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比较一下:镍镉电池、镍氢电池、锂电池

镍镉电池
  镍镉电池(Ni-Cd Rechargeable Battery)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,一般使用以下反应放电:
  Cd+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2
充电时反应相反。
镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成,石墨不参加化学反应,其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成,氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性,防止结块,并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中,加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。
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,在电池充放电的过程中(放电较为明显),会在电池极板上产生些许的小气泡,日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。NiCd电池在使用过程中,如果放电不完全就又充电,下次再放电时,就不能放出全部电量。比如,放出80%电量后再充足电,该电池只能放出80%的电量。这就是所谓的记忆效应。】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
  镍氢电池(Ni-MH Rechargeable Battery)中的“金属”部分实际上是金属互化物。许多种类的金属互化物都已被运用在镍氢电池的制造上,它们主要分为两大类。最常见的是AB5一类,A是稀土元素的混合物(或者)再加上钛(Ti);B则是镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn),(或者)还有铝(Al)。而一些高容量电池的“含多种成分”的电极则主要由AB2构成,这里的A则是钛(Ti)或者钒(V),B则是锆(Zr)或镍(Ni),再加上一些铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)和(或)锰(Mn)。
所有这些化合物扮演的都是相同的角色:可逆地形成金属氢化物。电池充电时,氢氧化钾(KOH)电解液中的氢离子(H+)会被释放出来,由这些化合物将它吸收,避免形成氢气(H2),以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时,这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。
镍氢电池也有记忆效应,但远小于镍镉电池,大于锂离子电池。每次充电前没有必要进行放电操作(反而可能因为不规范放电损害电池),每3个月进行一次完全充放电可以缓解记忆效应(实际上记忆效应并不明显,不太在乎的可以无视)。
锂离子电池
锂系电池分为锂电池和锂离子电池。锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。它们是20世纪开发成功的新型高能电池。
锂电池的负极是金属锂,正极用MnO2,SOCL2,(CFx)n等。70年代进入实用化。因其具有能量高、电池电压高(额定电压为3V,是一般碱性电池的2倍;终止放电电压为2V)、工作温度范围宽(-20℃~+60℃)、贮存寿命长(储存时间3年以上)等优点,已广泛应用于军事和民用小型电器中,部分代替了传统电池。例如,以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。不过,目前手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池,通常人们也俗称其为锂电池。真正的锂电池由于危险性大(见本文末说明),没有应用于日常电子产品。
锂电池组装完成后电池即有电压,不需充电.这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。
后来,索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。同样,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出, 又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在锂电池的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。锂离子电池就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以人们又叫它摇椅式电池。
按材料的不同,锂离子电池目前分液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其中,液态锂离子电池是指 Li + 嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiCoO2或LiMn2O4,负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于能量密度大、平均输出电压高、自放电小(每月在10%以下)、没有记忆效应、工作温度范围宽为-20℃~60℃、循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达100%,而且输出功率大、使用寿命长、没有环境污染,被称为绿色电池。
目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用,预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。
 
电压与重量
以每一个单元电池的电压来看,镍氢与镍镉都是1.2V,而锂离子电池则为3.6V,约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压。并且同型电池的重量锂电池与镍镉电池几乎相等,而镍氢电池却比较重。可知,每一个电池本身重量不同,但锂离子电池因3.6V高电压,在输出同等电压的情况下使用单个电池组合时,数目可减少3分之1而使成型后的电池重量和体积减小。
因为锂离子电池一般有高于3.0伏的标称电压,更适合作集成电路电源。广泛用于计算机,计算器,照相机、手表中。现在,锂电池大量应用在手机上,可以说是最大的应用群体。
  锂离子电池的比能量大,目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L(2倍于Ni-Cd,1.5倍于Ni-MH),未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400 Wh/L。【比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位,W是瓦、h是小时;kg是千克(重量单位),L是升(体积单位。】
 
自放电率
自放电率即电池不使用时失去电荷的速率。
镍镉电池为15~30%(月)。镍氢电池为25~35%(月),锂电池为2~5%(月)。以上镍氢电池的自放电率为最大,而锂电池的特长与其他两类电池相比放电率极低。
由于锂电池的自放电率极低,放电电压平缓,使得起搏器植入人体长期使用成为可能。
 
给电池充电
镍镉电池
镍镉电池在充电回路和镍氢电池类似,采用1.6倍电压充电。通常镍镉电池的充电次数为300~800次, 在充放电达500次后电容量会下降至约80%。镍镉电池的记忆效应比镍氢电池来的严重,故必须在完全没电时才可进行充电, 以确保使用寿命。
  在0.05C至大于1C的范围内对NiCd电池恒流充电。一些低成本充电器使用绝对温度终止充电。虽然简单、成本低,但这种充电终止方法不精确。更好的方法是通过检测电池充满时的电压跌落终止充电。对于充电速率为0.5C或更高的NiCd电池,-ΔV方法是最有效的。-ΔV充电终止检测应与电池温度检测相结合,因为老化电池和不匹配电池可能减少ΔV。
  通过检测温升速率(dT/dt)可以实现更精确的满充检测,这种满充检测比固定温度终止对电池更好。基于ΔT/dt和-ΔV组合的充电终止方法可避免电池过充,延长电池寿命。
  快速充电可改善充电效率。在1C的充电速率下,效率可以接近1.1 (91%),充满一个空电池的时间为1小时多一点。当以0.1C充电时,效率便下降到1.4 (71%),充电时间为14小时左右。
因为NiCd电池对电能接收程度接近100%,所以几乎所有的能量在充电开始的70%期间被吸收,而且电池保持不发热。超快速充电器利用该特点,在几分钟内将电池充到70%,以几C的电流充电而无热量产生。充到70%后,电池再以较低速率继续充电,直到电池充满。最后以0.02C至0.1C的涓流结束充电。
镍氢电池
镍氢电池及锂电池都无法耐过充电。因此,镍氢电池以定电流充电的PICK CUT 控制方式在充电电压达到最高时,停止继续充电为最好的充电方式。
一般情况下,新的镍氢电池只含有少量的电量,大家购买后要先进行充电然后再使用。但如果电池出厂时间比较短,电量很足,推荐先使用然后再充电。新买的镍氢电池一般要经过3-4次的充电和使用,性能才能发挥到最佳状态。虽然镍氢电池的记忆效应小,仍然推荐大家尽量每次使用完后再充电,并且是一次性充满,不要充一会用一会然后再充。电池充电时,要注意充电器周围的散热,太刻意用什么风扇吹没有什么必要,但要注意的是充电器周围不要放置太多杂物。
  长期不用的镍氢电池会在存放几个月后,电池自然进入一种“休眠”状态,电池寿命大大降低。如果镍氢电池已经放置了很长的时候,建议先用慢充进行充电为宜。据测试,镍氢电池保存的最佳条件是带电80%左右保存。这是因为镍氢电池的自放电较大(一个月10%-15%左右),如果电池完全放电后再保存,很长时间内不使用,电池的自放电现象就会造成电池的过放电,会损坏电池。尽量不要对镍氢电池放电,过放会导致充电失败。(可以用万用表自检电池充满与否。一般镍氢电池在充电前,电压在1.2V以下,充满后正常电压在1.4V左右。)
  充电器主要分为快充和慢充。慢充电流小,通常在200mA左右,比如我们常见的充电电流是在160mA左右。她的充电时间长,充电1800mAh的镍氢电池要16个小时左右。时间虽然是慢了些,可是充电会充的很足,并且不伤电池。快充电流通常都在400mA以上,充电时间明显减少很多,3-4个小时就可以搞定。快充种类很多,价格不一。好的充电器特别是好的快充都带有防过度充电保护功能的。
慢充不伤电池但是充电时间太长;快充可以节省时间,但对电池有伤害,建议买一个快充和一个慢充。用快充充一段时间,比方5、10次之后,改用慢充充电一两次。这样就又把电池的性能恢复到最佳状态。
锂离子电池
锂离子电池需充足电后保存。在20℃下可储存半年以上,可见锂电池适宜在低温下保存。曾有人建议将充电电池放入冰箱冷藏室内保存,的确是个好主意。
锂电池存在自放电现象,长时间保存会导致电池过放电而破坏电池内部结构,减少电池寿命。因此长期保存的锂电池应当每3~6个月补电一次,即充电到电压为3.8~3.9V(锂电池最佳储存电压为3.85V左右)为宜。电池放置一段时间后则进入休眠状态,此时容量低于正常值,使用时间亦随之缩短。但锂电池很容易激活,只要经过3—5次正常的充放电循环就可激活电池,恢复正常容量。由于锂电池本身的特性,决定了它几乎没有记忆效应 。因此用户新锂电池在激活过程中,是不需要特别的方法和设备的。从一开始就采用标准方法充电就是最好的 “自然激活”方式。
应该强调,过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电,特别是不要进行超过12个小时的超长充电。
  锂电池的充电器在电池充满后都会自动停充,并不存在镍电池充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。也就是说,如果锂电池在充满后,放在充电器上也是白充。因无法保证电池的充放电保护电路的特性永不变化和质量的万无一失,所以不应该长时间充电。
  因为充放电的次数是有限的,所以应该将锂电池的电尽可能用光再充电。有一个关于锂离子电池充放电循环的实验表,关于循环寿命的数据列出如下:
  循环寿命 (10%DOD):>1000次
  循环寿命 (100%DOD):>200次
其中DOD是放电深度的英文缩写。从表中可见,可充电次数和放电深度有关,10%DOD时的循环寿命要比100%DOD的要长很多。当然如果折合到实际充电的相对总容量:10%*1000=100,100%*200=200,后者的完全充放电还是要比较好一些。实际上,当出现机器电量过低提示时,应该尽量及时开始充电,以免影响机器的正常运转。
附:使用锂电池注意防火
  锂电池具有体轻、高效、耐低温(-40℃)等优点,0.3mm厚、邮票大小的锂电池可连续使用5年以上,近年来正逐步淘汰现用的碱性干电池和锰电池,广泛应用于许多高档家电和手机中。
  锂电池不同于现用的锰电池和碱性干电池的氯化锌和氢氧化钾水溶电解液,它使用的是有机溶媒。锂电池正极采用二氧化锰、氟化铅、氯化亚硫等材料。负极采用的锂金属箔同一般电池负极使用的氯化锌相比,离子化倾向强、正负极电压差大,这样提高了锂电池的工作效能。
  但是,锂电池在使用过程中常常会出现发热、燃烧现象,轻者影响主机使用,重者还会烧毁主机引起火灾。
锂电池为什么会发热、燃烧呢?原来锂电池中的许多材料与水接触后,可发生剧烈的化学反应并释放出大量热能导致发热、燃烧现象。锂电池正极的二氧化锰,只沾一小滴水便可出现发热现象。锂电池中的氯化亚硫与水接触后,在生成盐酸和二氧化硫的同时释放热能,几种因素使锂电池成为生活中的“火种”,因此人们在使用锂电池时一定要注意防水、防潮湿。各种主机停用后,应取下锂电池置于干燥、低温处妥善保管,以预防和避免因锂电池使用不当而引起家庭火灾事故的发生。

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