3C产品的电池种类介绍.ppt

3C產品的電池種類介紹,主講人:劉進添,3C產品的電池技術,為了因應功能愈來愈強大的3C產品，電池技術也必須要不停地推陳出新，才能供應這一代愈來愈饑渴、愈來愈耗電的3C產品。最常見的四種充電電池-鎳鎘、鎳氫、鋰離子和鋰聚合物到底有什麼不同？各有什麼優點和缺點？在這篇裡嘗試著用網路上找得到的資料來分析給大家聽.此外，若以電池中的電解液的酸鹼度來做區分，則電池的種類又可以被分為鹼性、酸性以及中性電池等。而上面所提及的都是將化學能轉換成電能的電池，如果我們所使用的是太陽能，那就是屬於太陽能電池(solarcell)了。,何謂一次電池,二次電池?,電池的種類：關於電池的分類可以透過電池本身的充放電特性與工作性質大致區分如下：一次電池(primarycell)：僅能被使用一次的電池，無法透過充電的方式再補充已被轉化掉的化學能，故稱為一次電池。此類電池常見的有乾電池、水銀電池與鹼性電池等。一次電池的應用最早也最為廣泛，市面上販售的不可充電電池幾乎皆屬此類，如圖所示的鈕扣型水銀電池、號、號以及號電池等等。二次電池(secondarybattery)：二次電池所指的就是可以被重複使用的電池。透過充電的過程，可以使得電池內的活性物質再度的回復到原來的狀態，因而能再度的提供電力。這類的電池有鉛酸電池(leadacidbattery)、鎳鎘電池(nickelcadmiumbattery)、鎳氫電池(nickelhydrogenbattery)、二次鋰電池(secondarylithiumbattery)，以及鋰離子電池(lithiumionbattery)和高分子鋰電池(polymerlithiumbattery)等。,燃料電池(fuelcell),燃料電池(fuelcell)：與前述兩者有相當大的不同，又被稱為連續電池。特色是陰陽兩極並無活性物質的存在，而是透過外部的系統提供，所以只要持續地提供活性物質，電池就可以持續的放電。在陽極部分，真正進行氧化反應的是空氣或是氧氣；而陰極部分則是以氫或者是煤氣等為主。此類電池如氫氧燃料電池(hydrogenoxygenfuelcell)等。此類電池尚在發展中，且受限於其較大的體積，主要用在發電機組上或最為備用能源。近來由於技術的提昇，有逐漸小型化的趨勢，並運用於電動車輛等領域。燃料電池依電解質的不同，可區分為鹼液型(AFC)、磷酸型(PAFC)、熔融碳酸鹽型(MCFC)、固態氧化物型(SOFC)、質子交換膜型（PEMFC)、直接甲醇型(DMFC)等六種，但反應原理大致相同。,效率高,乾淨,傳統內燃機發電機要將例如煤、燃油、瓦斯等物質的化學能轉變為電能的發電過程，是由燃料混合氧、先轉變為熱能、機械能，再轉變為電能的複雜程序，因此一般只有30%左右的效率。反之，燃料電池的能量轉換效率非常高，它是利用輸入燃料混合氧，不經過轉換機械能便能持續產生熱能及電力，也不須傳統二次電池所需的充放電程序。以氫氣及氧氣為燃料，利用觸媒加速反應速率，燃料電池可直接將化學能轉變為電能，其效率可接近40%，若再包括回收餘熱，效率更可輕易超過65%。而且只要正常使用下，燃料提供無虞，目前依照官方說法並無使用時間上的限制。燃料電池的發電過程幾乎沒有造成任何污染。如果以11百萬瓦燃料電池的發電廠為例，電廠運轉的氮氧化物排放量為1PPM，也沒有硫氧化物及粒狀污染物，比目前最清潔的天然氣發電廠還乾淨，同時具備低噪音、安靜等特色。,FUELCELL,Microfuelcell.Thisprototypemicrofuelcelliscapableofproviding300mWofcontinuouspower.,Thefuelina10mltankis99.5percentpuremethanol.,Fuelcellpoweredbicyclelamp.,The21cccartridgeprovidestheequivalentenergyofabout10AAdisposablealkalinebatteries.Theonlyby-productiswatervapor.Theruntimebetweenrefuelingis20hours.,Zinc-AirBatteries,Firstgenerationzincairwastherelativelyheavyandlow-ratebatteriessoldintotheremotesignalingmarkets(buoys,railroads),Secondgenerationthebutton-cellbatteriesforhearingaids.Third-generationzinc-airbatteriesarebeingdevelopedasalightweight,low-cost,andsafebattlefieldpowersourceforthedismountedwarfighter.Fourth-generationzinc-airbatteriesarebeingdevelopedforArmyandMarineCorpsmissionsrequiringbothhighspecificenergyandpower,incompactvolume.,PrototypeUAVBatteryandPrototypeMAVcell,First-generationzinc-airbatteries(GEN1),introducedinthe1950s,resembleautomotiveSLIbatteriesinconstructionandareusedinremotesignalapplicationssuchasbuoysandrailroadcrossings(Figure1).Theyaredesignedforlow-rate(1A),multi-yearserviceandhavemoderatespecificenergy.,Second-generationzinc-air(GEN2)isthebutton-cell,commercializedinthe1970sforhearingaids(Figure2).Withspecificenergiesofmorethan400Wh/kg,thebuttoncellistypicallylimitedtoabout10mWinpowerandhasaservicelifeofonemonth.,Third-generationzinc-aircells(GEN3),employmoldedplasticcellhousingssealedandjoinedwithepoxyadhesives(Figure3).Batteriesusing30AhGEN3zinc-aircellswerefirstfieldedin2003astheBA-8180(Figure4).TheBA-8180,a12/24V,750Whbatteryusedforbattlefieldpowerbydismountedunits,isdesignedformoderatepower(upto50W)andaservicelifeofseveralmonths.Itpowerstacticalradiosforuptoaweekormorefortypicaldutycycles.,Fourth-generation(GEN4aandGEN4b),whosedevelopmentbeganin2002,usestheaircathodeasthecellhousing,foldedinhalfaroundthezincelectrodeanditsedgessealedforleaktightintegrity(Figure5).,Safety,Oneofthekeysafetyconcernsforbattlefieldequipmentbeingbulletpenetration,twoofthebatteriesweretakentothesniperrangeatMarineCorpsBaseQuantico.EachwasconnectedtoaSINCGARSradiointransmitmodeduringitstest.Thefirsttookfiveroundsof5.56fromanM-16,duringandafterwhichtheradiocontinuedtotransmit.Thesecondtookoneroundof7.62fromaMarineCorpssniperrifle,withthesameresult.Asecondroundof7.62ineachblewtheupperpartofthebatteriesoff,atwhichtimetheradioceasedoperation.Bothbatteriesgotwarm,lessthan50Caboveambient,butneitherexplodedorcaughtfire.,太陽能電池(Solarcell),太陽能的法力無邊,其中：由於在地球上的日照不平均,所以造成冷熱溫度對流而生成風,而風力亦可發電,所以在美國風力發電也歸太陽能源的一種.此外太陽能的應用又可分為熱能的太陽能熱水器及光直接轉換電的太陽能電池,目前較著重於太陽能電池的應用推展.一般所講的或能買到的太陽能光電池(Solarcell)，並不同於一般蓄電池（Battery）可儲存電能，而是有光源照射的當時，才能將光能轉換為電壓與電能並可立即輸出的電池(Cell)，因其本身並非儲能蓄電池，故無法儲存電能太陽能電池係一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片,它祇要一照到光,瞬間就可輸出電壓及電流.而此種太陽能光電池(Solarcell)簡稱為太陽能電池,或太陽電池(在台灣的早期翻譯書籍上直接引用日文中的漢字,其實不是battery而是cell),又可稱為太陽能晶片.在中國大陸稱為硅晶片,因為中文硅是矽的古字,矽為現代譯音字.在物理學上稱為光生伏打(Photovoltaic),簡稱PV(photo=light光線,voltaics=electricity電力).,三種市場上流通的太陽能電池,Solarpowerplant,太陽能電力系統,CylindricalCell,ButtonCell1980s,PrismaticCell1990s,Theprismaticcellimprovesspaceutilizationandallowsflexibledesignbutitcanbemoreexpensivetomanufacture,lessefficientinthermalmanagementandhaveashortercyclelifethanthecylindricaldesign.,PouchCell,Madeultra-slim,somecellsgeneratehydrogengasduringchargeandpuffup.Theforcecandamagethehousingoftheportabledevice.,Thepouchcelloffersasimple,flexibleandlightweightsolutiontobatterydesign.Exposuretohighhumidityandhottemperaturecanshortenservicelife.,serialconfigurationAddingcellsinastringincreasesthevoltage,thecurrentremainsthesame.,ParallelConnection,Serial/ParallelConnection,Thisconfigurationprovidesmaximumdesignflexibility.,CAPACITY,SealedLeadAcid(SLA):,Thefirstthingthatcomestomindwhiletalkingaboutthesekindsofbatteriesisthat,Theyarenotportableoreasytocarryaroundbecauseoftheirweightandsize.Theyaretheoldesttypeofrechargeablebatteriesandhaveavoltage/cellof1.5V.TheyhavealowenergytovolumeratiobuttheycansupplyhighsurgecurrentswhichgivesthemaGoodpowertoweightratio.ThiskindofhighsurgecurrentmakesthemusefulInautomobiles,invertors,boats,forkliftsorgolfcarts.SealedLeadAcidbatteries,similarindesigntothebatterythatyourcaruses,areoneoftheoldestbatterytechnologiesgoing,andyettheiruniqueattributesmeanthatforsomeapplicationsthereisnoviablesubstitute.Althoughnotdisposableduetotoxiclead氯化銨(Anomoniumchloride)的電解質凍(ElectrolyteJelly)和氯化鋅(Zincchloride)溶解於水中當做電解液;而碳棒刀把外界電路的電子傳回到陰極(正極)。電池中的陰極混合物也當做去極劑(De-polarizer)。如果使用的電流很小，且使用的時間不長，則碳鋅電池是最有效率的。如果使用的電流較大及使用的時間較長的話，則電池因化學反應放出電能所產生的氫氣(HydrogenGas)會積在碳棒，阻礙其傳導電子的能力，因而降低電池的效率。做為去極劑的陰極混合物，乃防止氫氣存在碳棒的作用劑;因此，如沒有去極劑的話，電池的工作效率會受到影響。然而，即使有去極劑，碳鋅電池在大電流的使用狀況下亦無法使用太久。,ZincCarbon:,ZincCarbonbatteriesaremainlyusedinwidevarietyofdeviceapplicationsusinglighttomoderatedrains.Theyalsohaveavoltage/cellof1.5V.Thesehavebeenaroundsincethemid19thcenturyandweretheonlybatteriesuseduntilWorldWarII.Theyhavelowenergydensityandperformpoorlyunderhighcurrentapplication.InspiteofsuchdisadvantagestheyareusedineverydayapplicationssuchasPenlights,Personalcaredevicesandmotordrivendevices.,鹼性電池,鹼性電池的發展，主要被用於需要高電流使用的裝置，以代替較不實用的碳鋅電池。鹼性一二氧化錳一鋅電池(Alkaline-manganeseDioxide-zincCell)的電壓一時間特性的降低速率低於碳鋅電池。在高電流的使用情況下，鹼性電池的使用壽命約標準式碳鋅電池的十倍。鹼性電池以一大片的鋅做陽極，以高密度的二氧化錳混合物做陰極及用鋼或沒電鍍的黃銅做為電流集結器。鹼性電池與碳鋅電池最大的差異，乃在於鹼性電池使用高濃度的鹼性氫氧化鉀(Potassium-hydroxide)做電解液。鹼性電池具有極高的去極(depolarization)效率，所以它能連續的供應大電流，而碳鋅電池必須間歇性地使用。鹼性電池在經過使用一段時間後，還是保持著近1.5V的輸出能力。在低電流的使用情況下，鹼性電池雖然有較高的安培一小時容量;但它與碳鋅電池的電流密度足一樣。如果使用在大電流的情況，則鹼性電池就比碳鋅的功能要好。,Alkaline:,Today,manydesignersoptforalkalinebatteriesbecausetheyprovideahighenergyoutputwhichisneededforthefastgrowingdemandforportablepower.Alkalinebatterieshaveanominalvoltage/cellof1.5VandalsotheyarerechargeableorNon-rechargeable.Themainadvantagesofthisbatteryaretheyarecostefficientandcanholdtheirchargeforyears.Rechargeablebatteriescanmaintainmaximumchargingcapacityforhundredsofcycles,keepinginmindthatithasbeendischargednomorethan25%.Almostfullcapacitycanbeobservedonlyforfewcyclesandifthebatteryhasbeendischargedlessthan50%.Becauseofthisreasonrechargeablealkalinebatteriesarenotparticularlythatuseful.Ontheotherhandnon-rechargeablebatteriesaregreatinhighdrainapplicationsandalsoinapplicationswherethebatterysitsforlongtimewithoutbeingoperated.ThismakesthemveryusefulforCDplayers,calculators(TI-83)andsomeelectronictoys.,汞電池,鋅一氧化汞(Zinc-mercuricoxide)電池所能產生的化學能，高於碳鋅及鹼性電池。大約80%-90%的活性電化學材料，被用於所謂的汞電池。汞電池，其陽極(負極)是鋅一汞合金，而陰極是氧化汞，亦是去極劑。其電解液用氫氧化鉀。汞電池在有負載的情況下，尚能維持平穩的放電特性及高於所需的正常電壓，此乃其特性之一。不管所需電流的大小，汞電池均能保持相對穩定的安培一小時容量。汞電池放在電池架上，如不使用，幾乎不會漏電;在高溫度環境中，亦能保持其良好的特性;而且對於震動和加速度的使用情況，亦有良好的抵抗性。汞電池的極性與碳鋅、鹼性電池相反，其已被廣泛地用於照相機、助聽器、儀器和通訊器材。,氧化銀電池,氧化銀電池跟汞電池一樣，其放電電壓曲線亦極為平穩。但它的工作電壓為1.5V(開路電壓為1.6V)。氧化銀電池的安培一小時容量大約與汞電池一樣。氧化銀電池乃助聽器和電錶的重要電源。其正極(陰極)乃氧化銀和二氧化錳的去極氧化物，隨著應用的不同，其混合物的成分就不一樣;負極是鋅。使用於助聽器的氧化銀電池(需要低的洩電流，長的使用壽命)，其電解液為強鹼性的氫氧化鉀，以增強其能量密度;而用於電子錶的氧化銀電池(非常低的洩電流，極長的使用壽命)，其電解液為穩定性更好的氫氧化鈉(50-diumHydroxide)。氧化銀電池的壽命很長，而且其在高溫時，其功能不受影饗;即使在低溫的環境中，它的功能尚強過大多數的汞鋅電池。由於氧化銀電池所需的材料較貴，所以氧化銀電池主要的型式為鈕扣型及其他較小尺寸的型式。D-size(l號)或更大的可充電式的氧化銀電池，密封型(sealed)及開口型(Vented)的效果都不錯;然而，如果其他型式的氧化銀電池，高價格因素不予考慮的話，則密封型及開口型電池的應用將受到限制。,鎳鎘電池（NiCd）,是最古老的充電電池技術之一，早在1899年就被發明出來了。鎳鎘電池的優點是可以承受短時間的大量放電，而且充電過程是吸熱反應-後者的特性讓它可以快速充電也不會對電池造成太大的損壞。鎳鎘電池的電壓是1.2V，比一般鹼性電池標示的1.5V略少，但是因為鹼性電池放電的過程中電壓會持續下降，到沒電的時候通常只剩1V，反而鎳鎘電池會一直很穩定的提供1.2V的電壓直到沒電為止，因此大部份使用鹼性電池的電子產品都可以放鎳鎘電池進去，沒有問題。鎳鎘電池最著名的缺點，就是所謂的記憶效應，也就是當電池裡還有沒用完的電，就再充電時，電池就會記得這個位置，以後電用到剩這麼多時，電池就會發生和沒電一樣的反應（電壓瞬間降低）。所以鎳鎘充電前必須要經過一段放電的過程，將電力放乾之後才能再充電。大部份鎳鎘電池的充電器都會有自動放電的功能。鎳鎘電池因為蓄電量比較小（大概只有鹼性電池的1/4），而且鎘是有毒重金屬，所以最近比較少看到了。大部份應用中它都已經被相近的鎳氫電池（NiMH）所取代。,NickelCadmium(NiCad):,Thenickel-cadmiumbatteryisaremarkabledevice.ThesebatteriescanberechargedseveraltimesandstillhavearelativelyconstantpotentialDuringeverydischarge.Theycanwithstandmoreelectricalandphysicalabusethananyothercell.TheseBatterieshaveavoltage/cellof1.2V,Beingusedsince1960s.TheyhaveGoodperformancecharacteristicsinLowtemperatureandhighdischargeapplications.ThesebatteriesarenotaslargeasSLAandcanalsosupplyhighsurgecurrents.Thereforetheyaremostlyusedinremotecontrolledelectricmodelautomobiles,airplanes,boats,cordlesspowertoolsandcameraflashunits.,鎳鎘電池：鎳鎘電池是以氫氧化鎳為正極活性材料，負極使用的是海綿狀的鎘，電解質為KOH，電解液為水。電壓值為1.2V，體積能量密度約為130200Wh/L，重量能量密度則是在4050Wh/kg間。因為發展已久，成本較低；再加上循環壽命長達20004000次，以及大電流放電的特性、適用溫度範圍廣、自放電率小等的優點所以佔有率頗高。不過受到記憶效應的影響，效能會隨充放電次數增加而下降。鎳鎘電池的市場佔有率在數年前相當的高，但受到環保意識抬頭的影響，有鎘污染疑慮的鎳鎘電池佔有率已逐年下降。,鎳氫電池（NiMH）,鎳氫電池和鎳鎘電池是差不多的技術，只是將陽極從鎘換成了氫化物而已。它大部份的特性和鎳鎘電池一樣，只是蓄電量更高、記憶效應也比較不那麼明顯（但其實還是存在）。鎳氫電池最大的問題，是它有很高的自放電率，也就是明明是充飽電的電池，放在一邊不用一個月，電力可以少掉30%之譜。在使用三號（AA）和四號（AAA）規格電池的應用中，鎳氫充電電池目前是主流，但對蓄電量有更高的須求，或是需要將體積做得更小時，就要靠鋰離子電池了.,NickelMetalHydride(NiMH):,NickelMetalHydridebatteriesalsohaveavoltage/cellof1.2VandarerechargeableinthesamewayastheNiCadbatteries.CoupleofmajorbenefitsofNiMHcellstodesignersofportableelectricalandelectronicproductsis40%greaterenergydensitythanNiCadcells,simplifiedincorporationintoproductscurrentlyusingNiCadcells.Theyshouldnotbeusedinapplicationswheretheywillsitidleforlongperiodsoftime.Thesebatteriesarecurrentlyusedinhybridvehiclesandconsumerelectronicssuchasmp3players,digitalcamerasandalsoinmobilephones.,鋰離子電池（Li-ion）,鋰離子電池幾乎是夢幻的電池，蓄電量高、體積小、重量輕、沒有記憶效應、電壓高、而且自放電小，也就無怪乎現代大部份見得到的3C產品都是使用鋰離子（或鋰聚合物）電池了。但看似完美的鋰離子電池還是有危險存在的-最明顯的莫過於它有蠻高的自爆傾向，而將這麼多能量擠在這麼小的空間裡，自爆起來很壯觀就在意料之中了。為了避免危險的發生，鋰電池必須要加入很多保護的措施，在電池充過頭或有過熱的跡象時自動斷電。這些額外的電路和機構，是為什麼沒有三號四號大小的鋰離子電池，以及為什麼筆電電池價格如此高昂的原因。鋰離子電池還有一個比較不為人知的有趣特性，就是不管你有沒有在用它，它的最大蓄電量都會隨著電池材料的氧化而逐漸降低。以一般常溫來說，鋰離子電池的蓄電力大約每年會下降20%左右，而且溫度愈高、充得愈飽，下降得愈快。所以如果你的筆電散熱比較差的話，長時間以滿電力處在60c環境下的鋰電池可以在三個月內減掉40%的蓄電力。,Lithium:,Lithiumbatteriesaretheonlybatterieswhichhaveavoltage/cellof3.7Vthatishigherthanallotherbatteries.Theyhaveahighenergydensityratioandthereforeoneofthebestenergytoweightratio.Thesebatterieshavealowself-dischargerateofsomewhatlessthan5%permonthwhichisbetterthanalltheotherbatteriesmentionedabove.Thesebatteriesareexpensivecomparedtotheotherbatteriesandwhiletheycanreplacealkalinebatteriesinmanyapplications,itmightnotbecosteffectivetodoso.Somevarietiesoflithiumbatterieslastforyears,whichisthemainreasontheyarewidelyusedinartificialpacemakersandotherimplantablemedicaldevices.TheyarealsofoundinLaptopsandPDAs.,Lithiumbattery,高分子鋰電池,高分子鋰電池：高分子鋰離子電池以高分子電解質取代液態鋰離子電池所使用的是有機電解液，以避免後者容易揮發燃燒與造成漏液的現象，使得高分子鋰電池有更佳的安全性。這是因為此種高分子電解質，一方面可以作為傳導離子的媒介、一方面又可以作為隔離膜使用，再加上與鋰金屬的反應性低，所以在安全性方面受到的質疑較小，也因此受到廣泛的研究與開發。在分類上，高分子鋰離子電池因所使用的高分子電解質有不同而有完全固態的固態高分子電解質與加入可塑劑的膠態高分子電解質兩類。,Lithium-ionpolymerbattery,充電過程與充電方法,電池的充電過程通常可分為預充電、快速充電、補足充電、涓流充電四個階段。對長期不用的或新電池充電時，一開始就採用快速充電，會影響電池的壽命。因此，這種電池應先用小電流充電，使其滿足一定的充電條件，這個階段稱為預充電。快速充電就是用大電流充電，迅速恢復電池電能。快速充電速率一般在1C以上，快速充時間由電池容量和充電速率決定。為了避免過充電，一些充電器採用小電流充電。鎳鎘電池正常充電時，可以接受C/10或更低的充電速率，這樣充電時間要10h以上。採用小電流充電，電池內不會產生過多的氣體，電池溫度也不會過高。只要電池接到充電器上，低速率恆流充電器就能對電池提供很小的涓流充電電流。電池採用小電流充電時，電池內產生的熱量可以自然散去。涓流充電器的主要問題是充電速度太慢，例如，容量為1Ah的電池