可再充電的電池系統
時間:2012-11-06 15:46來源:21ic 作者:admin
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微電子設備的市場正以前所未有的速率成長。經過分立半導體時代之后，現在使用集成電路就可以生產越來越小的便攜式電子設備。在先進發達的國家，每個家庭都擁有一部便攜式收音機，而每3個人就擁有一部流動電話。許多人都有遙控的汽車鎖，更不要說攝錄機、音頻設備等遙控裝置了。
微電子設備的市場正以前所未有的速率成長。經過分立半導體時代之后，現在使用集成電路就可以生產越來越小的便攜式電子設備。在先進發達的國家，每個家庭都擁有一部便攜式收音機，而每3個人就擁有一部流動電話。許多人都有遙控的汽車鎖，更不要說攝錄機、音頻設備等遙控裝置了。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，而以目前的標準來說，這種電池還不算小。
大多數便攜式電子設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。雖然這類電池有許多形狀和尺寸，它們依據的基本技術卻只是比較少的幾種。第二次世界大戰期間和以后的日子，在這類電池的始祖‘鉛酸電池’之后出現了一些不同的系統，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，每個電池的電壓高、壽命長。它的缺點是笨重和低溫特性差。
敞開式鉛酸蓄電池用一個堅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個鎳質陽極以及1個裝有氫氧化鉀的堅固的密封塑料容器(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)，以及較好的低溫特性。不過，它的價格也比較高。
密封式鎳鎘電池通常以C、Cn或XCn來評定等級的。這些數值分別代表以A表示的放電電池，其數字等于以Ah表示的額定電池容量，在1小時或n小時內放電。X表示放電電流是Ah額定電池容量的X倍。
鎳鎘電池發熱，其容量就會比其他類型的電池降低。正是這個原因，通常鎳鎘電池要以較低的速率充電。但是，許多電器，例如移動電話，使用的鎳鎘電池都以使用快速充電器作為標準。
鎳鎘電池另一個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該完全放電。
但是，鎳鎘電池最嚴重的問題是環保方面。這種電池用完而棄置之后，垃圾棄置場合留下的鎘是危險的。正是這個原因，環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一步發展，而且已經廣泛使用作太空電池多年。它的結構類似于鎳鎘電池，不過其陰極用合金代替鎘。NiMH電池在正常工作時，可以在陰極收集到氫原子而產生金屬氫化物。在放電時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電池的一個缺點是自放電能力比較高，只有在-10℃以下才開始穩定下來。
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***成功的，只有八十年代后期以來才進入電子設計的主流，尤其是在消費性便攜式設備和非易失存儲的支援用途，尺寸小、壽命長和成本低是主要的要求。
CMOS技術的進展大大提高鋰的實用性。隨著CMOS技術的進一步發展，在集成電路市場取得更大的占有率，毫無疑問，鋰電池會具有更大的價值。
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液體中。當電池充電或放電時，鋰離子在電極之間移動。
由于鋰電池所用的材料產生每單位能量的質量比較鎳鎘電池小，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。
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方法，無需維修保養和密封。它是設計用來代替鎳鎘電池，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的鎳鎘電池低很多。
每個電池的能量隨著每個充電/再充電周期而減少，不過開路電壓實際上卻是一樣的。制造商的數據指出，堿性錳蓄電池可以再循環使用(50-70)次。
每個周期的損耗程度是由再充電開始的時間確定的。在放電過程中越早充電，殘余容量越大。電池的負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，卻能夠產生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備把鹵性錳蓄電池再充電。
遠景
新電池系統的進展是不可抗拒的。在目前可以看到，有兩種系統可能在未來(5∽10)年內占著支配地位。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***的電源了。
鋅空氣蓄電池的早期型號在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得到解決。
鋰聚合物電池的能量密度也遠超出NiMH電池。在這方面，設計人員也要面對一些問題，主要是充電/再充電次數低。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產生乙烯、丙烯和碳酸鋰造成的。
充電
已經放電或者差不多放完電的蓄電池必須再充電。過去幾十年內已經研究出一些充電的方法。一些制造商已經制成許多集成電路用作充電用途。
每種蓄電池都有特別的充電方法。已經知道鎳鎘電池能產生高的峰值電流，所以反過來，可能也要使用高的充電電流。如果把鎳鎘電池充電，以4C的充電率，在大約15分鐘內就可以把它完全充電(這就是超速充電,目前采用快速充電更為普遍，充電時間大約是一小時.)
充電器
充電器的功能是：必須把電流泵入電池，直至電池完全充電為止。優質的充電器可以探測到電池完全充電的時刻。必不可少的電子設備可以做到這點所用的方法是：監測電池兩極之間的電壓，升高的電池溫度，或者在電池中產生氣體。
鉛酸電池的充電，要把電池加上固定電壓(比電池的電動勢高)。限制電壓可以保證充電電流不超過給定數值。電池完全充電時，電流就會自動降低至較低的數值。
充電電流往往不需調節，甚至不需濾波。舉個例說，整流器的輸出電壓可以通過電阻直接加在鎳鎘電池的引線上。
另一種方法，是以脈動式固定電流充電。在兩個脈動之間的時間，可以測量電池兩端的電壓來檢查充電狀態。
還有一種方法，是在電池充電后把電池放電一段短時間。這樣做是為了減少電池中產生的氣體。還有一個好處是改善了鎳鎘電池的保存電量。
也可以用很高的電流脈動把電池充電。采用這種方法的時候，電流的平均值是和脈動/停頓比率有關的。這種方法改善鎳鎘電池保存充電量的性能。此外，它可以減少結晶，而結晶會引起電池容量隨著每個充電/放電循環而輕微降低。使用高充電電流和小的脈動時，停頓比率就好得多了。
表1列出一些重要類型可再充電電池的特性，它們都是R6型。為了方便比較，表中還列出堿性錳電池的數據。R6是IEC的參考標準，R說明電池是圓筒形，6表示特別的尺寸。
(責任編輯：王杰)
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