二次电池的特性和使用

二次电池的特性和运用
上海冶金研讨所  郭懋端（上海200050）
摘要：在现代文明中，二次电池已走入千家万户，是咱们日子中不行短少的物品。在现在市场上,首要的二次电池是铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池和锂离子电池，本文就这些电池的产生、开展、功能、出产和运用作一扼要的总述。
关键词铅酸电池镉镍电池氢镍电池锂离子电池中图分类号：TN911文献标识码：A文章编号：1563－4795(2000)12－16－04
1导言
　　电池用于需求电源的当地，是经过能量转化而获取电能的器材。化学电源是在氧化复原的电化学进程中将化学能转化为电能。一次电池是一次性运用的电池，二次电池是屡次重复运用的电池，因而这儿的二次实践上是屡次的意思。二次电池又称为可充电电池或蓄电池。
化学电源首要由正极、负极和电解质构成。二次电池作业时，正极和负极产生的反响均为可逆反响，因而运用电池后，可用充电方法，使两个电极的活性回复到初态，这样电池能再次运用，完成放电进程。二次电池的重要特征便是重复充放电，根本的反响式如下：
当电池充电时，电能转变为化学能贮存在电池中，一起随同放热进程。电池作业时，化学能转变为电能，完成向负荷供电，随同吸热进程。尽管电池反响总带有热量传输，但实践电池反响式中，往往省掉热量改变，因为咱们只关怀物质组成的改变。
关于二次电池，功能参数许多，首要有四个方针：作业电压，电池放电曲线上的渠道电压；电池容量，常用安时（Ah)或毫安时(mAh）标明；作业温区，电池正常放电的温度规划；循环寿数，电池正常作业的充放电次数。电池的功能可由电池特性曲线考虑，这些作业曲线为充电曲线、放电曲线、充放电循环曲线、温度曲线和贮存曲线。电池的安全性由特定的安全检测进行评价。
二次电池可以重复运用，契合经济实用准则，这是最大长处，天然人们最喜爱二次电池。关于二次电池，种类也不少，就现在市场上主流产品而言，有四类电池：铅酸（LA）电池，镉镍（NiCd)电池，氢镍（NiMH）电池和锂离子（Liion）电池。有些古怪，中心两种电池的中文命名和英文表达次第恰相反。本文将对这四类电池的产生和开展、结构和功能、出产和运用作一评述。
2铅酸电池
铅酸电池前史最悠长，运用仍然非常广泛，评论二次电池，不能不首要知道铅酸电池。这种电池于1859年由普兰特（Plante）创造，至今已有141年前史。一百多年来，铅酸电池的工艺、结构、出产、功能和运用都在不断开展，科学技能的开展给陈旧的铅酸电池带来繁荣的生机，假如说铅酸电池要被筛选，我认为为时过早。
铅酸电池经过极板化成，在正极板上生成二氧化铅，负极板上生成海绵状铅。在硫酸电解液中，正极电位为1．682V，负极电位为－0.395V，因而这种电池的电动势是2．077V。电池反响式如下：
铅酸电池放电作业电压较平稳，既可小电流放电，也可很大电流放电，作业温度规划宽，可在（－40～65）℃规划中作业。这种电池技能老练、本钱低价，跟从负荷输出特性好是很大长处，因而至今仍不失为蓄电池中的重要产品。但这种电池也有显着缺陷，例如分量大，质量比能量低，尽管LA电池的理论比能量为240Wh／kg，实践只要（10～50）Wh／kg，这种电池要保护，充电速度慢。
铅酸电池在近代有了严重变革，功能有了极大腾跃。首要标志是20世纪70年代开展的阀控密封铅酸电池（VRLA）。美国GatesEnergyProductsInc.创始超细玻璃纤维吸液式全密封，然后开展了阀控密封免保护铅酸电池。近十来年中，又进一步进步双极性密封铅酸电池和水平式电极密封铅酸电池。在双极性密封铅酸电池中引入强力薄板两边为正负活性物质的双极性电极，使内阻大大下降，然后大大进步比能量和充电速度，这种电池能量最高、本钱最低、寿数最长（十年）、容量更大（是一般LA电池的二倍）、不漏液、安全、不污染、可回收、免保护、便利。关于新开展的双极性和水平式LA电池，C／3放电比能量≥50Wh／kg，显现了优秀的功能。
3镉镍电池
1899年瑞典人杨格纳（Jiinger）创造镉镍电池，至今也有101年前史了，这也是一个前史久和产值大的电池。德国Varta是国际上榜首个出产镉镍二次电池的厂家。
镉镍电池的电极板运用孔隙性镍烧结板或泡沫镍，正极镍板浸渗Ni（OH）2，负极镍板浸渗或涂布Cd（OH）2，电解液大都为（30～40）％KOH。正极电位为＋0.52V，负极电位为－0.809V，它在碱性溶液中比H2O复原电位正，Cd自身是安稳的。镉镍电池的电动势为1.329V。电池反响式如下：
镉镍电池作业电压为1.2V左右，具有优秀的大电流放电功能，可在（－20～60）℃温度规划内作业。与铅酸电池相反，这种电池过充电功能好，牢靠性高。相似的碱溶液二次电池还有铁镍、锌镍、锌银、镉银等，这类电池有充放电周期数多、作业寿数长、长期不必也不影响寿数、牢靠耐久、简单运用等特色，因而有很大的产值和运用空间。总归这类电池最大长处是安稳经用，缺陷是镉较贵和污染环境。
镉镍电池种类繁复，有放置用大型电池（大都20Ah以上）和小型密封型电池，6Ah以下的圆柱形和扁平形电池，0.5Ah以下的钮扣式电池。日本三洋公司出产从40mAh到2000mAh的95种类型的镉镍电池，按用处有八类电池：一般用（标准型）、高容量（E型）、快速充电用（R型）、高温用（H型）、耐热用（K型）、长寿数（C型）、保护回忆用（S型）、扁平形（KF型）。标准型典型电池为AA型，容量600mAh，尺度:14.2mm×50.5mm，分量23g，内阻12mΩ。AAA型的容量250mAh，尺度:10.5mm×44.5mm，分量11g，内阻24Ω。在20世纪60年代，密封式镉镍电池能满意大功率放电而用于导弹、火箭以及人造卫星动力系统。
4氢镍电池
氢镍电池是出产了十年的新电池，又称为贮氢电池。20世纪70年代，荷兰飞利浦实验室在研讨榜首代稀土永磁合金时，实验了LaNi5的磁功能，竟意外地发现有很好的贮氢功能，但深化研讨发现对贮氢合金不适用，因为平衡压太高，循环寿数太短，进一步研讨和改善发现，这些缺陷都可战胜，然后为开展贮氢电池拓荒了光明之路。上世纪80年代末，已找到了电池适用的贮氢合金，典型资料为MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3，这儿Mm为混合稀土，运用混合稀土代替镧，有利于下降本钱。将贮氢合金代替镉镍电池中的镍电极，由此构成氢镍电池，二者有相同的作业电压1.2V,因而这二种电池有杰出的互换性。
假如M为贮氢合金，MH为合金吸氢后生成的氢化物，则氢镍电池的反响式可写为
氢镍电池的能量高，为镉镍电池的（1.8～2）倍，铅酸电池的3倍，有杰出的充放电功能，可随充随放，快充深放，无回忆效应，特别不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。
用于氢镍电池的贮氢资料有二大类，一类为AB5系列，如上述的Mm(NiCoMnAl)5，日本的松下、三洋、荷兰飞利浦和我国都运用这种资料。另一类为AB2系列，如ZrV2，Zr,Ni,V,Cr,Mn合金等，美国Ovonic,Gates,德国Varta等开发这类电池。经过贮氢合金组成、合金制备工艺、电极改性、电极成型工艺等研讨，不断进步氢镍电池功能。
氢镍电池与镉镍电池相似，多种多样。有圆柱形和扁平形的小电池，有钮扣式电池，也有方型蓄电池组作为动力电池用，容量为（10～20）Ah。日本三洋公司出产的AA型的容量1100mAh，尺度14.2mm×50.0mm，分量27g，AAA型的容量650mAh，尺度:10.5mm×44.5mm，分量13g。
5锂离子电池
锂离子电池是继氢镍电池后开展的更新电池。锂坐落元素周期表榜首族主族榜首位上，是金属中最轻元素，有最负的标准电位，组成电池能量密度大和电压高。1962年Boston电化学会上开端提出锂非水性二次电池，这因为锂同水简单产生析氢反响，必需运用不能被锂复原的非水溶剂，即运用非质子性的安稳溶剂。后来跟着嵌入化合物化学的开展，1976年研讨锂对石墨的电化学嵌入，1980年研讨LixCoO2和LixNiO2层状化合物，同年意大利科学家提出嵌入离子的摇椅概念。总算在20世纪90年代初，Sony公司选用碳资料作负电极、锂钴氧化物作正电极和含锂盐的有机溶剂为电解质，开宣告榜首代锂二次电池，即锂离子电池或摇椅电池。这种电池充电时锂离子从正极脱出而嵌入负极，放电时进程相反，锂离子从负极脱出嵌入正极。这种电池的作业形式是锂离子在正负电极中摇椅式来回运动。
锂离子电池负极电位相对锂电极为正，正极电位为4.0V，该电池的作业电压高，约3.6V。高电压是个长处，一个锂离子电池相当于三个氢镍电池或镉镍电池，但也可能是个缺陷，因为手机芯片电压趋向下降，这将应战3.6V锂离子电池的运用。锂离子电池的反响式为
锂离子电池有高的比能量，为氢镍电池的1.5倍和铅酸电池的3倍，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿数长，与氢镍电池相同，无回忆效应和不污染，也为绿色电池。
锂离子电池选用卷绕式结构，盖体规划杂乱，功能性多，强化了安全保护。关于这种高比能量电池，必需经过标准的安全检测评价。氢镍和镉镍电池的电解液是水溶液，而锂离子电池必需用非水性电解液，其电导率低得多，因而电极要大大减薄，有着不同的电极制备工艺，制备又薄又长的正负电极。锂离子电池相同有圆柱式、扁平式、钮扣式和动力用电池组。Sony公司的14500电池容量为500mAh，尺度?14.3mm×50.4mm,分量19g。18650电池的容量1350mAh，尺度18.4mm×64.9mm，分量40g。
锂离子电池可以很好地合作电子产品小型化、袖珍化的开展方向，手机和笔记本电脑要求又薄又轻，三洋超薄电池仅4mm厚，分量比能量160wh/kg，体积比能量360Wh/L。
最近开展的聚合物锂离子电池被称为第二代锂离子电池，因为选用导电聚合物电解质和特别的流延工艺，可简单制备特别薄的和不同形状的电池。美国和日本先后宣告开端聚合物锂离子电池的出产。松下公司的聚合物锂离子电池容量为600mAh，尺度为3.6mm×35mm×62mm，分量15g。
6二次电池的出产和运用
20世纪中，信息、通讯和电子电器等繁荣开展，大大推动了电池工业的开展。特别近三十年中，二次电池开展迅猛，老电池变革，生机大大勃发；新电池诞生，功能节节攀升。新老电池齐上阵，习惯了新日子的要求，供给了新年代的先进电源。电池工业将是本世纪最有开展前途的工业之一。
美国和日本是电池科技大国，日本更是电池出产大国。在日本,20世纪90年代曾经，铅酸电池产值最高，但跟着镉镍电池产值不断上升，1991年超越铅酸电池，重生的氢镍电池和锂离子电池开展很快，1995年氢镍电池年产3.1亿个，锂离子电池仅3.2千个，镉镍电池产值根本不变。1999年，氢镍电池年产值8.53亿个，锂离子电池为4.03亿个。在产值方面，锂离子电池于1996年超越氢镍电池，1997年超越镉镍电池，坐落二次电池之首。
小电池运用广泛，深化到千家万户。例如,通讯设备：蜂窝电话、移动电话、寻呼机等;办公设备：笔记本电脑、个人数字助理（PDA）、快译通等;家用电器：遥控器、剃须刀、电动牙刷等;音像设备：收音机、录相机、数码照相机等;电动玩具：机器人、电动车、无线电操控等;电动工具；钻孔机、电锯、电焊机等;消防照明：探照灯、闪光灯、拍摄灯等。
大电池用于邮电通讯、电子电力、交通运输等部分。开展电动车船运用的动力电池是完成电动轿车等无污染交通运输的关键问题。这已是国内外都非常重视和大力开展的项目，一些环保轿车已在实验性运转。车用电池的功能比较如表1所示。
　　以上多种电池功能比较标明，锂离子电池和氢镍电池是开展车用动力电池的优先选择，并且自身是绿色电池。
　　我国大量出产铅酸电池，年产已超越3000万kVAh，1996年的出产厂家已有4000多家，但大厂很少。我国也引入先进的出产线，出产阀控式密封铅酸蓄电池，产品用于邮电、通讯、电力、UPS电源、铁路交通运输等。杭州南都电源集团年产能力37万kVAh，是我国规划最大的VRLA蓄电池制作企业之一。山东宏安集团蓄电池厂近来宣告推出国际创始的智能型密封铅酸蓄电池，下降电动车运转本钱，进步深循环寿数。开封双飞电源公司运用薄板栅（0.3mm)和纳米资料制备密封铅酸蓄电池，比能量达50Wh/kg。镉镍电池方面我国出产厂家是日本的三倍，但出产值仅是日本的三分之一，相似于铁氧体状况，日本这方面出产正向我国搬运。我国开展了几十条氢镍电池出产线，建立了研讨中心和中试基地，也有出产工厂。例如上海友申电气有限公司出产亿力氢镍动力电池和亿力电动车。山东华盛集团出产安琪尔电动自行车，选用氢镍电池和免保护铅酸电池为动力，该集团具有自称国内领先水平的Ni?MH动力电池正负极板线、电池装配线、检测线，年出产能力1000万Ah。国内大大都Ni?MH电池出产厂也是小批量出产，年出产值不及日本大厂周的出产值。在出产技能、出产规划、产品质量上与国外存在较大距离。天津较早开发Ni?MH电池的工厂近期停产，标明高功能电池出产的风险性。锂离子电池国内也有一些出产开发厂家，例如天津力神电池股份有限公司是国内规划最大的锂离子电池出产基地，产品有圆柱形和方形两种系统九个种类。出产的方形电池063467，容量900mAh，尺度6mm×34mm×67mm，分量36g。厦门宝龙工业有限公司致力于开发聚合物锂离子电池出产。限于我国电池工业的技能和规划，在开展动力电池方面大大都面向电动自行车，这也契合我国自行车大国的国情。例如金华复旦电动车船制作有限公司选用上海复旦大学专利技能出产高效能免保护36V/12Ah电池组合。北京东大洋电器有限公司出产国际先进水平的铅—高分子复合式极板铅酸蓄电池，其产品电压12V，容量12Ah和24Ah，分量分别为3.7kg和7.6kg。上海友申电气有限公司出产氢镍动力电池组，其产品容量14Ah，电压24V和36V，分量分别为5.6kg和9.0kg。
我国在开展高功能二次电池方面，有些单位显现了他们技能创新的先进效果。例如深圳中星轿车制作公司经过中美科学家十年尽力，创造了国际上榜首只超级大功率电池，首要资料由纳米及活性碳制成，具有长期放电的特性，又有突发大功率的特性。比能量是铅酸电池的近十倍，体积为铅酸蓄电池的1/16，寿数长达10年以上，充放电次数大于1000次，价格是锂电池的1/2，广东仪强科技有限公司出产经国家质量检测的高能胶体动力蓄电池，容量高，充电快，寿数长，五个种类，电压为3.8V，容量分别为10Ah、40Ah、100Ah、200Ah和2000Ah，分量分别为0.15kg、0.86kg、1.4kg、1.6kg和8.75kg。博信电池（上海）有限公司出产锌空气电池PZT—300，24V，3000Wh，比能量高达176Wh/kg，电池分量18kg。PZT—1500，12V，1500Wh,比能量214Wh/kg，电池分量7kg。在当今国际领域中，现在只要博信电池最接近“美国先进电池联合会”拟定的电动车动力电池的功能、价格和寿数的方针。
表1动力电池功能表
电池 电压V 分量比能量wh/kg 体积比能量wh/l 功率密度w/kg 循环寿数次 自放电％/月 作业温区℃
Liion 3.6 120 290 300 >1000 10 －20～40
Ni－MH 1.2 80 200 250 >1000 15 －20～40
Ni－Cd 1.2 60 140 250 >1000 15 －20～40
Pb－PbO2 2.0 40 70 150 300～500 5 －10～40
Na－S 1.8 100 100 90 200 0 >330
　
7小结
众所周知，电与文明有不行分割的联系。电池是电源的重要弥补部分，小小电池已是大众化产品。一百年前的铅酸电池和镉镍电池经过改善，仍然非常有用，近十年开展的氢镍电池和锂离子电池更具有宽广的开展空间。新旧电池都将继续开展，不断进步。高功能二次电池便是高技能产品。就像冒出氢镍电池和锂离子电池相同，新电池还会在新世纪中诞生，更好地满意文明年代的更高要求。咱们的急迫使命是加强电池科技开展，进步技能创新力度，创始电池工业新局面。