可再充電的電池系統(tǒng)

微電子設(shè)備的市場正以前所未有的速率成長。經(jīng)過分立半導(dǎo)體時(shí)代之后，現(xiàn)在使用集成電路就可以生產(chǎn)越來越小的便攜式電子設(shè)備。在先進(jìn)發(fā)達(dá)的國家，每個(gè)家庭都擁有一部便攜式收音機(jī)，而每3個(gè)人就擁有一部流動(dòng)電話。許多人都有遙控的汽車鎖，更不要說攝錄機(jī)、音頻設(shè)備等遙控裝置了。所有這些裝置都需要電池，電池也變得越來越小，例如石英晶體手表中所用的電池那么小，而以目前的標(biāo)準(zhǔn)來說，這種電池還不算小。

大多數(shù)便攜式電子設(shè)備都是以重量輕的電池供電，所以電池的市場是非常龐大的，不過本文只談及可以再充電的電池系統(tǒng)。雖然這類電池有許多形狀和尺寸，它們依據(jù)的基本技術(shù)卻只是比較少的幾種。第二次世界大戰(zhàn)期間和以后的日子，在這類電池的始祖‘鉛酸電池’之后出現(xiàn)了一些不同的系統(tǒng)，它們采用不同的材料：銀、鎳、鋅和鋰等等。這些材料和許多其他材料一起使用：鎳鐵;鎳鋅;銀氫;氧化銀-鋅;鋅-空氣;鎘-空氣;鋁-空氣;鋰碘(幾乎全世界的心臟起搏器都使用它);鋰鉬;鋰鋁等等。本文只介紹其中的幾種。

鉛酸電池

鉛酸電池仍然是世界上最常用的蓄電池，主要是由于它應(yīng)用在汽車方面，不過它也越來越多地用在其他方面。它的好處是便宜，每個(gè)電池的電壓高、壽命長。它的缺點(diǎn)是笨重和低溫特性差。

敞開式鉛酸蓄電池用一個(gè)堅(jiān)固的塑料防漏外殼盛載硫酸，再把一些鉛板懸掛在硫酸中。密封式鉛酸蓄電池面世也有多年了，雖然這些電池的產(chǎn)量不像非密封式電池那么多，但是用量也越來越多。

鎳鎘電池

鎳鎘電池含有1個(gè)鎳質(zhì)陽極以及1個(gè)裝有氫氧化鉀的堅(jiān)固的密封塑料容器(一般電池的容量低，超過30Ah的電池通常是敞開式,需要定期添加更換電解液)。

鎳鎘電池具有較長的壽命(在110的速率下通常是1000小時(shí))，以及較好的低溫特性。不過，它的價(jià)格也比較高。

密封式鎳鎘電池通常以C、Cn或XCn來評(píng)定等級(jí)的。這些數(shù)值分別代表以A表示的放電電池，其數(shù)字等于以Ah表示的額定電池容量，在1小時(shí)或n小時(shí)內(nèi)放電。X表示放電電流是Ah額定電池容量的X倍。

鎳鎘電池發(fā)熱，其容量就會(huì)比其他類型的電池降低。正是這個(gè)原因，通常鎳鎘電池要以較低的速率充電。但是，許多電器，例如移動(dòng)電話，使用的鎳鎘電池都以使用快速充電器作為標(biāo)準(zhǔn)。

鎳鎘電池另一個(gè)問題就是不能保存充電量，所以為什么要建議這些電池在再充電之前應(yīng)該完全放電。

但是，鎳鎘電池最嚴(yán)重的問題是環(huán)保方面。這種電池用完而棄置之后，垃圾棄置場合留下的鎘是危險(xiǎn)的。正是這個(gè)原因，環(huán)保工作者要求完全停止 使用鎳鎘電池。

鎳-金屬-氫化物電池

鎳-金屬-氫化物(NiMH)電池是鎳鎘電池的進(jìn)一步發(fā)展，而且已經(jīng)廣泛使用作太空電池多年。它的結(jié)構(gòu)類似于鎳鎘電池，不過其陰極用合金代替鎘。NiMH電池在正常工作時(shí)，可以在陰極收集到氫原子而產(chǎn)生金屬氫化物。在放電時(shí)再消耗氫而余下的金屬則不變。

NiMH電池不像鎳鎘電池那樣不能保存充電量，是可以儲(chǔ)存電量的。它也比鎳鎘電池具有較高的能量/體積比率。

鎳鎘電池的容量隨著溫度的升高減少，NiMH電池就完全不同，它的容量隨著溫度的升高而增加。

NiMH電池的一個(gè)缺點(diǎn)是自放電能力比較高，只有在-10℃以下才開始穩(wěn)定下來。

鋰離子電池

鋰電池有許多種，其中比較新型的是鋰鉬(LiMo)和鋰離子電池。由于它的自放電性能比較低，而且每單位體積的容電量大，鋰離子電池具有光明的前途。含鋰的蓄電池雖然是在七十年代開發(fā)成功的，只有八十年代后期以來才進(jìn)入電子設(shè)計(jì)的主流，尤其是在消費(fèi)性便攜式設(shè)備和非易失存儲(chǔ)的支援用途，尺寸小、壽命長和成本低是主要的要求。

CMOS技術(shù)的進(jìn)展大大提高鋰的實(shí)用性。隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在集成電路市場取得更大的占有率，毫無疑問，鋰電池會(huì)具有更大的價(jià)值。

鋰離子電池的陽極是由鋰合金制成的，而陰極則用碳或合金制成，這些電極浸在含鹽溶液的有機(jī)液體中。當(dāng)電池充電或放電時(shí)，鋰離子在電極之間移動(dòng)。

由于鋰電池所用的材料產(chǎn)生每單位能量的質(zhì)量比較鎳鎘電池小，所以鋰電池就輕得多。

鋰離子電池的容量/體積比率是NiMH的兩倍左右。

鋰離子電池的壽命超過1200次循環(huán)。

可再充電的堿性錳電池

直至最近為止，堿性錳電池是典型的不可再充電的電池。但是到八十年代后期美國出現(xiàn)可再充電的這種電池(蓄電池)，是由Union　Carbide和Battery Technologies制成的，在歐洲這種電池卻尚未盛行。

這種電池采用特別的電化學(xué)方法，無需維修保養(yǎng)和密封。它是設(shè)計(jì)用來代替鎳鎘電池，用于要求低起始成本和低操作成本的電子產(chǎn)品。堿性錳蓄電池不能像鎳鎘電池那樣可再充電那么多次，但是它的起始成本卻比相應(yīng)的鎳鎘電池低很多。

每個(gè)電池的能量隨著每個(gè)充電/再充電周期而減少，不過開路電壓實(shí)際上卻是一樣的。制造商的數(shù)據(jù)指出，堿性錳蓄電池可以再循環(huán)使用(50-70)次。

每個(gè)周期的損耗程度是由再充電開始的時(shí)間確定的。在放電過程中越早充電，殘余容量越大。電池的負(fù)載不要太大也是重要的，最好放電電流在100mA和150mA之間。

堿性錳蓄電池大約比鹵性錳原電池貴一倍。但是在它的使用期限內(nèi)，卻能夠產(chǎn)生20倍以上的能量，所以這樣的投資是值得的。

只能用特別的充電設(shè)備把鹵性錳蓄電池再充電。

遠(yuǎn)景

新電池系統(tǒng)的進(jìn)展是不可抗拒的。在目前可以看到，有兩種系統(tǒng)可能在未來(5∽10)年內(nèi)占著支配地位。那就是鋅空氣蓄電池和鋰聚合物蓄電池。

鋅空氣原電池早已以鈕扣電池的形式用作助聽器的電源了。

鋅空氣蓄電池的早期型號(hào)在C5放電率具有大約170Wh /kg的能量密度,這是目前再充電電池的兩倍。可惜由于分隔器材料和陽極上的白金等問題，它們的充電/放電循環(huán)只限于50次左右。但是毫無疑問，這些問題在不久的將來就會(huì)得到解決。

鋰聚合物電池的能量密度也遠(yuǎn)超出NiMH電池。在這方面，設(shè)計(jì)人員也要面對(duì)一些問題，主要是充電/再充電次數(shù)低。這些問題是由電池中的活性成分引起的，可能是由于鋰和電解液之間的反應(yīng)產(chǎn)生乙烯、丙烯和碳酸鋰造成的。