二次電池大觀

能反復(fù)充電的電池稱為二次電池，亦叫蓄電池，它作為電子設(shè)備的關(guān)鍵部件之一受到注意，對(duì)以移動(dòng)電話為首的小型設(shè)備的無線化、輕量化貢獻(xiàn)頗大。本文除介紹傳統(tǒng)密封鉛蓄電池、鎳鎘電池外，還講述確立了新型二次電池地位的鎳氫電池和鋰離子電池。

密封鉛蓄電池

鉛蓄電池于1859年由普朗特（法）發(fā)明，它是具有140年歷史，完善度很高的電池，被用作電子設(shè)備的電源。

1.最新技術(shù)

密封鉛蓄電池具有單位重量能量密度低、過放電會(huì)縮短壽命等缺點(diǎn)，但具有以下優(yōu)點(diǎn)：①性能價(jià)格比高；②在目前市售水溶液系電池中，電池電壓達(dá)2V；③自行放電少；④無存儲(chǔ)效應(yīng)等，在市場上占有一席之地。

表1 二次電池的構(gòu)成及實(shí)用能量密度

技術(shù)開發(fā)的焦點(diǎn)是在UPS（不間斷電源）中提高高效效電性能，在無線設(shè)備方面的高能量密度經(jīng)。其電池內(nèi)部的改進(jìn)包括通過添加異向性石墨提高正極活性物質(zhì)的利用率；代替以往的鉛錫合金，用鉛鈣合金或鉛鈣錫合金作集電網(wǎng)，以圖高功能化。

密封鉛蓄電池的技術(shù)課題是提高能量密度。具體地說有：①減少電池內(nèi)的無效空間；②減少與起電反應(yīng)無關(guān)的結(jié)構(gòu)；③提高活性物質(zhì)利用率。此外，還要性病此種電池的弱點(diǎn)，即過放電產(chǎn)生的性能下降。

鉛的價(jià)格低廉，在資源上也無問題，而且已建立回收再生途徑。

2.密封鉛蓄電池的構(gòu)造

其構(gòu)成包括正極板、數(shù)量相等或多1片的負(fù)極板、夾在極板間的隔離柵、電解液、裝入它們的合成樹脂成型電槽及中蓋，引外，還裝設(shè)有起到不讓大氣中氧進(jìn)入的逆止閥功能的安全閥及上蓋。

3.密封鉛蓄電池的特性

殘留容量與保存溫度：自行放電與保存溫度大有關(guān)系。適當(dāng)?shù)偷臏囟瓤蛇M(jìn)行長期保存。保存溫度每低10℃，自行放電約降低1/2。

容量與開路電壓的關(guān)系：通過測定開路電壓可以推斷其容量。

重復(fù)壽命：重復(fù)壽命受各次重復(fù)中放電深度的影響頗大。

4.今后的展望

密封鉛蓄電池在鎳鎘、鎳氫、鋰離子等家用二次電池中最便宜，故要求大容量的用途成為倔后的目標(biāo)，可望作為信息、通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的備用電源。

鎳鎘電池

實(shí)用二次電池中，歷史悠久的電池除上述鉛蓄電池外可說只有鎳鎘電池了，它作為高性能、高可靠性電池評(píng)價(jià)頗高。

它發(fā)明了1899年，全密閉化是1947年。它有以下特點(diǎn)可用于廣泛的用途：

可高效充放電；重復(fù)壽命長；容易對(duì)付過充電、過放電；可長期放置；使用溫度范圍寬。

由于具有適應(yīng)各種用途的特性，進(jìn)而不同用途的專用電池的開發(fā)，更對(duì)擴(kuò)大用途起了很大的作用。

1.高容量化技術(shù)

由于鎳鎘電池的反應(yīng)是快速移動(dòng)的OH-離子，與鉛蓄電池相比，反應(yīng)更為平穩(wěn)，因此，其特點(diǎn)是在高放電率下放電容量也幾乎不下降。由于結(jié)晶構(gòu)造基本上改變，故其壽命長。通過提高正極活性物質(zhì)利用率及采用泡沫鎳或鎳?yán)w維等多孔基體，可實(shí)現(xiàn)高能量密度化。

2.鎳鎘電池的構(gòu)造

主要形狀為圓筒形和方形。圓筒形構(gòu)造把紙狀正負(fù)極板介入隔離片后卷成渦卷狀態(tài)，裝入金屬造的外殼中，注入苛性堿水溶液作為電解液，再用裝有安全閥的封口板把上部封口。方形刷則把若干長方形的正負(fù)極板隔入隔離片后裝入金屬造的外殼中。

3.鎳鎘電池的特性

放電性能：放電中的電壓變化小，即使放電電流增大，容量的減產(chǎn)也不大。

充電特性：充電特性受電流、時(shí)間、溫度等的影響。在充電電流大或溫度低時(shí)電池電壓上升。此外，因充電發(fā)熱，電池溫度上升。

重復(fù)壽命：按普通使用方法可充放電500次以上。

保存特性：一般，如電池放置不用，由于自行放電容量下降，但通過充電可恢復(fù)。

4.專用電池種類

基本構(gòu)造與一般用鎳鎘電池相同，而根據(jù)用途改進(jìn)了需特性的電池即為專用電池。它不是用途受至限制，而是在其用途下讓它具有特別的特點(diǎn)。

高容量型：達(dá)到比標(biāo)準(zhǔn)型高40～60%的容量。

快速充電型：標(biāo)準(zhǔn)型電池的充電需要14～16小時(shí)，快速充電型的充電時(shí)間短，約1小時(shí)。

高溫型：它是用作建筑標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)定的特種燈等防災(zāi)用照明器具的內(nèi)裝電池而開發(fā)的，即使在外部溫度很高（35～45℃）下，仍能發(fā)揮高性能。

存儲(chǔ)器伯務(wù)用：易失性半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件的停電補(bǔ)償用。

5.展望

鎳鎘電池有負(fù)極的鎘為環(huán)境污染物持，且有存儲(chǔ)效應(yīng)（如持續(xù)進(jìn)行淺放電便不能深放電的現(xiàn)象）等缺點(diǎn)。

對(duì)鎘來說根據(jù)有限資源的有效利用及地球環(huán)保的觀點(diǎn)，建立電池回收體制及重復(fù)利用技術(shù)。

此外，對(duì)存儲(chǔ)效應(yīng)的一種解決辦法，可采取充電器放電之后再進(jìn)行充電的方式。鎳鎘電池可說已達(dá)到了能量密度的極限，但總體看來，仍為二次電池中最佳的電池，今后亦將有廣泛的領(lǐng)域。

鎳氫電池

鎳氫電池基本上是把鎳鎘電池的鎘負(fù)極換成含氫合金構(gòu)成，所以可說是對(duì)環(huán)境極佳的電池。工作電壓為1.2V，與鎳鎘電池一樣。容量為標(biāo)準(zhǔn)型鎳鎘電池（普通用）的1.5～2.0倍，能量密度高。雖是歷史較短的電池，但是有與鎳鎘電池同樣的特點(diǎn)，可望有廣泛的用途。

1. 含氫合金負(fù)極的特性與課題

含氫合金含藏了近乎體積600～1000倍的氫。為了發(fā)揮作為電池負(fù)極的功能，除含氫能力巨大外，還要求以下幾點(diǎn)：

①氫的釋放進(jìn)度進(jìn)度快；

②在電池可使用的溫度范圍內(nèi)，氫壓（氫平衡壓）低；

③對(duì)氫的吸入、放出、難致合金成為粉末或彎向一邊；

④氧化不夠的情況很少；

⑤能穩(wěn)定生產(chǎn)。

鎳氫電池今后要大發(fā)展必須解決以下課題：

①在更寬的溫度范圍提高充電效率；

②開發(fā)高容量含氫合金。

2.鎳氫電池構(gòu)造

其構(gòu)造幾乎與鎳 鎘電池一樣。

3.鎳氫電池的特性

放電特性：放電電壓幾乎與鎳鎘電池相同。

充電特性：充電特性亦顯示與鎳鎘電池很相似。

重復(fù)壽命：普通使用方法下可充放電500次以上。

保存特性：顯示出鎳鎘電池大致相同的自行放電特性。

4.展望

負(fù)極采用的含氫合金比鎘價(jià)格昂貴，對(duì)電池容量的性價(jià)比不及鎳鎘電池。上市當(dāng)初用于PC機(jī)及蜂窩式電話，現(xiàn)在已發(fā)展到電動(dòng)工具、電動(dòng)助力車、混合型到電動(dòng)工具、電動(dòng)助力車、混合型汽車等高能用途。今后的發(fā)展在于含氫合金特性的改進(jìn)和降低價(jià)格。

鋰離子電池

使用金屬的二次電池有望成為最高能量密度的二次電池，在近年進(jìn)行了積極的研究。但是，鑒于在金屬鋰充放電時(shí)溶解析出過程中討厭的可逆性，尚未找到對(duì)安全性、周期性的有效解決辦法，現(xiàn)在還主要進(jìn)行基礎(chǔ)研究。

作為解決安全性、周期性的辦法是把碳用作鋰吸藏體的鋰離子電池。與使用金屬鋰的電池比較，雖然能量密度要低，但安全低及周期性有飛躍提高。

1.特點(diǎn)

①能量密度度。尤其是重量能量密度比其他電池都高。

②平均工作電壓為3.6V，相當(dāng)于鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍。

③在-20～60℃的溫度范圍內(nèi)工作，低溫下的工作優(yōu)于其它電池。

④無存儲(chǔ)效應(yīng)（鎳鎘、鎳氫電池都有）。

⑤自行放電比鎳鎘、鎳氫電池小。

2.鋰離子電池的構(gòu)造

正極采用鋁集電體上涂有正極活性物質(zhì)liCoO2的薄膜，負(fù)極用銅集電體上涂上碳的薄膜，用聚乙烯多孔膜隔在之間，經(jīng)過多重卷繞。電解液浸透電極與隔離膜。正極端子裝有防焊閥、經(jīng)隔斷裝置及PTC元件的安全機(jī)構(gòu)。

3.鋰離子電池的特性

放電性：由于隨放電的進(jìn)行電池電壓緩慢下降，故可檢測殘存容量。

重復(fù)壽命：普通使用方式下，500～1000次充放電不成問題，而且容量不會(huì)急劇下降。

4.用途及今后發(fā)展

可裝于移動(dòng)電話、PC機(jī)、攝像機(jī)等。它具有以往電池所沒有的3.6V工作電壓的重要特點(diǎn)，將來有可能容量增大到400WH/1以上。在快速充電、高負(fù)荷放電方面劣于鎳鎘、鎳氫電池，但此點(diǎn)是可以改進(jìn)的。唯其價(jià)格最高，將來與其它二次電池分庭抗禮會(huì)加快發(fā)展。

二次電池使用注意事項(xiàng)

①勿投入火中，也別加熱、分檄開和短路；

②勿靠近明火或在烈使用、放置、拆開和充電；

③別用槌子打砸或腳踩使其變形；

④充電使用專用充電器或按規(guī)定的充電條件進(jìn)行（二次電池充電時(shí)，切勿過充電，這不僅關(guān)系到電池壽命，也是關(guān)系到安全性的問題。充電方式及電路自行設(shè)計(jì)，可向電池廠商咨詢）。

此外，鋰離子電池的情況還不適合過放電。鋰離子電池用的保護(hù)電路裝有保護(hù)電池的開關(guān)元件及其控制IC?？煞乐惯^充電和過放電。最近，還開發(fā)了除這些功能外，還能有效利用電池的IC。通過電池與負(fù)荷設(shè)備對(duì)話的輸出切斷時(shí)序電路的采用，通過遙控器ON/OFF控制減少設(shè)備停機(jī)時(shí)的損耗，以及保護(hù)電路本身的低功耗化、電池平衡補(bǔ)償功能等都是針對(duì)這個(gè)問題的。據(jù)此，除確保電池的安全性外，還可望延長工作時(shí)間及電池使用期，今后將逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用。

本文介紹了各種實(shí)用的二次電池，但一種電池不可能包攬一切，應(yīng)用選擇使用適合于設(shè)備的電池。對(duì)于需要大電流的設(shè)備，二次電池非常合適，但對(duì)于小電流又長時(shí)間工作的設(shè)備，建議采用一次電池。