镉电池 镍氢电池 锌银蓄电池 锂离子电池等 2 2 1铅酸电池 最为常用 其极板是用铅合金制成的格栅 电解液为稀硫酸 两极板均覆盖有硫酸铅 但充电后 正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅 负极处硫酸铅转变成金属铅 放电时 则发生反方向的化学反应 铅蓄电池的电动势约为2伏 常用串联方式组成6伏或12伏的蓄电池组 电池放电时硫酸浓度减小 铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定 缺点是比能量 单位重量所蓄电能 小 对环境腐蚀性强 由正极板 负极板 电解液和容器 电槽 等组成 2 2 2镍镉电池 镍镉电池 是最早应用于手机 笔记本电脑等设备的电池种类 它具有良好的大电流放电特性 耐过充放电能力强 维护简单 一般使用以下反应放电 Cd 2NiO OH 2H2O 2Ni OH 2 Cd OH 2充电时反应相反 镍镉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 镍镉电池的组装结构与镍氢电池相同 在镍氢电池一节中会有介绍 镍镉电池最致命的缺点 1 在充放电过程中如果处理不当 会出现严重的 记忆效应 使得服务寿命大大缩短 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 我们可以通过掌握合理的充放电方法来减轻 记忆效应 2 镉是有毒的重金属 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 镍氢电池是一种绿色环保的电池 具有容量高 功率大 无污染等特点 与镍镉电池比较 容量提高了50 以上 2 2 3镍氢电池 镍氢电池组成材料 镍氢电池和镍镉电池外形上相似 而且镍氢电池的正极与镍镉电池也基本相同 都是以氢氧化镍为正极 主要区别在于镍镉电池负极板采用的是镉活性物质 而镍氢电池是以高能贮氢合金为负极 因此镍氢电池具有更大的能量 同时镍氢电池在电化学特性方面与镍镉电池基本相似 故镍氢电池在使用时可完全替代镍镉电池 而不需要对设备进行任何改造 镍氢电池反应原理图 电池结构简图 单只镍氢电池生产流程图 我司镍氢电池按照用途分类 镍氢电池和镍镉电池的工作电压是一至的 都是号称1 2V 可以完全替代同外观的锌锰干电池及碱性锌锰电池 号称电压是1 5V 在选购上要根据用电器的需要来进行 举例来说 像遥控器 收音机 石英钟等用电器工作时的电流很小 买锌锰干电池完全够用 而像一些剃须刀 相机 MP3 电动玩具等工作电流较大的用电器则需要选择碱性锌锰电池或者是镍镉 镍氢电池 从环保上来说镍氢电池是最好的 无汞的锌锰电池也是环保的 镉镍电池中的重金属镉则有毒不环保 使用过程中电池万一发生泄漏 对使用者的身体也有害 使用结束后电池丢弃会对环境造成污染 镍氢电池的充电 充电时间 电池容量 充电器输出电流 1 1 1 3 镍镉电池的充电时间也可以这样计算 2 2 4锂离子电池 锂离子电池 Li ionBatteries 锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称 是由锂电池发展而来 先介绍锂电池 以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池 锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯 负极是锂 电池组装完成后电池即有电压 不需充电 这种电池也可能充电 但循环性能不好 在充放电循环过程中 容易形成锂枝晶 造成电池内部短路 所以一般情况下这种电池是禁止充电的 日本索尼公司发明了以炭材料为负极 以含锂的化合物作正极 没有金属锂只有锂离子 这就是锂离子电池 锂离子电池具有比能量高 电压高 储存寿命长等优点 锂离子电池和锂电池工作原理上的相同之处是都采用了一种能使锂离子嵌入和脱出的金属氧化物或硫化物作为正极 采用一种有机溶剂 无机盐体系作为电解质 锂电池的负极采用金属锂作为负极 充电过程中金属锂会在负极上沉积 形成枝晶 造成电池短路 以致爆炸 未为了克服这个问题 锂离子电池应运而生 组合 锂离子电池以碳素材料为负极 以含锂的化合物作正极 锂离子电池的充放电过程 就是锂离子的嵌入和脱嵌过程 在锂离子的嵌入和脱嵌过程中 同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌 习惯上正极用嵌入或脱嵌表示 而负极用插入或脱插表示 在充放电过程中 锂离子在正 负极之间往返嵌入 脱嵌和插入 脱插 被形象地称为 摇椅电池 正极上发生的反应 LiCoO2 Li1 xCoO2 xLi xe 负极上发生的反应 6C xLi xe LixC6 电池体系为 C LiPF6 EC DEC LiCoO2 充电 放电 放电 充电 锂离子电池目前主要分为以下两类 a 液态锂离子电池 LIB b 聚合物锂离子电池 PLIB 锂离子电池种类 a 液态锂离子电池 LIB 液态锂离子电池是指Li 嵌入化合物为正 负极的二次电池 正极采用锂化合物LiCoO2 LiNiO2或LiMn2O4 负极采用锂 碳层间化合物LixC6 电解质则是有机电解液 无机Li盐 聚合物锂离子电池的原理与液态锂相同 所谓的聚合物锂离子电池是说正极 负极与电解质中至少有一项或一项以上使用高分子材料做为主要的电池系统 而在目前所开发的聚合物锂离子电池系统中 高分子材料主要是被应用于正极及电解质 正极材料包括导电高分子聚合物或一般锂离子电池所采用的无机化合物 电解质则可以使用固态或胶态高分子电解质 或是有机电解液 一般锂离子技术使用液体或胶体电解液 因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分 这就增加了重量 另外也限制了尺寸的灵活性 而聚合物锂离子工艺中没有多余的电解液 因此它更稳定 也不易因电池的过量充电 碰撞或其他损害 以及过量使用而造成危险情况 b 聚合物锂离子电池 PLIB 聚合物锂离子电池可分为三类 1 固体聚合物电解质锂离子电池 电解质为聚合物与盐的混合物 这种电池在常温下的离子电导率低 适于高温使用 2 凝胶聚合物电解质锂离子电池 即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂 从而提高离子电导率 使电池可在常温下使用 3 聚合物正极材料的锂离子电池 采用导电聚合物作为正极材料 其比能量是现有锂离子电池的3倍 是最新一代的锂离子电池 由于用固体电解质代替了液体电解质 与液态锂离子电池相比 聚合物锂离子电池具有可薄形化