电池常识.doc

前言:電池是指能將化學能、內能、光能、原子能等形式的能直接轉化爲電能的裝置。最早的電池我們可以追溯到兩百年以前義大利物理學家伏打發明的伏打電池，它使人們第一次獲得了比較穩定而持續的電流,具有劃時代的意義。在伏打電池原理和研發精神的指引下，人們通過不斷努力，開發了一代又一代的新型電池，從人們普遍使用的乾電池到新型的太陽能電池、鋰聚合物電池（Li-polymer）和燃料電池等等，不僅在電池容量、體積、使用方便程度等方面有很大突破，更重要的是在這些新型電池的研發過程中，滲透著人們強烈的綠色環保意識，電池的開發、發展正以綠色環保作爲重要的指導精神.
電池種類和特性:
依材質區分:
■碳鋅電池　Heavy Duty Battery
　亦稱爲鋅錳電池，是目前最普遍之乾電池，它有價格低廉和使用安全可靠的特點，基於環保因素的考量，由於仍含有鎘之成份，因此必須回收，以免對地球環境造成破壞。
■鹼性電池　Alkaline Battery
　亦稱爲鹼性乾電池，適用於需放電量大及長時間使用。電池內阻較低，因此産生之電流較一般錳電池爲大，而環保型含汞量只有0.025%，無須回收。
■水銀電池　Silver Oxide Button Cell
    水銀電池，因爲污染和電容量之故線已逐漸被鋰-錳配方取代
■鋰電池　
■鎳鎘充電電池　Ni-Cd (Nickel Cadmium Battery)
　已爲大衆早期廣泛使用，可重覆約500次之充放電，但約10次充放電後即會産生記憶效應；另一個缺點是，在充放電時，陰極會長出鎘的針狀結晶，有時會穿透分隔物而引起內部枝狀晶體式的短路。由於含有鎘之成份，因此必須回收。
■鎳氫充電電池　Ni-MH (Nickel Metal Hyoride Battery) 
　爲目前市場主流之充電電池，它是使用氧化鎳作爲陽極，以及吸收了氫的金屬合金作爲陰極，一般可進行500次以上的充放電迴圈。由於不含汞及鎘之原料，不必回收。
■鋰充電電池　Rechargeable Lithium ion Battery
■鉛酸電池　Sealed Lead-Acid Battery
■太陽能電池
在化學電池中,根據能否用充電方式恢復電池存儲電能的特性,可以分爲一次電池（也稱原電池）和二次電池（又名蓄電池,俗稱可充電電池,可以多次重復使用）兩大類.一次電池又可分爲普通鋅錳（中性鋅錳）,鹼性鋅錳、鋅汞、鋅空、鎂錳和鋅銀六個系列；二次電池主要有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、堿錳充電電池和鉛蓄電池等類型.在數碼設備中,常用的電池類型是乾電池（包括鹼性電池）、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池等.
乾電池：這是使用最普遍的電池類型之一,很多人用過乾電池,但瞭解其構造的人卻不多.一般我們常用的乾電池又稱爲鋅錳電池（圖1）.可分爲碳鋅電池(Carbon-Zinc)和氯化鋅電池 (Zinc-Chloride),其優點是能量密度較高,電流密度適當,易實現機械化生産等.在大賣場中這兩類電池被成盒成盒的以低廉的售價拍賣著.但很可惜的由於能量密度不足,一般這種電池只用於耗電量較小的電子産品,如：鬧鐘,計算器等.如果你打算用他來驅動你的數碼相機恐怕你會大失所望.
圓筒型鋅錳電池因隔離物的區別可分爲糊式鋅錳電池和紙板鋅錳電池.其中紙板鋅錳電池因配方組成的差異引起電性能的不同,又分爲Ｃ型紙板電池（碳鋅電池）,也稱爲高容量電池；Ｐ型紙板電池（氯化鋅電池）,又稱爲高功率電池.一般超市或零售市場上的乾電池皆爲此類電池,其標示爲Super Heavy Duty."C"型的電力容量較"P"型電池低約20%.一般隨貨贈送的電池多爲此類電池,乾電池的包裝分爲紙殼（"C"型常用）, PVC,鐵殼及鉛皮等四類包裝,同時依含汞量（基本標準爲15ppm）來區分還有環保和非環保之不同.
圖1
鹼性鋅-錳電池(Zinc-MnO2)：是乾電池中的一個重要角色.這一類的電池就是我們常稱的“鹼性電池”,由於電容量大,電流強使用上又持久,市場上對此類電池的需求越來越高.然而,部分廠商的鹼性電池爲非環保的含汞電池,原因是此類電池如在成份中加入氧化銀可提升其電容量約30%以上,但同時零售價格也相對提高.迄今爲止,鹼性電池是最成功的高容量電池,也是目前最具性能價格比的電池之一,它改變了傳統電池的內部結構和電化學系統，同過採用極純淨極活躍的正負極材料,它的放電容量達到了普通乾電池的5-7倍,存儲壽命也超過了普通電池的兩倍.另一方面,鹼性電池也因爲它完美的放電曲線而倍受青睞,特別適用於需要持續大電流放電的場合,如相機,電動玩具,BP機,WALKMAN,電動剔須刀等市場上性能良好又經濟實惠的鹼性電池有南孚,雙鹿等品牌（圖2）.
圖2
乾電池的選購常識:
市場上銷售的鋅錳電池有鹼性鋅錳電池和普通高功率紙板鋅錳電池.
圓筒型鋅錳電池因隔離物的區別可分爲糊式鋅錳電池和紙板鋅錳電池.其中紙板鋅錳電池因配方組成的差異引起電性能的不同,又分爲Ｃ型紙板電池,也稱爲高容量電池;Ｐ型紙板電池,又稱爲高功率電池.
高功率紙板鋅錳電池,如：R6P,電池放電量較大,防漏液性能好,且可大電流連續放電.高功率紙板電池價格便宜（目前市場售價0.8～1.5元左右）,使用小型鬧鐘或計算器等可考慮紙板鋅錳電池中比較平價的牌子，操作費用更經濟，考慮耐用和方便程度則需消費者自己選擇.
高能鹼性鋅錳電池,如：LR6等，電極結構與紙板電池等相反,外殼是鍍鎳鋼殼,不參與電化學反應,因此不易發生漏液.鹼性鋅錳電池壽命一般比較長,高耗電電器例如閃光燈、相機及玩具之類採用鹼性鋅錳電池可使用較長時間，比較合算,如到外地旅遊時最好攜帶鹼性鋅錳電池,因爲使用鹼性鋅錳電池可以減少攜帶量和更換次數.鹼性鋅錳電池的單價較高,目前國産品牌每枚的價格在1.8～2.8元左右,而進口品牌的價格多爲５元左右,但考慮到它在高耗能電器中的使用時間一般是普通鋅錳電池的４倍左右,綜合性價比較高.
這裏Ｌ表示的是電化學體系爲鹼性鋅錳乾電池.爲了表達乾電池的性能特徵,通常在序號後加Ｓ、Ｃ、Ｐ.其中Ｓ表示糊式電池，通常被省略，Ｃ表示高容量電池，Ｐ表示高功率電池，即該電池適合高功率大電流放電場合。Ｒ表示的電池爲圓柱形.
選購鋅錳電池時要注意以下幾點
1 根據需要選擇電池。例如：用在閃光燈、隨身聽、BP機、電動玩具等需要大電流輸出的器具上，最好選用鹼性鋅錳電池（L）。用在收音機、鐘錶等一般用電需求的器具上，選用普通鋅錳電池（S、C、P）即可.
2 注意電池的性能價格比，不要盲目迷信洋品牌。事實上，不少國產名牌電池的性能價格比都高於國外同類産品。
3 注意電池的儲存期.普通鋅錳電池保質期爲2年.購買時應選擇近期生産的産品.
鹼性鋅錳電池和普通鋅錳電池的區別
電池在常人的眼裏分鹼性和普通鋅錳電池兩種。過去人們在日常使用中常感到電池的使用壽命不如想像中理想，這就是鹼性鋅錳電池和普通鋅錳電池的區別。在日常使用中，BP機、閃光燈、照相機和電動玩具等這樣大流量的電器具最能顯示出鹼性電池和普通鋅錳電池的特點.
鹼性鋅錳電池在分別使用閃光燈次數爲144次，照相機膠捲8卷，玩具開動183分鐘。這些指數均比同期使用中的普通鋅錳電池平均好6.86、4.38、3.81倍，並且在性能價格比也好4.34、2.78、2.41倍。對消費者來說，使用鹼性鋅錳電池可以合理放心使用的.
鎳錳電池(Ni-Mn Rechargeable Battery)：這是2002年三月發表的最新電池品種 - 鹼性鎳-錳大電流電池(NiOH-MnO2)。由於數碼相機的耗電量大，一般的鹼性電池在電力完全用完前，電流就無法推動，形成浪費。新一代的鎳錳電池在電池的正極材料中採用了往常僅加在鎳氫電池當中的“氫氧化鎳 NiOH”，成功開發出了電量不易隨使用時間而下降的新型電池。這種電池不僅具有較大的電流，同時耐力也比一般鹼性電池增強1.5～5倍.
鎳鎘電池（Ni-Cd Rechargeable Battery）：鎳鎘電池（圖3）是最早應用於手機、筆記本電腦等設備的電池種類，它具有良好的大電流放電特性、耐過充放電能力強、維護簡單。鎳鎘電池最致命的缺點是，在充放電過程中如果處理不當，會出現嚴重的“記憶效應”，使得服務壽命大大縮短。所謂“記憶效應”就是電池在充電前，電池的電量沒有被完全放盡，久而久之將會引起電池容量的降低，在電池充放電的過程中（放電較爲明顯），會在電池極板上産生些許的小氣泡，日積月累這些氣泡減少了電池極板的面積也間接影響了電池的容量。當然，我們可以通過掌握合理的充放電方法來減輕“記憶效應”。此外，鎘是有毒的，因而鎳鎘電池不利於生態環境的保護。衆多的缺點使得鎳鎘電池已基本被淘汰出數碼設備電池的應用範圍.
鎳鎘電池的包裝分爲零售用的正極凸頭和組裝用的正極平頭包裝兩種，在容量上沒有差異。在充電回路也和下面所介紹的鎳氫電池類似，採用1.6倍電壓充電。通常鎳鎘電池的充電次數爲300～800次, 在充放電達500次後電容量會下降至約80%。鎳鎘電池的記憶效應比鎳氫電池來的嚴重。 所以必須在完全沒電時才可進行充電,以確保使用壽命.
圖3
鎳氫電池（Ni-MH Rechargeable Battery）：鎳氫電池（圖4）是早期的鎳鎘電池的替代産品，不再使用有毒的鎘，可以消除重金屬元素對環境帶來的污染問題.它是使用氧化鎳作爲陽極，以及吸收了氫的金屬合金作爲陰極，由於此合金可吸收高達本身體積100倍的氫，儲存能力極強。鎳氫電池的能量密度比鎳鎘電池大,其容量約爲鎳鎘電池的數倍；另外，它具有同鎳鎘電池的1.2伏電壓，及自身放電特性，可在一小時內再充電，內阻較低，一般可進行500次以上的充放電迴圈。鎳氫電池具有較大的能量密度比，這意味著可以在不爲數碼設備增加額外重量的情況下，使用鎳氫電池能有效地延長設備的工作時間。同時鎳氫電池在電學特性方面與鎳鎘電池亦基本相似，在實際應用時完全可以替代鎳鎘電池，而不需要對設備進行任何改造。鎳氫電池另一個優點是：大大減小了鎳鎘電池中存在的“記憶效應”,這使鎳氫電池可以更方便地使用.
圖4
鋰-錳電池(Li/MnO2 Battery)：在介紹鋰電池前,我們先來瞭解一下鋰電池的種類鋰-錳電池是目前使用最多鋰鈕扣電池（最早我們稱爲水銀電池，爲因污染和電容量之故線已逐漸被鋰-錳配方取代）基本電壓爲3.0V， 最高電容量可達1200mAH。此電池可設計成輕薄短小且容量高的狀況。加上放電曲線穩定，因此許多高科技産品如主機板都使用它來當記憶體的備用電池。 此外，被設計成圓柱型的鋰電池則具有高容量, 低內阻, 可以瞬間放出大電流, 是照相機電池市場的極佳選擇。不過，因爲它的原料金屬鋰具有相當高的化學活性, 因此不宜使用過多於同一電池中，以避免有産生爆炸的危險.
鋰-亞硫酸氯(Li-SOCl2 Battery)：此系列電池是目前鋰電池中放電壓最高的一種電池，可達3.6V！其在常溫中以等電流密度放電時， 放電曲線極爲平坦.在 攝氏 -40度的情況下這類電池的電容量還可以維持在常溫容量的50%左右，因此其具有極爲優良的低溫操作性能。再加上其年自放電率約爲2%左右, 所以貯存壽命可長達10年以上，目前和鋰-錳電池分占依次鋰電池的兩大市場
鋰離子自從1990年日本的Sony Energyte Inc. 和 1991年加拿大Moli Energy Co., Ltd.宣佈研發鋰離子電池，鋰電池就成爲現代電池工業金雞蛋！鋰離子(Li-Ion)電池和其他金屬鋰電子一樣具有輸出高電壓的能力， 3.0～4.0V，且比金屬鋰更安全， 因爲它是采鋰離子狀態，Li-Ion電池沒有可流動的液態電解質而改以聚合物電解質導電。 其後，美國Bellcore實驗室提出了新的鋰電池設計理念，『塑膠鋰離子電池』。和Li-Ion 不同的是隔膜材料和電解質的狀態，在三種基層材料(正 負極和隔膜)的最佳粘結劑爲聚四氟乙烯(PTFE) , 採用50%PTFE乳劑, 經過處理和定尺寸一次碾壓，構成Li-Ion電池本體. 
 鋰離子電池（圖5）具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點，因而得到了普遍應用——現在的許多數碼設備都採用了鋰離子電池作電源，儘管其價格相對來說比較昂貴。鋰離子電池與鎳氫電池相比，重量較鎳氫輕30～40%，能量比卻高出60％。正因爲如此, 鋰離子電池生産和銷售量正逐漸超過超過鎳氫電池。鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5～2倍，充放電次數可達500次以上，而且具有很低的自放電率。此外，鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優點也是它廣泛應用的重要原因.
圖5
堿錳充電電池：是在鹼性鋅錳電池的基礎上發展起來的,由於應用了無汞化的鋅粉及新型添加劑,故又稱爲無汞堿錳電池.這種電池在不改變原鹼性電池放電特性的同時,又能充電使用幾十次到幾百次,比較經濟實惠.
鋰聚合物電池（又稱高分子鋰電池）（Li-polymer）：具有能量密度高、更小型化、超薄化、輕量化，以及高安全性和低成本等多種明顯優勢，是一種新型電池。在形狀上，鋰聚合物電池具有超薄化特徵，可以配合各種産品的需要，製作成任何形狀與容量的電池。該類電池可以達到的最小厚度爲0.5mm，想象一下今後的電池可以薄得像信用卡一樣，是不是覺得很不可思議？其實，韓國電子産品KoKam工程公司已開發出厚度爲1mm的鋰聚合電池，並利用該電池開發研製出“KoKam iplayt”數碼相機，其大小與信用卡差不多，厚度爲6mm，重量只有35克
鉛蓄電池(Sealed Rechargeable Battery)：常用的充電電池除了上述介紹的鋰電池之外，鉛酸電池也是非常重要的一個電池系統。但，其體積和重量一直無法獲得有效的改善，因此目前最常見還是使用在汽車、摩托車發動之上。鉛酸電池最大的改良，則是新近採用高效率氧氣重組技術完成水份再生，藉此達到完全密封不需加水的目的，而製成的“免加水電池”其壽命可長達4年(單一極板電壓 2V)
燃料電池：是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置。具體地說，燃料電池是利用水的電解的逆反應的“發電機”。電池工作時需要連續地供給活物質（起反應的物質）——燃料和氧化劑，這又和其他普通化學電池不大一樣。燃料電池的優點是能量轉換效率高、可靠性高、工作時無雜訊、無塵埃、無輻射，是一種清潔的能源。卡西歐電腦股份有限公司在3月6日發佈了一款針對便攜設備的實用“小型高性能燃料電池”（圖6），這種小型設備可以爲手機、筆記本電腦、PDA 和其他一些便攜設備提供能量，和目前所使用的鋰離子電池相比，重量只相當於原有鋰離子電池一半的燃料電池就可以提供約4倍的電池能量。不過這樣的設備目前還處於試驗當中，估計要到2004年才能大規模投産後才能進入市場
圖6
依外型區分:
■一般圓柱形　例：1號/2號/5號/7號等，適用於一般電子商品。
■鈕扣形　　　例：水銀電池，適用於電子錶、助聽器等。
■方形　　　　例：9V電池，適用於無線麥克風、玩具等。
■薄片形　　　例：太陽能電池板，適用於電腦、戶外建物.
依用途區分:
■工業用　　　例：工廠使用於産品內建者，屬特定外型或多粒組成，如：電動工具、通訊用電池等。
■消費性使用　例：一般消費者使用，可於市面購置更換者，使用量最多的爲圓柱形凸頭電池
服務壽命:
電池是一種化學物質，因而也是有一定服務壽命的，諸如乾電池（包括普通的鹼性電池）等一次電池是不能充電的，服務壽命當然只有一次。對於充電電池，一般我們以充電次數來衡量其服務壽命的長短。鎳鎘電池的迴圈使用壽命在300~700次左右，鎳氫電池的可充電次數一般爲400~1000次，鋰離子電池爲500~800次。充電電池的服務壽命不僅受制作電池採用的原料、製作工藝等因素的影響，還與電池的充放電方法及實際使用情況有密切關係。例如，某人於1985年開始使用的6節HITACHI（日立）鎳鎘電池，一直到現在還在繼續使用，只是電池容量有些降低了。看來，只要使用方法合理，充電電池是完全可以達到甚至大大超過標稱的服務壽命的.
電池的電量和容量:
在電學上，常用電壓、容量等概念來衡量電池個體的屬性和性能。一般單個乾電池（包括鹼性電池）的額定電壓爲1.5V，鎳鎘電池和鎳氫電池爲1.2V，而鋰離子電池是3.6V（有些廠商生産的鋰離子電池標定的額定電壓爲3.7V），相當於3節鎳鎘或鎳氫電池串聯所得的電壓，一些常見的不可充電的鋰電池的電壓是3V（圖7是用於相機的FUJIFILM即富士的CR123A鋰電池）.
圖7
容量是指電池存儲電量的大小.電池容量的單位是“mAh”,中文名稱是毫安培時（在衡量大容量電池如鉛蓄電池時,爲了方便起見，一般用“Ah”來表示，中文名是安時，1Ah=1000mAh）。如圖4中的GP超霸電池的額定容量是1300mAh，如果以0.1C（C爲電池容量）即130mA的電流給電池放電，那麽該電池可以持續工作10小時（1300mAh/130mA=10h）；如果放電電流爲1300mA，那供電時間就只有1小時左右（實際 工作時間因電池的實際容量的個別差異而有一些差別）.這是理想狀態下的分析，數碼設備實際工作時的電流不可能始終恒定在某一數值（以數碼相機爲例,工作電流會因爲LCD顯示幕、閃光燈等部件的開啓或關閉而發生較大的變化）,因而電池能對某個設備的供電時間只能是個大約值，而這個值也只有通過實際操作經驗來估計.
由於單個電池的電壓和容量都十分有限，一般需要用幾個電池組成電池組，以滿足不同設備的實際供電需要。在數碼相機中，最常見的電池組合方式是串聯，即把電池正負極首尾相連，如把4節1.2V、1300mAh的電池串聯，就組成了一個電壓是4.8V、容量爲1300mAh的電池組；而在筆記本電腦中，電池一般採用的是混聯方式,即有串聯也有並聯.
目前市面上常見的充電電池，有鎳鎘、鎳氫及鋰充電電池三種，其容量單位是mAh，例如充電電池500mAh，代表電流輸出500mA，可以連續使用1小時，如果電流50mA，那就是可以使用500mAh/50mA=10h，即10小時。所以選擇容量愈大的充電電池，則相對的使用時間也就愈久，但是爲了達到充電電池的使用效率，使用充滿的充電電池，相對的也就愈經濟划算。所以有一個能快速充電，且能在電池充滿時自動檢知的充電器就顯得非常重要。爲了用1小時快速充電完畢，相對的充電電流就必須要500mAh/1h=500mA，一般500mAh容量的電池，500mA充電電流稱爲1C.鎳鎘、鎳氫充電電池，若沒有完全放電之後再充電，幾次之後電池的容量便減少，這種現象稱爲記憶效應。鋰電池則沒有記憶效應，所以鋰電池在沒有放電完全之後就充電，也不會影響電池的容量.