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常见的化学电池种类

归档日期:07-06       文本归类:化学电池      文章编辑:爱尚语录

  前言:电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化为电能的装置。最早的电池我们可以追溯到两百年以前意大利物理学家伏打发明的伏打电池,它使人们第一次获得了比较稳定而持续的电流,具有划时代的意义。在伏打电池原理和研发精神的指引下,人们通过不断努力,开发了一代又一代的新型电池,从人们普遍使用的干电池到新型的太阳能电池、锂聚合物电池(Li-polymer)和燃料电池等等,不仅在电池容量、体积、使用方便程度等方面有很大突破,更重要的是在这些新型电池的研发过程中,渗透着人们强烈的绿色环保意识,电池的开发、发展正以绿色环保作为重要的指导精神。

  在化学电池中,根据能否用充电方式恢复电池存储电能的特性,可以分为一次电池(也称原电池)和二次电池(又名蓄电池,俗称可充电电池,可以多次重复使用)两大类。一次电池又可分为普通锌锰(中性锌锰)、碱性锌锰、锌汞、锌空、镁锰和锌银六个系列;二次电池主要有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、碱锰充电电池和铅蓄电池等类型。在数码设备中,常用的电池类型是干电池(包括碱性电池)、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。

  干电池:这是使用最普遍的电池类型之一,主要指锌锰电池(图1),其优点是能量密度较高,电流密度适当,易实现机械化生产等。

  碱性电池是干电池中的一个重要角色。相对于普通干电池来说,碱性电池容量较大,可以提供的放电电流也较强,因而在一些小电器中使用率较高。市场上性能良好又经济实惠的碱性电池有南孚、双鹿等品牌(图2)。

  镍镉电池(Ni-Cd):镍镉电池(图3)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。镍镉电池最致命的缺点是,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。所谓“记忆效应”就是电池在充电前,电池的电量没有被完全放尽,久而久之将会引起电池容量的降低。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”。此外,镉是有毒的,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(Ni-MH):镍氢电池(图4)是早期的镍镉电池的替代产品,它是目前最环保的电池,不再使用有毒的镉,可以消除重金属元素对环境带来的污染问题。镍氢电池具有较大的能量密度比,这意味着可以在不为数码设备增加额外重量的情况下,使用镍氢电池能有效地延长设备的工作时间。同时镍氢电池在电学特性方面与镍镉电池亦基本相似,在实际应用时完全可以替代镍镉电池,而不需要对设备进行任何改造。镍氢电池另一个优点是:大大减小了镍镉电池中存在的“记忆效应”,这使镍氢电池可以更方便地使用。

  锂离子电池(Li-Ion):锂离子电池(图5)具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点,因而得到了普遍应用——现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源,尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高,它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍,而且具有很低的自放电率。此外,锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。

  其它电池类型:碱锰充电电池是在碱性锌锰电池的基础上发展起来的,由于应用了无汞化的锌粉及新型添加剂,故又称为无汞碱锰电池。这种电池在不改变原碱性电池放电特性的同时,又能充电使用几十次到几百次,比较经济实惠。

  锂聚合物电池(又称高分子锂电池)具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化,以及高安全性和低成本等多种明显优势,是一种新型电池。在形状上,锂聚合物电池具有超薄化特征,可以配合各种产品的需要,制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度为0.5mm,想象一下今后的电池可以薄得像信用卡一样,是不是觉得很不可思议?其实,韩国电子产品KoKam工程公司已开发出厚度为1mm的锂聚合电池,并利用该电池开发研制出“KoKam iplayt”数码相机,其大小与信用卡差不多,厚度为6mm,重量只有35克。

  燃料电池是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。具体地说,燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。电池工作时需要连续地供给活物质(起反应的物质)——燃料和氧化剂,这又和其它普通化学电池不大一样。燃料电池的优点是能量转换效率高、可靠性高、工作时无噪声、无尘埃、无辐射,是一种清洁的能源。卡西欧计算机股份有限公司在3月6日发布了一款针对便携设备的实用“小型高性能燃料电池”(图6),这种小型设备可以为手机、笔记本电脑、PDA和其他一些便携设备提供能量,和目前所使用的锂离子电池相比,重量只相当于原有锂离子电池一半的燃料电池就可以提供约4倍的电池能量。不过这样的设备目前还处于试验当中,估计要到2004年才能大规模投产后才能进入市场。

  电池是一种化学物质,因而也是有一定服务寿命的,诸如干电池(包括普通的碱性电池)等一次电池是不能充电的,服务寿命当然只有一次。对于充电电池,一般我们以充电次数来衡量其服务寿命的长短。镍镉电池的循环使用寿命在300~700次左右,镍氢电池的可充电次数一般为400~1000次,锂离子电池为500~800次。充电电池的服务寿命不仅受制作电池采用的原料、制作工艺等因素的影响,还与电池的充放电方法及实际使用情况有密切关系。例如,某人于1985年开始使用的6节HITACHI(日立)镍镉电池,一直到现在还在继续使用,只是电池容量有些降低了。看来,只要使用方法合理,充电电池是完全可以达到甚至大大超过标称的服务寿命的。

  在电学上,常用电压、容量等概念来衡量电池个体的属性和性能。一般单个干电池(包括碱性电池)的额定电压为1.5V,镍镉电池和镍氢电池为1.2V,而锂离子电池是3.6V(有些厂商生产的锂离子电池标定的额定电压为3.7V),相当于3节镍镉或镍氢电池串联所得的电压,一些常见的不可充电的锂电池的电压是3V(图7是用于相机的FUJIFILM即富士的CR123A锂电池)。

  容量是指电池存储电量的大小。电池容量的单位是“mAh”,中文名称是毫安时(在衡量大容量电池如铅蓄电池时,为了方便起见,一般用“Ah”来表示,中文名是安时,1Ah=1000mAh)。如图4中的GP超霸电池的额定容量是1300mAh,如果以0.1C(C为电池容量)即130mA的电流给电池放电,那么该电池可以持续工作10小时(1300mAh/130mA=10h);如果放电电流为1300mA,那供电时间就只有1小时左右(实际工作时间因电池的实际容量的个别差异而有一些差别)。这是理想状态下的分析,数码设备实际工作时的电流不可能始终恒定在某一数值(以数码相机为例,工作电流会因为LCD显示屏、闪光灯等部件的开启或关闭而发生较大的变化),因而电池能对某个设备的供电时间只能是个大约值,而这个值也只有通过实际操作经验来估计。

  由于单个电池的电压和容量都十分有限,一般需要用几个电池组成电池组,以满足不同设备的实际供电需要。在数码相机中,最常见的电池组合方式是串联,即把电池正负极首尾相连,如把4节1.2V、1300mAh的电池串联,就组成了一个电压是4.8V、容量为1300mAh的电池组;而在笔记本电脑中,电池一般采用的是混联方式,即有串联也有并联。

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