锂电池的一些基本知识

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1、一、电池的化学知识 物质发生化学反应的种类有多种，其中一种是氧化还原反应，在这种反应中，实际是电子在反应物中的转移过程。通常把提供电子的物质叫还原剂，接受电子的物质叫氧化剂。在电池体系里，一般把这些还原剂或氧化剂统一称作活性物质，活性物质在电池体系中发生的氧化还原反应就是电池反应。原剂或氧化剂和导电骨架加工在一起，便成了电极，其中，还原剂电极发生电池反应时是失去电子，叫负极，而由氧化剂组成的电极在反应中则得到电子，叫正极，对于可充电的电池，正极又叫阴极，负极又叫阳极。当电极插入到相关的溶液时，便获得了一电势，一般称为电极电位.正极，负极处于一相同溶液体系之下是否有电位差，是能否发生电池反应的必

2、要条件。1.1. 电池的工作原理和分类 电池是将物质的化学能转变成电能的一种装置。电池工作时，负极（阳极）发生化学反应，给出电子，电子通过外部电子通道传到正极（阴极）并被其消耗，就这样，电池工作时，电子会源源不断的从负极（阳极）跑出来，通过外部电路到达正极（阴极），直到两电极中某一方被消耗完，电子才会停止转移。电子的定向流动便成为电流，最终获得电能。1.2.电池的组成 要使电池能连续工作，必需包含以下部分：电极，电解质，隔离物以及电池外壳。1.2.1 电极一般由活性物质和导电骨架组成，如前所述，又分为正（阴）极和负（阳）极，是电池的核心部分，是电池产生电能的源泉，通过两极上活性物质和化学变化使

3、化学能转变为电能，导电骨架主要起着传导电子和支撑活性物质的作用，又叫集流体。1.2.2 电解质的一般作用是完成电池放电时的离子导电过程。电池工作时，负极提供的电子通过电池体系的外部电路到达正极从而提供电能，要实现这个能量转换过程，还必需要有一个内部离子导电过程以完成电流回路。离子的正向移动产生电流，电解质的导电就是通过其内部体系的离子迁移从而实施离子导电。1.2.3 隔离物能常是指置于电池正负极之间的材料，其作用是阻止正、负极活性材料的直接接触，防止电池的内部短路，并能阻挡两极粉状物质的透过。对隔离物的要求必需是电子的良好绝缘体，并具足够过高的化学稳定性，但对离子的迁移阻力应尽可能的小。1.2

4、.4 电池的外壳是贮存电池其他组成部分的容器，起到保护和容纳其他组成部分的作用（有的电池是用电池活性材料做成，还参加电池反应）。所以一般要求壳体有足够的机械性能，且壳体材料不影响电池的其他组成部分，为防止壳体免受其他组成部分的影响，一般要求壳体材料有足够高的化学稳定性。1.2.5聚合物电池的工作原理 锂离子电池用两种不同的锂离子嵌入化合物组成，充电时，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。在充放电过程中，就是锂离子不断在阴、阳极之间穿行过程（嵌入和脱嵌），

5、就象摇椅在摇一样，因此被形象称为“摇椅电池”。 二、基本术语2.1一次电池(Primary battery): 电池仅能放电，当电池电力用尽时，无法再充电的电池.市售的碱性电池，锰干电池，水银电池等，皆属一次电池。2.2二次电池(Rechargeable battery): 电池电力用完后，可经由充电重复使用之电池，如:铅酸，镍氢，锂离子电池等。2.3额定容量(Nominal Capacity): 一般电池的蓄电量，会以mAH-毫安小时或AH-安培小时来表示，二次电池当电池充饱电后，按指定的电流放电至截止电压时，所能取出之电量，就是此电池的容量。 2.4额定电压(Nominal Voltage

6、): 电池正负极材料，因化学反应，所造成之电位差高低，利用呕鳒Y，所产生的电压，称为额定电压.不同的正负极材料，产生的电压不同，如: 铅酸电池-2V/cell， 镍氢电池1.2V/cell， 锂离子电池3.6V/cell。2.5内阻: 电池为许多化学材料组成， 其都有一定的阻抗，电池的高低内阻往往影响充放电的特性。2.6正极(Positive Electrode): 符号为 ，电位较负极高。2.7负极(Negative Electrode): 符号为 - ，电位较正极低。2.8电解质(Electrolyte): 当正负极间引起化学反应时， 可使离子移动之离子导电体， 而不是电子导电体， 主要在

7、传递整个电化学反应离子的传导工作。 2.9隔离膜(Separator): 置于正负极板中， 为一微孔性及多孔性之薄膜， 材质以PP，PE为主，主要在隔离正负极板，防电子短路，可使离子通过，并具保持电解液的功能。2.10 C-rate: 用来表示电池充放电时电流大小的比率单位. 如: 容量1600mAh的电池，0.2C 代表以320mA的电流来进行充电或放电，1C代表以1600mA. 此比率单位C-rate 对于二次电池是重要的观念。2.11放电截止电压(Cut-off discharge voltage): 电池在放电试验时，到达终点的电压。 一般Ni-MH电池设定为1.0V，Li-ion电池

8、设定在3.0V或2.75V. 2.12开路电压(Open circuit voltage，OCV): 指电池在无负载的情况下，电池正负极之间的电压。2.13过放电(Over discharge): 超过电池放电截止电压值，若继续放电则可能造成电池漏液或劣化。2.14放电深度(Depth of discharge，DOD): 与电池额定容量比较，放电电量的比率。2.15过充电(Over charge): 电池到达饱充状态后，再继续充电的程度大小，过度充电可能会使电池劣化。2.16能量密度(Energy density): 表示方法有两种，一为体积能量密度(Wh/l)，另一为重量能量密度(Wh/k

9、g)，用以表示单位体积或单位重量能取出的能量.常用于表示各种化学材料所能提供能量的参考。2.17自我放电(Self discharge): 电池在储存过程中，电池蓄电容量会逐渐减少的现象，所以一般储存电池时都有一储存温度范围，过高的温度会加速电池的自我放电。2.18循环寿命(Cycle life): 二次电池在反复充放电的使用下，电池容量会逐渐下降，通常以该电池的额定容量作标准，电池容量降至其80%或60%时的充放电次数，称为循环寿命。2.19记忆效应(Memory effect): 电池在没有放完电的情况下，若施以充电，则电池容量可能无法回到原有的水准，但若施以强制深度放电后在充电，容量可能

10、就能回复，通常此种现象常发生于镍镉电池上。2.20恒电流(Constant current，CC): 以固定的电流对电池充电或放电。2.21恒电压(Constant voltage， CV): 以固定的电压对电池充电，充电电流会随着电压值接近而下降，对于Li-ion电池充电，一般使用CC-CV充电模式， 前段采用CC，当电池电压到达4.2V，转用CV充电。2.22涓流充电(Trickle charge): 以一微小的电流对电池充电， 常用于对电池开始充电前或充饱电后。 2.23串并联(Series and parallel): 电池串联来提高电压，以并联来提高电池容量，如: Notebook电

11、池，用12颗Li-ion电池，以4串3并的组合，来符合Notebook的工作电压及延长操作时间。三. 电池发展历史 在过去的几十年，再充电电池在高容量和小型化方面的改进比较缓慢。与微电子等巨大进步的领域相比较，电池技术明显的缺乏进步。想一下六十年代的计算机存储芯片，和它与现代的具有相同计算字节的微芯片比较。现代的微芯片将一个立方体的脚放入一个很微小的芯片里。类似的尺寸上的减少简直就是将一个重型汽车的电池压缩进一枚硬币大小的尺寸里。因为电池仍然是以电化学过程为基础的，一个硬币大小的汽车电池，以我们目前的技术不可能生产出来。 研究已经带来了很多种制造电池的化学品，每一种都能够提供各自独特的优点，但

12、是没有哪一种能够体构一个完全满意的解决方案。当然，随着现在可选择性的增加，最佳的选择可以适用特殊用户的应用要求。 例如，消费市场要求高的能量密度和小型化的电池。主要是用来维持便携设备的适当的使用时间，这些设备愈加变得功率更大而且耗能更多。不断的减小便携设备的尺寸，迫使电池生产商开发更小的电池。但是这必须以不牺牲使用使用时间为前提的。将更多的能量包裹再一个包里，其他的一些特质通常就被牺牲了，其中一个就是电池寿命。 镍镉系电池被发现具有长的循环寿命和可预见的小内阻，但是，这种化学物质正在被替代，在那些能应用提供长的使用时间体系的地方。另外，对公开的记忆现象和涉及废弃后的毒性的问题持否定的观点，使得

13、生产商寻求其他的选择。 曾经作为超级电池体系而受到欢迎的镍氢电池已经不能提供21世纪所有的电池解决方案了，比期望寿命短，是主要的问题所在。 以锂为基础的电池可能是最佳的选择，特别是在快速移动的商业市场。免维护而且可靠，由于锂离子电池能够提供小型化和长的使用时间，使得它成为了很多领域的首选。但是这种电池体系也不是没有问题。即使是电池不使用时，相对较快的老化作用限制了电池的寿命在两到三年。另外，限流保护电流限制了放电电流，致使锂离子电池不适合重负荷要求的应用。锂离子聚合物电池也表现了与锂离子电池相同的特性。这种体系主要的突破性进展还没有取得。确实它能够提供非常小的电池，但是这是以换取更小的能量密度

14、来实现的。 随着今天技术的快速发展，不使用镍，铅和锂的电池体系会很快变成现实。燃料电池，能够通过连续的补充燃料而不间断的工作，这可以解决未来便携能源的需求。用户使用瓶装的液体能量代替充电。这种电池或许真的可以改变我们的生活和工作方式。 本电池知识论述主要针对最普通的消费者和工业上使用的镍镉、镍氢、铅酸和锂离子/聚合物电池。也包括可循环使用的碱性电池来对比。为了清楚的原因，其他的可充电电池体系没有包含在里面。那些超乎寻常的和奇妙的新电池的发明只能存在于实验室。其他的也许被用在特殊的应用领域，例如军事和航空上。因为本知识论述是针对非专业人士的，所以希望尽可能的将事情简单化。电池是什么时候发明的？

15、最近400年里，最重要的，最新颖的发现之一就是电的发现。有人会问：“电的发现有如此长的时间吗？”答案是肯定的，而且或许更长。但是实际对电的使用仅仅是从18世纪中叶到晚期才被我们所支配，而且开始只是有限的方式应用。例如，1900年的巴黎世界展览会上，最主要的具有吸引力的事情之一就是架在塞纳河上的电灯桥。 最早的产生电的方式是产生静电荷。在1660年，奥特.格里科创造了第一个电的装置，这个装置包括了一个大的硫磺球，当旋转荷摩擦时，这个硫磺球能吸引羽毛和小纸片。格里科能够证明产生的火星真的是电的。 被认为第一次静电的应用是亚历桑的罗.伏特发明的所谓的“电手枪”，是一根电线放在充满甲烷气体的广口瓶里。

16、通过电线传送电火花，这个广口瓶就爆炸了。 伏特那时想使用这个发明来提供长距离的通信，虽然只是可以传递逻辑信号。一条用木杆支撑的铁线从意大利科摩到米兰连接起来。在接收端的尽头，这条线放在在一个充满甲烷气体的广口瓶里。一个电火花通过这条线传送，引爆电手枪，从而发出了一个信号。这种通信连接从未建立。伏特通过电流电解水的发明导致了电化学的建立。 1791年，在博洛尼亚大学工作期间，加尔瓦尼发现了蛙的肌肉在被金属物体接触后发生了收缩的现象。这个现象被成为生物电-种误称，因为后来这个理论被证明了。在这些试验的鼓励下，伏特开始了一系列的试验，这些试验用锌、铅、锡或者铁做正极。铜、银、金或者石墨做负极片。 1

17、800年，伏特发现了当使用一定流体做导电剂促进金属之间或者电极之间的化学反应，可以产生连续的电流，这导致了第一个伏打电池的发明，以及众所周知的伏打电堆，伏特进一步发现了当把伏打电池垒叠起来时，电压能增加。 同一年，伏特向伦敦的皇家社会发表了他的关于持续电流来源的发现，试验不再是被限制在持续不到一秒钟的火花的短暂的显示，表面上无尽的电流现在是存在的。 法国是最先正式的认识到伏特的发现的国家之一，在当时，法国正在接近科学进步的高度，张开双臂欢迎新的想法，以支持政治议程，通过邀请，伏特在法国研究院做了一系列的讲座，拿破仑.巴拿马作为研究院的成员出席了这些讲座。 伏特的发现给世界留下了如此深的印象，以

18、至于1800年11月，他被法国国家研究院邀请讲座，拿破仑.巴拿马参加了这些讲座。不久，拿破仑亲自进行了试验，从电池里引起火花，熔化了金属丝，进行了电手枪放电和把水分解成元素。 新的发明出现了，安全矿灯的发明者哈姆菲.大卫爵士在伦敦皇家研究院的拱顶上安装了最大的而且能量巨大的电池。他将电池与木炭电极连接起来制成了第一个电灯，据目击者称，他的电弧灯制造了“所见过的最炫丽的向上拱形的光”。 大卫最重要的研究工作致力于电化学的研究。在加尔瓦尼试验和伏打电池的发明之后，普遍的对化学产生的电流很有兴趣。1800年，大卫开始对电流的化学效应进行试验，不久，他发现通过对一些物质通以电流，这些物质可以分解，这个

19、过程后来被称作电解。产生的电压与金属和电解液的反应有直接的关系。显然地，大卫猜想电解地行为和伏打电池是相似地。1802年，William Cruickshank博士设计了第一个可以大规模生产地电池。Cruickshank将正方形地铜片在底部与同样大小的锌片焊接起来。将这些片放在一个长方形的木盒里，用黏合剂将它密封起来。盒子里的开槽可以使金属片固定在一定的位置上。盒子里充满盐溶液或酸溶液的电解液。 不久以后，发现了第三种产生电的方式磁力生电。1820年，Andr-Marie Ampre（17751836）发现通有电流的电线有时能吸引另一根电线，而有时它们又是相排斥的。1831年，迈科尔.法拉第（

20、17911867）证明了当铜制圆盘在一个很强的磁场里旋转的时候，使怎样产生恒定电流的。法拉第帮助大卫和他的研究团队成功的从一个线圈和永磁体之间的运动中产生出源源不断的电力。这就发明了发电机。将这个过程反过来，就发明了电动机。从那以后的不久，变压器得到了发展，能够使电流转换称希望得到的电压。1833年，法拉第发表了电化学的基础法拉第定律，描述了电解池中的物质减少的数量。 1836年，英国化学家约翰.丹尼尔开发了一种改进型的电池，这种电池与伏特发明的电池比起来能够提供一个更加稳定的电流。直到这时，所有的电池组都是由一次电池组成的，也就是说他们不能再充电。1859年，法国物理学家Gaston Pla

21、t 发明了第一个可再充电电池。这种二次电池是以铅酸体系为基础的，今天也一直再使用。 英国化学家William Cruickshank开发了一种电池，是将锌片和铜片放在一个充满电解液的木盒子里。这种设计具有使用时无需烘干以及可以提供比伏特电池更多的能量的优点。 进入1800年代末期，大的发电机和变压器被制造出来。输电线路架设起来了，产生的电被人们用来制造光，热和动力。在20实际早期，电的使用更加的先进，真空管的发明能够产生的信号，使其放大和探测，从那不久以后，无线电被发明了出来，使得无线通信成为可能。 1899年，瑞典人Waldmar Jungner发明了镍镉电池，这种电池使用镍做正极，镉做负极

22、。两年之后，爱迪生做了一个替换性的设计将镉用铁来代替，由于与干电池或者铅酸蓄电池比较起来相对高的材料成本，使得镍镉和镍铁电池的实际应用收到了限制。 直到1932年Shlecht和Ackermann发明了烧结电极之后才取得一些巨大的进步。这些进步表现在更大的负载电流和改良的寿命方面。只是在1947年Neumann成功的完全密封电池之后，密封镍镉电池才得以使用，就像我们今天所了解的一样。 从很久以前开始，人们就对电有了依赖，没有电的技术进步是不可能的。随着移动需求的增加，人们的注意力转移到了便携式能源储存首先是轮子上的应用，其次是便携和最终穿戴上的应用。像早期的电池那样，即笨重又不可靠，也许有一天

23、我们的后代再看今天的技术时，就像我们现在是如何看待100年前我们的前辈们的笨拙的试验一样。电池的发展历史1600 Gilbert (英国)建立电化学研究1791 Galvani (意大利) 发现生物电1800Volta (意大利)发明伏打电池1802Cruickshank (英国)第一个富液式电池1820Ampre (法国)磁力生电1833Faraday (英国)发表法拉第定律1836Daniell (英国)发明丹尼尔电池1859Plant (法国)发明铅酸电池1868Leclanch (法国)发明 Leclanch 电池1888Gassner (美国)完善干电池1899Jungner (瑞典

24、)发明镍镉电池1901Edison (美国)发明镍铁电池1932Shlecht & Ackermann (德国)发明烧结电极1947Neumann (法国)成功密封镍镉电池Mid 1960Union Carbide (美国)一次碱性电池开发Mid 1970阀控铅酸电池开发1990镍氢电池商品化1992Kordesch (加拿大)重复使用碱性电池商品化1999锂离子聚合物电池的商品化2001质子交换膜燃料电池的预批量生产 电池可能更悠久。有人认为，帕提亚人统治巴格达时期使用电池电镀银，据说埃及人在4300年以前就能向铜上电镀锑。电池化学物质 电池初学者经常认为现在使用的先进的电池体系能提供高的电

25、流密度，进行1000次的充放电循环而且像纸一样薄。这些属性的确是可以达到的但是不是在同一只电池里，假设一只电池被设计成小型的和长的使用时间，但是它会受到循环寿命的限制，另一只电池也许被做成经久耐用的，但是它可能会比较大而且容量较大，第三只电池或许有高的能量密度和长的耐久性，但是对消费者来说会很昂贵。 电池生产商很明白的直到消费者的需求，而且通过提供最符合特别应用的电池作出了回应。移动电话行业就是这样一个灵活反应的例子，在这个市场上，最重要的是小型化和高能量密度。寿命退居第二位。 提到电池里的镍氢物质，它本身不能保证高能量密度。例如，移动电话中使用的棱型的镍氢电池，被做成细长的形状，只有60Wh

26、/kg的能量密度。这种电池的循环次数也被限制在300次左右。与之对比，圆柱型的镍氢电池提供80Wh/kg或者更高的能量密度，这种电池的循环次数是中等偏低，打算用在工业上的和电动汽车上的持续1000次放电到80放电深度的高耐久性的镍氢电池，包装成巨大的圆柱型，这些电池的能量密度大约是70Wh/kg. 同样的，用在国防上的锂离子电池的能量密度远远超过相同的商用电池。不幸的是，这些超高容量锂离子电池被认为是不安全的，而且普通大众也是买不起的。 提到能量密度和循环寿命，本知识论述指的是中间的能合理的这种尺寸，能量密度，循环寿命和价格的商业电池，不包括那些只有在受控环境中存在的电池。化学物质的比较 让我

27、们研究一下目前普遍使用的电池体系的优点和局限性。对它们的比较不仅从能量密度方面，而且从寿命、负载特性、维护要求、自放电和操作成本方面。因为镍镉仍然是其他电池比较得基础，那么让我来评价一下这种典型电池的可替代物质。镍镉成熟而且研究充分的物质，但是相对较低的能量密度。镍镉被用在长寿命，高倍率放电和经济实惠比较重要的地方，主要的应用是双通道无线电，生物医药设备，专业摄录机和动力工具上，镍镉含有有毒金属，对环境并不友好。镍氢相对镍镉来讲有更高的能量密度但是是以降低循环寿命为代价的。镍氢不含有有毒金属，应用领域包括移动电话和笔记本电脑。铅酸在对重量不是很关心的大型电源应用领域里是最经济的，铅酸电池对于医

28、院设备，轮椅，应急灯和不间断供电系统是最好的选择。锂离子电池增长最快的电池体系。锂离子应用于高能量密度和重量轻便为最主要的领域，锂离子比其他的体系要昂贵一些而且必须遵循严格的操作指导以确保安全，应用领域包括笔记本电脑和蜂窝电话。锂离子聚合物一种可能的更低成本的锂离子。这种化学物质在能量密度方面和锂离子类似，它能制成细小的形状以及可以用简单化的包装，主要用在移动电话。二次利用碱性电池代替可抛弃的家用电池，适合低功率应用，它的较低的自放电可以补偿有限的循环寿命，这种电池可以用在随身娱乐设备和闪光灯上。镍镉电池 碱性镍电池技术起源于1899年，Waldmar Jungner发明了镍镉电池。在当时，这

29、种材料其他类型的电池比较起来价格昂贵，因此，它的使用被限制在一些特殊的应用领域。1932年，活性物质被沉积在泡沫镍电极内部，1947年，开始研究镍镉电池的密封问题，将充电过程产生的气体重新结合，而不是放出这些气体，这些进步导致了今天使用的密封镍镉电池的出现。 相对于慢充和直流充电，镍镉电池更适合快速充电和脉冲充电。其他的电池更适合浅放电和中等程度的负载电流，镍镉电池是一个强壮而安静的工人，艰苦的工作不会带来任何问题。事实上，镍镉电池是唯一的一种可以在严格的工作条件下表现最好的电池类型。它不可能因为放在充电器上几天产生过充，而且不可能仅仅偶尔使用很短的时间。定期的全放电是如此重要的，以至于如果忽

30、略了，巨大的结晶将会在电池极板上形成（也称为“记忆”），镍镉电池将慢慢的丧失其性能。 在所有的可再充电电池中，镍镉电池依然是一些应用领域最普遍的选择，例如双通道无线电，应急医疗设备，专业摄录机和电动工具。超过50的便携设备的可再充电电池是镍镉电池。但是，更高能量密度和更小毒性金属的电池的引进，导致了从镍镉电池向新技术的转变。镍氢电池 镍氢体系的研究开始于1970年代，当发明了镍氢电池如何储氢的方法之后。今天，镍氢电池主要用在人造卫星领域，他们很笨重，包含高压钢罐，而且每一个价值成千上万美元。 在镍氢电池的早期试验阶段，储氢合金不能稳定的存在于电池环境下，而且达不到所期望的性能特征。结果，镍氢电

31、池的发展减缓下来。1980年代新的能够稳定的用于电池的储氢合金被开发出来，从1980年代末期，镍氢电池有了稳定的提高，主要是能量密度方面。 高的能量密度和对环境友好的金属的应用驱使镍氢电池的成功。现在的镍氢电池能够提供比镍镉电池高40的能量密度，具有潜在的更高的容量，但是也有一些负面影响。 镍氢电池和镍镉电池都受到高的自放电的影响，镍镉电池在首个24小时之内损失10的容量，此后自放电每月可以消耗大约10的容量。镍氢电池的自放电大约是镍镉电池的1.5倍到2倍。改进氢结合力和降低合金成分的腐蚀的储氢材料的选择可以减少自放电的比率，但是却以较低的能量密度为代价的。 在一些早期通讯市场上，例如无线通信

32、和移动电脑市场上，镍氢电池已经取代镍镉电池。在世界的很多地方，购买者被鼓励使用镍氢电池代替镍镉电池。这是由于对废弃电池的随意处理的环境关注。 “镍氢电池在过去的几年得到了改良吗？”这个问题经常提到。专家们认为已经取得了相当多的进步，但是局限性依然存在。大多数的缺点是镍基技术天生的，而且和镍镉电池一样。普遍的认为，镍氢电池是到锂电池的一个过渡。 最初，镍氢电池比镍镉电池昂贵，现在镍氢电池的价格已经下降，而且几乎是平价。这是通过大批量的生产可以做到的。随着越来越低的镍镉电池的需求，这个价格将有下降的趋势。铅酸电池 法国物理学家Gaston Plant1859年发明的铅酸电池是第一种商业化应用的可再

33、充电电池。今天，批量生产的铅酸电池用在汽车，铲车和大型不间断供电电源系统领域。 在1970年代中期，研发人员开发了一种免维护铅酸电池，可以用在任何位置，液体电解液转移进入湿的隔膜，电池盒被密封起来，加上了安全阀以排除充放电过程产生的气体。 密封铅酸电池和阀控铅酸电池永远不能充到他们的满电压。不同应用的驱使，出现了两种铅酸电池，即密封铅酸电池，以Gelcell品牌闻名，以及阀控铅酸电池。技术上这两种电池是一样的，至于什么时候从密封铅酸电池发展到阀控铅酸电池，没有科学的解释。（工程人员会认为密封铅酸电池这个词是不准确的，因为没有铅酸电池可以完全的密封。本质上，所有的都是阀控的） 密封铅酸电池有典型

34、的容量范围，在0.2Ah到30Ah之间，从便携式电源到轮子上使用的。典型的用途是个人计算机备用的UPS单元，小型应急灯单元，康复病人通风机和轮椅。由于低成本，可靠性和维护要求不高，密封铅酸电池是生物医药和医疗设备以及养老院最好的选择。 阀控铅酸电池普遍的用在固定应用领域，他们的容量范围从30Ah到几千Ah之间，是用在大型UPS系统的备用电源。典型的用途是移动电话中继器，电报中心，网络中心和公司，以及银行，医院，机场和军用设施的备用电源。 不同于富液式的铅酸电池，密封铅酸电池和阀控铅酸电池都设计成低过电势以阻止电池充电时达到析气电势，过充电可能导致产生气体和水的消耗。因此，密封铅酸电池和阀控铅酸

35、电池不能充电到满电压。 在目前的可再充电电池中，铅酸电池系列具有最低的能量密度。为了分析的方便，我们用密封铅酸电池来描述便携用的铅酸电池，用阀控铅酸电池描述固定应用的，由于我们主要讨论的是便携电池，因此我们主要集中讨论密封铅酸电池。 密封铅酸电池必须总是以充电态储存，它没有记忆效应，电池长时间的浮充充电不会引起损坏，电池的充电保持力是所有的可再充电电池中最好的。镍镉电池的自放电经过三个月大约放掉储存能量的40左右，密封铅酸电池放掉相同的能量需要一年的时间。密封铅酸电池比镍镉电池的采购成本相对较低，但是如果要求反复的全循环，那么它的使用成本可能要高于镍镉电池。 密封铅酸电池不适于快速放电典型的放

36、电时间是8到16小时，密封铅酸电池必须总是以荷电状态储存，将电池置于放电状态下，会引起硫酸盐化，这种情况会使电池变得很难再充电。 不同于镍镉电池，密封铅酸电池不能深循环，完全的放电引起额外的损伤，每个充放电循环不可逆的消耗了电池的一小部分容量。当电池正常工作时，这个损失很小，但是一旦下降到标称容量的80以下，这种损失就变得很剧烈，这种损耗特性对其他电池同样的适用，只是程度不同。为了防止电池由于反复的深度放电，造成的电池损伤，推荐使用较大的密封铅酸电池。根据放电深度和使用温度，密封铅酸电池提供200到300次的充放电循环，它相对较短的循环寿命的主要原因是正极板栅的腐蚀，活性物质的损耗以及正极板的

37、膨胀。这些变化在较高的操作温度下是非常普遍的，用充放电循环不能防止或者消除这种趋势。这是一些提高密封铅酸电池性能和延长寿命的方式，阀控铅酸电池的最适宜使用温度是25（77）。简单的规则，温度每升高8（15），电池的寿命将减小一半，阀控铅酸电池在25时将持续10年，如果在33（95）下使用时仅能正常使用5年，相同的电池在42（107）下能坚持一年多一点。 密封铅酸电池与其他可再充电电池比较具有相对低的能量密度，使得它不适合那些要求紧凑尺寸的手持设备。另外，低温性能很差。 密封铅酸电池以5小时率放电或者0.2C放电，一些电池甚着用20小时率放电，较长的放电次数导致较高的容量读数。密封铅酸电池大电流

38、放电性能很好，在这些高倍率放电中，放电倍率将超过1C。 报废方面，密封铅酸电池比镍镉电池的危害性小，但是高的铅含量使得密封铅酸电池对环境不友好，90的铅酸电池正在被回收。锂离子电池 锂电池的最先的工作开始于1912年，由G.N.Lewis进行的，但是，直到1970年代的早期，第一个不可充电锂电池才商品化。在随后的1980年代，试图开发可充电的锂电池，但是由于安全问题失败了。 锂是所有金属中最轻的，有最大的电化学势，能提供最大的单位质量的能量密度。可再充电电池使用锂金属阳极（负极）能提供高电压和较好的容量，因而能提供非常高的能量密度。 1980年代对可再充电电池的进行了许多研究之后，发现循环导致

39、了锂电极的变化。这些变化，是正常的破损的一部分，降低了热稳定性，导致了潜在的热量放出情况。当这种情况发生时，电池的温度迅速的接近锂的熔点，引起了所谓的“喷火”的激烈的反应。1991年，在一个手机电池放出燃烧的气体，造成使用者面部烧伤之后，大量的运往日本的可再充电锂电池被召回。 由于锂金属内在的不稳定性，特别时充电时，因此研究转向了一种使用锂离子的非金属锂电池。尽管比锂金属电池有些低的能量密度，但是锂离子更安全，在充放电时提供一定的预防是适合的。1991年，索尼公司商品化了第一只锂离子电池。其他的生产商紧跟其后。今天，锂离子是增长最快的，而且最有前途的电池化学物质。 锂离子电池的能量密度是标准的

40、镍镉电池的两倍。电极活性物质的改进使能量密度可能增长到镍镉电池的三倍。除了高容量之外，负载特性相当好，而且放电特性方面与镍镉电池相似（相似的放电曲线的形式，但是电压不同）。放电曲线平台提供了存储能量在期望的电压范围的有效利用。 锂离子电池是不怎么需要维护的，这是其他大多数物质不具备的优点。没有记忆效应，也不需要定期的循环来延长电池寿命。另外，自放电比镍镉和镍氢的一半还要少，这就使锂离子非常符合现代的使用标准。 锂离子电池的高电压，使得生产商可以只使用一只电池包装。今天很多的移动电话的电池包只是有一个单独的电池在工作，这个优点可以简化电池的设计。提供电子应用的电压已经绰绰有余，因此轮到每个电池组

41、只要较少的电池即可。为了维持相同的功率，需要更高的电流。这就强调了允许电流不受限制地通过地低的电池电阻的重要性。化学物质地改变在最近地几年，几种类型地锂离子电池已经出现，具有一个共同的地方锂的口号。尽管外观上明显的相似，但是锂基的电池普遍的改变。这里主要针对普遍用在商品化产品上的锂基电池。 索尼最开始的锂离子电池使用炭，一种煤的产物，作为负极。自从1997年，大多数的锂离子电池（包括索尼的）已经转到使用石墨了，这种电极提供了一个与炭电极比起来更加平滑的放电电压曲线，而且在放电结束时的台阶很明显。结果，石墨体系放出储存的能量只要放到3.0就可以了，而炭的电池必须放到2.5V才能得到类似的工作时间

42、。另外，石墨型的电池比炭型电池能够放出更高的放电电流，而且在充放电过程中依然温度较低。 对于正极，两种截然不通的化学物质已经出现。他们是钴和尖晶石（也就是锰）。但是，钴使用的时间较长，尖晶石天生的比较安全以及在滥用时更加宽容。移动电话用的小型的棱型尖晶石电池组可能只包含有一个热熔丝和温度感应器。除了在简化的保护电路上节省成本之外，尖晶石原材料的成本比钴的低。 石墨型的锂离子电池仅需要放到3.0V，而炭型电池必须放到2.5V才能达到相同的性能。钴锰 (尖晶石)能量密度 (Wh/kg)140 1120 1安全性当过充时，钴电极提供的多余的锂能够形成金属锂，如果没有保护电路会导致潜在的安全危险。当过

43、充时，锰电极放出引起电池发热的锂。对于小型的由一两只电池构成的电池组，安全电路可以省掉。温度特性宽的温度范围。非常适合高温下操作。高于40C容量损失。更高温度不能持久。老化可以短期储存。内阻随着时间变大。更新型的电池可以更长时间储存。存储期稍短于钴的。在电池使用期内，内阻变化较小。由于不断的改进，储存时间很难预知。预期寿命三百次循环，五百次循环达到50的容量。或许比钴更短成本原材料相对较高，保护电路又增加了成本。原材料比钴的低30。简化的保护电路具有成本优势。 锰天生的更安全而且对滥用更宽容，但是它的能量密度稍低。锰在超过40时容量损失，而且比钴老化快。 基于目前的一代18650电池，能量密度

44、趋于比圆柱型电池要低一些。 金属、化学物质和添加剂的选择可以在高能量密度，长的储存时间，延长循环寿命和安全性之间平衡这种必须的替代，高的能量密度可能相对容易的达到。例如，在钴里掺杂镍可以提高安时率，降低生产成本，但是却使电池更加不安全。然而一件新的公司可能会比较重视高的能量密度以期很快的获得市场的认可，安全，循环寿命和储存性能可能会被折衷。负责任的生产商，例如索尼，松下，三洋，莫里能源和Polystor把安全看得很重要，管理机构确保只有安全的电池才会被卖给公众。 锂离子电池与铅和镉基电池比较起来，在处理时引起的危害较少。在锂离子家族里，尖晶石在废弃方面是最友好的。 尽管锂离子具有以上的优点，但

45、是，它依然有它的缺点。它比较易碎，而且要求一个保护电路以维持安全操作。在每个电池包装里都有一个保护电路，它可以限制充电时的峰值电压，也可以防止放电时电池电压下降的太低。另外，也限制最大充放电电流和控制电池温度以防止温度急剧升高。由于有这些适当的预防措施，过程导致的金属锂的析出的可能性就实际上被消除了。 老化涉及到大多数的锂离子电池。不知道是什么原因，电池生产商对这个问题总是沉默的。无论电池是否使用，一些容量衰减在一年后是显而易见的。超过两到三年，电池通常就失效了。必须提到的是其他的化学物质也具有与老化有关的效应。特别是对于镍氢电池，当它暴露在高温环境中时。 将电池储放在阴凉处可以减缓锂离子电池

46、的老化过程（其他化学物质的也是）。生产商推荐的储存温度是15（59）。另外，电池储存时应该仅仅部分的充电。 延长锂离子电池的储存是不推荐的。当然，电池组应该经常更换。购买者在采购一个替代的锂离子电池时，应该注意到生产日期。不幸的是，这些信息通常是以一串密码似的数字喷码的，只有生产商能够使用它。 生产商不断的改进锂离子电池的化学物质。每六个月就尝试一种新的更强的化学化合物。如此快的改进进程，使得评估改进的电池的寿命和长期储存后它的性能就变得很困难。成本分析在成本能量比方面最经济得锂基电池是使用圆柱型18650电池组成得电池组。这种电池稍微有点大但是适合于便携应用，例如移动处理器。如果要求更细小的

47、电池组（比18mm还要薄），棱型得锂离子电池是最佳选择。与18650型电池比起来，它的每一重量和尺寸的能量密度没有或着很少的增加，但是成本却超过了两倍。 如果需要极细小的电池（小于4mm），最好选择锂离子聚合物电池。在能量成本方面，这也是最贵的选择。锂离子聚合物与其他普通的锂离子体系比起来并不能提供预计的能量的增加，而且也无法与18650的耐久性相比较。锂离子电池的优点和局限性优点高能量密度潜在的更高容量相对较低的自放电自放电比镍镉和镍氢电池的一半要小。低的维护要求不需要定期的自放电，没有记忆效应。局限性需要保护电路保护电路限制电压和电流。如果不受激，电池是安全的。受老化影响，即使不使用时电池

48、储存在阴凉处以及40的荷电状态能降低老化效应。较低的放电电流。受运输规则限制锂离子电池的大批量的运输会受到控制法规的限制。这个限制不适用于个人携带电池。生产成本昂贵比镍镉电池的成本大约高40。更先进的生产技术和更低成本稀有金属的替代可能降低电池价格。不完全成熟金属和化合物的变化会影响电池的测试结果，特别是用一些快速测试方法。 注意：锂离子电池具有高能量密度。使用和测试时小心操作。禁止短路、过充、碾压、跌落、毁伤、刺穿、反极使用，高温暴露或者拆开。只能使用带有指定保护电路的锂离子电池。电池滥用导致的高温能够引起身体损伤，电解液易燃，破损可能导致爆燃。锂聚合物电池 锂聚合物自身区别于其他电池体系的

49、地方是使用的电解液类型。最早的设计追溯到1970年代，仅仅使用了一种干的固体聚合物电解液。这种电解液类似塑料状的薄膜，它不能导电但是可以允许离子交换（带电原子或者是原子团），聚合物电解液代替传统的被电解液浸润的多孔隔膜。 谈到制造，耐久性，安全性和瘦小的几和外形，凝胶态或固态的聚合物设计提供了简单化。因为不使用液态的或者凝胶态的电解液，所以不会有燃烧的危险。 测量一个电池的厚度像一毫米那样的小，设备设计人员只能在形态，形状和尺寸方面进行他们自己的想象。创造一些这样的设计是有可能的，例如，构成保护外壳的一部分，以可以卷起来的垫子的形状，或者是内置在一个可移动的盒子里或者衣服的一角。这些创新的电池

50、依然需要很多年以后，特别是商业化时。 不幸的是，凝胶态或固态锂聚合物的电导很差。内阻太高，而且不能放出现代通信设备启动时所需要的电流和使移动电脑硬盘旋转起来。尽管加热电池到60（140）和更高的温度，可以增加电导达到可以接受的水平，但是这种要求不适合商业上的应用。 对开发室温下工作的干的凝胶态或固体锂聚合物电池的研究仍在继续，凝胶态或固体锂聚合物型号在2005年开始进行商业化应用，它比今天使用的液态锂离子电池更稳定，并能够进行1000次的全循环和有更高的能量密度。 同时，一些锂聚合物被用作热带气候的被用电池。一家生产商已经加上了加热的元件，可以一直保持电池在电导温度范围内。这样的电池在特定的应

51、用上表现的很好，因为高温环境不影响电池的循环寿命，而在同样的条件下，会影响阀控密封铅酸电池。 为了使小的锂聚合物电池更好的导通，加入一些凝胶电解液。今天用在移动电话的大多数的商品化的锂聚合物电池是混合的包含凝胶的电解液。这种体系的正确的叫法是锂离子聚合物。为了宣传的原因，大多数电池生产商将电池简单的标为锂聚合物。因为混合的锂聚合物是今天便携应用的唯一的正在使用的聚合物电池，所以我们将把注意力放到它上面。 加入凝胶电解液，锂离子和锂离子聚合物有什么不同呢？尽管这两种体系的性能和特性很相似。但是锂离子聚合物是唯一的使用固体电解液的，取代了多孔隔膜，简单的加入凝胶电解液为了增加离子导电性。 技术上的

52、困难和批量生产的推迟已经延缓了了锂离子聚合物电池的进入。就像一些批评家所说的，这种延缓是由于锂离子电池仍然是摇钱树。生产商已经在锂离子的研究，开发和批量生产设备上投入了大量资金，现在企业和股东都想看到他们投资的回报。 另外，锂离子聚合物的具有前途的优势还没有被意识到。容量增加方面的进步还没有达到事实上，它的容量比标准的锂离子电池稍微的低一点。目前而言，锂离子聚合物电池没有成本优势。然而，细小外观要求迫使移动电话生产商在他们新一代的手机上使用这种有前途的技术。 尽管如此，锂离子聚合物的一个优点就是包装简单，因为电极很容易堆叠。正在使用的是类似于食品工业上用的箔包装，还没有详细的电池尺寸标准公布。

53、锂离子聚合物电池的优点和局限性优点非常小的外观类似信用卡的大小的电池是有可能的。灵活的形状生产商不受标准电池形式的约束。具有大体积的任何合理的尺寸都可以被制造出来。重量轻凝胶电解液相对液态电解液能简化包装，很多情况下可以去掉金属壳。改进的安全性更加耐过充，电解液的泄漏几率较小。局限性与锂离子电池比较，低能量密度和循环次数低存在改进的潜力。生产成本高一旦批量生产，锂离子聚合物具有更低成本的潜能。减少控制电路可以抵消较高的生产成本。二次使用碱性电池 对碱性电池的再充电的想法并不新鲜。尽管生产商不允许，但是普通的碱性电池已经在公众家里再充电有很多年了。然而只有电池已经放电到容量小于总容量的50以后，

54、再充电是有效的。再充电次数独立地取决于放电深度，最好是限制在一定次数。随着每次充电，越来越少地容量可以再生。然而，这里有一个注意事项，给普通地碱性电池充电可能产生氢气导致电池爆炸。所以，无人坚守地给碱性电池充电是危险的。 相比较，二次使用碱性电池就是被设计成反复充电的。每次再充电，它损失很多充电能力，二次碱性电池的寿命与放电深度直接相关，放电越深，电池能够维持的循环次数越少。 Cadex进行的AA二次碱性电池的测试显示第一次放电之后的容量很高。事实上，它的能量密度与镍氢电池的相似，当放完电的电池随后用生产商提供的充电器再充电时，二次碱性电池达到60的容量，稍低于镍镉电池。用同一种方式重复的循环

55、，造成每次循环都损失部分容量。在测试中，放电电流调整到200mA（0.2C或五分之一倍率），放电终止电压设为1V。 二次碱性电池体系的另一个限制是400mA的低负载电流能力（低于400mA性能更佳）。尽管对于AM/FM收音机，CD播放机，单放机和闪光灯来说，二次碱性电池已经够用了，但是400mA对大多数移动电话和视频相机不能提供动力。 二次碱性电池是比较便宜的，但是与镍基的可充电电池比较，每循环成本比较高。1500次循环的镍镉电池每循环0.04美元，而10次全放电循环的二次碱性电池每循环成本0.5美元。在很多应用领域，这种看似高的成本与只能使用一次的不可循环碱性电池相比仍然是很经济的。如果二次

56、碱性电池在再充电之前只是部分地放电，那么循环寿命地提高是有可能的，50的放电深度，可以达到50次循环。 为了比较标准碱性电池和二次碱性电池的使用成本，进行了一项医用闪光灯电池的研究。通过应用二次碱性电池，使用闪光灯的低亮度单元仅仅偶尔能够达到测量的节省。另一方面，连续使用闪光灯的高亮度单元不能达到相同的结果。更深的放电和更频繁的再充电，减少了它们的寿命，抵消了比标准碱性电池所具有的成本优势。 概括起来，标准的碱性电池提供了最大的能量密度，而二次碱性电池具有允许多次充电地好处，二次碱性电池的不足之处在于第一次再充电之后地电荷接受能力地损失。二次碱性电池的优点荷局限性优点便宜而且使用简便可以作为不

57、可充电一次电池的直接代替品。比不可充电电池更加经济允许多次充电。自放电低可以作为被用电池储存10年。对环境友好不使用有毒金属，电池废弃较少，减少垃圾。免维护不需要循环维护，没有记忆效应。局限性操作电流限制适合于轻型应用，例如便携式家庭娱乐，手电筒。有限的循环寿命最好是在电池容量变得很低之前充电。超级电容器 超级电容器类似常规电容器，除了它能以很小地尺寸提供很高的电容。能量的存储是以静电荷的方式，使用正极和负极板之间的电压差来给超级电容器充电，这个概念优点类似于走在地毯上产生电荷。接触地面物体，可能放出能量。超级电容器的概念已经有很多年了，而且已经在一些特殊的领域进行了应用。 常规电容器包含有导

58、电箔和干的隔膜，而超级电容器是届于电容器和电化学电池之间的。它使用特殊的电极和一些电解液，这里有三种电极材料适合超级电容器，即，高表面积活性炭，金属氧化物和导电聚合物。使用高表面积活性炭的超级电容器是生产成本最低的，这种体系也叫做双层电容器，因为能量是储存在靠近炭电极表面形成的双层中的。 电解液可以是水溶液或者有机的，水溶液电解液提供低的内阻，但是电压限制在1V，与之对比的是，有机电解液允许2到3V的充电电压，但是内阻较大。 为了使超级电容器能够用在电子电路中，较高的电压使必须的，串连电池可以达到这个要求，如果将多于三个或四个的电容器串连起来，必须使用电压平衡装置防止任何一个电池达到过压。 一

59、个电容器所含能量的多少可以用微法或者F. (1F = 0.000，001 farad)度量。小的电容器用纳法（比1F小1000倍）和皮法（比1F小一百万倍），超级电容器是以1法或着更高为单位的。重量能量密度为1到10Wh/kg，这个能量密度与电解质电容器比起来高一些，但是比电池要低一些。相对低的内阻提供了良好的导电能力。 超级电容器提供的能量大约是镍氢电池的十分之一。电化学电池放出相当稳定的电压在有效的能谱内，然而超级电容器的电压是线性的而且从满电压降到0V，不具有大多数化学电池的惯常的电压平台曲线特征。由于线性的放电，超级电容器不能放出所有的电荷，充电比率依靠应用要求的电压。 例如，如果一个

60、6V的电池在设备切断前被允许放电到4.5，那么超级电容器在放电的第一个四分之一时间内就可以达到这个极限值，剩余的能量进入了不可用的电压范围。一个直流对直流的转换器被用来提高电压范围，但是这个选择增加了成本并且引起了10到15的效率损失。 最普通的超级电容器应用是存储备份和被用电源，在一些特殊应用领域，超级电容器可以作为电化学电池的直接替代。另外还用来虑波和整平脉冲负载电流，例如，超级电容器可以改善电池的操作电流，在低负载电流时，电池给超级电容器充电。当需要高的负载电流时，这个储存的能量就可以释放出来，这可以增加电池的性能，延长工作时间，甚者延长电池寿命。超级电容器将会在便携式燃料电池的补偿一些

61、体系的缓慢性能以及增强峰值性能方面找到预期的市场。 如果作为电池的增强器使用，超级电容器可以被放在便携设备内部或者横放在电池组正负极极耳之间，如果放在设备内部，需要作出规定，限制当设备开启时的最高流入电流。 低阻抗超级电容器可以在几秒钟之内充电。这个充电特性与电化学电池的类似，初始充电是相当快的，最高充电需要一些额外的时间。充电方式方面，超级电容器类似与铅酸电池，当设置的电压限制达到时，全充电完成，与电化学电池不同的是，超级电容器不需要全充电检测电路，超级电容器也可以慢慢连续充电。 局限性就是不能使用全部的能量取决于应用，不是所有的能量都是可用的，低能量密度拥有电化学电池的五分之一到十分之一的能量，低压要获得更高电压需要串连，如果三个以上的电容器串连时需要电压平衡器，高的自放电它的自放电被认为要比电化学电池高的多。超级电容器的有缺点优点实际不受限制的循环寿命不受限于电化学电池所经历的磨损和老化。低阻通过与电化学电池并联增强了操作脉冲电流。快速充电低阻超级电容器充电在几秒钟内。简单的充电方式电压限制电路补偿了自放电，不需要全充电检测电路。节省成本的能量储存低能量密度通过很高的循环次数补偿。局限性不能使用全部能量取决于应用，不是所有的能量都可以应用。低能量密度