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可再充电的电池系统市场前景可期

发布日期:2022-11-10

锂电世界 微电子设备的市场正以前所未有的速率成长。经过分立半导体时代之后,现在使用集成电路就可以生产越来越小的便携式电子设备。在先进发达的国家,每个家庭都拥有一部便携式收音机,而每3个人就拥有一部流动电话。许多人都有遥控的汽车锁,更不要说摄录机、音频设备等遥控装置了。所有这些装置都需要电池,电池也变得越来越小,例如石英晶体手表中所用的电池那么小,而以目前的标准来说,这种电池还不算小。 大多数便携式电子设备都是以重量轻的电池供电,所以电池的市场是非常庞大的,不过本文只谈及可以再充电的电池系统。虽然这类电池有许多形状和尺寸,它们依据的基本技术却只是比较少的几种。第二次世界大战期间和以后的日子,在这类电池的始祖“铅酸电池”之后出现了一些不同的系统,它们采用不同的材料:银、镍、锌和锂等等。这些材料和许多其他材料一起使用:镍铁;镍锌;银氢;氧化银-锌;锌-空气;镉-空气;铝-空气;锂碘(几乎全世界的心脏起搏器都使用它);锂钼;锂铝等等。本文只介绍其中的几种。 铅酸电池 铅酸电池仍然是世界上最常用的蓄电池,主要是由于它应用在汽车方面,不过它也越来越多地用在其他方面。它的好处是便宜,每个电池的电压高、寿命长。它的缺点是笨重和低温特性差。 敞开式铅酸蓄电池用一个坚固的塑料防漏外壳盛载硫酸,再把一些铅板悬挂在硫酸中。密封式铅酸蓄电池面世也有多年了,虽然这些电池的产量不像非密封式电池那么多,但是用量也越来越多。 镍镉电池 镍镉电池含有1个镍质阳极以及1个装有氢氧化钾的坚固的密封塑料容器(一般电池的容量低,超过30Ah的电池通常是敞开式,需要定期添加更换电解液)。 镍镉电池具有较长的寿命(在110的速率下通常是1000小时),以及较好的低温特性。不过,它的价格也比较高。 密封式镍镉电池通常以C、Cn或XCn来评定等级的。这些数值分别代表以A表示的放电电池,其数字等于以Ah表示的额定电池容量,在1小时或n小时内放电。X表示放电电流是Ah额定电池容量的X倍。 镍镉电池发热,其容量就会比其他类型的电池降低。正是这个原因,通常镍镉电池要以较低的速率充电。但是,许多电器,例如移动电话,使用的镍镉电池都以使用快速充电器作为标准。 镍镉电池另一个问题就是不能保存充电量,所以为什么要建议这些电池在再充电之前应该完全放电。 但是,镍镉电池最严重的问题是环保方面。这种电池用完而弃置之后,垃圾弃置场合留下的镉是危险的。正是这个原因,环保工作者要求完全停止 使用镍镉电池。 镍-金属-氢化物电池 镍-金属-氢化物(NiMH)电池是镍镉电池的进一步发展,而且已经广泛使用作太空电池多年。它的结构类似于镍镉电池,不过其阴极用合金代替镉。NiMH电池在正常工作时,可以在阴极收集到氢原子而产生金属氢化物。在放电时再消耗氢而余下的金属则不变。 NiMH电池不像镍镉电池那样不能保存充电量,是可以储存电量的。它也比镍镉电池具有较高的能量/体积比率。 镍镉电池的容量随着温度的升高减少,NiMH电池就完全不同,它的容量随着温度的升高而增加。 NiMH电池的一个缺点是自放电能力比较高,只有在-10℃以下才开始稳定下来。 锂离子电池 锂电池有许多种,其中比较新型的是锂钼(LiMo)和锂离子电池。由于它的自放电性能比较低,而且每单位体积的容电量大,锂离子电池具有光明的前途。含锂的蓄电池虽然是在七十年代开发成功的,只有八十年代后期以来才进入电子设计的主流,尤其是在消费性便携式设备和非易失存储的支援用途,尺寸小、寿命长和成本低是主要的要求。 CMOS技术的进展大大提高锂的实用性。随着CMOS技术的进一步发展,在集成电路市场取得更大的占有率,毫无疑问,锂电池会具有更大的价值。 锂离子电池的阳极是由锂合金制成的,而阴极则用碳或合金制成,这些电极浸在含盐溶液的有机液体中。当电池充电或放电时,锂离子在电极之间移动。 由于锂电池所用的材料产生每单位能量的质量比较镍镉电池小,所以锂电池就轻得多。 锂离子电池的容量/体积比率是NiMH的两倍左右。 锂离子电池的寿命超过1200次循环。 可再充电的碱性锰电池 直至最近为止,碱性锰电池是典型的不可再充电的电池。但是到八十年代后期美国出现可再充电的这种电池(蓄电池),是由Union Carbide和Battery Technologies制成的,在欧洲这种电池却尚未盛行。 这种电池采用特别的电化学方法,无需维修保养和密封。它是设计用来代替镍镉电池,用于要求低起始成本和低操作成本的电子产品。碱性锰蓄电池不能像镍镉电池那样可再充电那么多次,但是它的起始成本却比相应的镍镉电池低很多。 每个电池的能量随着每个充电/再充电周期而减少,不过开路电压实际上却是一样的。制造商的数据指出,碱性锰蓄电池可以再循环使用(50-70)次。 每个周期的损耗程度是由再充电开始的时间确定的。在放电过程中越早充电,残余容量越大。电池的负载不要太大也是重要的,最好放电电流在100mA和150mA之间。 碱性锰蓄电池大约比卤性锰原电池贵一倍。但是在它的使用期限内,却能够产生20倍以上的能量,所以这样的投资是值得的。 只能用特别的充电设备把卤性锰蓄电池再充电。

[-分页标志符-] 远景 新电池系统的进展是不可抗拒的。在目前可以看到,有两种系统可能在未来(5∽10)年内占着支配地位。那就是锌空气蓄电池和锂聚合物蓄电池。 锌空气原电池早已以钮扣电池的形式用作助听器的电源了。 锌空气蓄电池的早期型号在C5放电率具有大约170Wh /kg的能量密度,这是目前再充电电池的两倍。可惜由于分隔器材料和阳极上的白金等问题,它们的充电/放电循环只限于50次左右。但是毫无疑问,这些问题在不久的将来就会得到解决。 锂聚合物电池的能量密度也远超出NiMH电池。在这方面,设计人员也要面对一些问题,主要是充电/再充电次数低。这些问题是由电池中的活性成分引起的,可能是由于锂和电解液之间的反应产生乙烯、丙烯和碳酸锂造成的。 充电 已经放电或者差不多放完电的蓄电池必须再充电。过去几十年内已经研究出一些充电的方法。一些制造商已经制成许多集成电路用作充电用途。 每种蓄电池都有特别的充电方法。已经知道镍镉电池能产生高的峰值电流,所以反过来,可能也要使用高的充电电流。如果把镍镉电池充电,以4C的充电率,在大约15分钟内就可以把它完全充电(这就是超速充电,目前采用快速充电更为普遍,充电时间大约是一小时.) 充电器 充电器的功能是:必须把电流泵入电池,直至电池完全充电为止。优质的充电器可以探测到电池完全充电的时刻。必不可少的电子设备可以做到这点所用的方法是:监测电池两极之间的电压,升高的电池温度,或者在电池中产生气体。 铅酸电池的充电,要把电池加上固定电压(比电池的电动势高)。限制电压可以保证充电电流不超过给定数值。电池完全充电时,电流就会自动降低至较低的数值。 充电电流往往不需调节,甚至不需滤波。举个例说,整流器的输出电压可以通过电阻直接加在镍镉电池的引线上。 另一种方法,是以脉动式固定电流充电。在两个脉动之间的时间,可以测量电池两端的电压来检查充电状态。 还有一种方法,是在电池充电后把电池放电一段短时间。这样做是为了减少电池中产生的气体。还有一个好处是改善了镍镉电池的保存电量。 也可以用很高的电流脉动把电池充电。采用这种方法的时候,电流的平均值是和脉动/停顿比率有关的。这种方法改善镍镉电池保存充电量的性能。此外,它可以减少结晶,而结晶会引起电池容量随着每个充电/放电循环而轻微降低。使用高充电电流和小的脉动时,停顿比率就好得多了。 表1列出一些重要类型可再充电电池的特性,它们都是R6型。为了方便比较,表中还列出碱性锰电池的数据。R6是IEC的参考标准,R说明电池是圆筒形,6表示特别的尺寸。