各类充电电池的特性与使用方法

   

                                          

                          各类充电电池的特性与使用方法

      

      在信息时代的今天，电池被使用在各种电子设备与数码设备中，特别是众多的移动数码设备,必须要用到电池，而在电池领域中，有许多专有名词，使用者通常对其真正的含义，大多是一知半解的，什么是一次电池，什么是二次电池，什么是记忆效等。如何正确使用电池，延长电池使用寿命等，成为人们越来越关心的话题。对于使用者或电源设计工程而言，在电池使用及应用上，能够有更准确的概念，才能避免使用异常而造成您的电子产品的损坏。下面将从电池的基本名词入手，逐步介绍各类电池的特性、原理及正确的使用方法。

      1．电池及其电池术语的名词解释
    电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化为电能的装置。在使用名类电池时和电源设计中我们经常用到如下名词。

1.1一次电池与二次电池

在化学电池中，根据能否用充电方式恢复电池存储电能的特性，可以分为一次电池（也称原电池）和二次电池（又名蓄电池，俗称可充电电池，可以多次重复使用）两大类。
  ①一次电池（Primary Battery）：电池能放电，当电池电力用尽时无法再充电的电池。又可分为普通锌锰（中性锌锰）、碱性锌锰、锌汞、锌空、镁锰和锌银六个系列。
  ②二次电池（Rechargeable Battery）：电池电力用完后，可以经充电重复使用的电池：主要有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、碱锰充电电池和密封铅酸蓄电池等类型。
1.2额定容量（Nominal Capacity） ：

一般电池的蓄电量，会以mAh“毫安"时，或Ah”安时“来表示，二次电池通常都用该单位加以标示。当电池充足电后，放电至截止电压时，所能取出之电量，就是一次电池之容量，因与使用的负载有很大的关系，所以通常不加以标示。
1.3额定电压（Nominal Voltage）：

电池正负极材料因化学反应所造成的电位高低之差，利用些关系，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。
1.4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.
1.5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。
1.6C-rate：

用来表示电池充放电时电流大小的比率单位。 C是Capacity的第一个字母，用来表示电池充放电时电流的大小数值。例如：充电电池的额定容量为1000mAh时，即表示以1000mAh（1C）放电时间可持续1小时，如以200mA（0.2C）放电时间可持续5小时，充电也可按此对照计算。
1.7放电终止电压（Cut-off discharge voltage）
    指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。
根据不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同，因此规定的电池放电的终止电压也不相同。一般Ni-Mh 电池设定为1.0V，Li-ion电池设定在3.0V或2.7V。
1.8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.
1.9过放电 (Over Discharge)：

超过电池放电截止电压值，若继续放电刚可能造成电池漏液或劣化。电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池内压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。
1.10放电深度 (Depth of Discharge，DOD)：

在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为放电深度。放电深度的高低和二次电池的充电寿命有很深的关系，当二次电池的放电深度越深，其充电寿命就越短，因此在使用时应尽量避免深度放电。
1.11过充电(Over Charge)：

电池到达饱充状态后现继续充电的程度大小。电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池内压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低，可能会使电池劣化或损坏。
1.14自放电：（Self Discharge）：

电池在储存过程中，电池蓄电容量会有减少的现象。原因是有多种。如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。若是以一个月为单位来计算的话，锂离子电池自我放电约是1%-2%左右、镍氢电池自我放电约3%-5%左右。
1.15循环寿命：（Cycle Life）：

二次电池在反复充放电的使用下，电池的容量会逐渐下降，通常以该电池的额定容量作为标准，电池容量降到初期容量的80%或60%的充放电次数，称为循环寿命。
1.16记忆效应：（Memory Effect）：

当镍镉电池重复经过几次维持在低容量的放充后，如果必须做一个较大量的放电时，否则电池会无法作用，这种情形我们称为"记忆效应".即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来的水准，但若施以强制深度放电后再充电，容量却能恢复。通常此种现象发生在镍镉电池上，建议在使用时，要注意进行十次充电后最好进行一次完全放电，以防止记忆效应。
 1.17定电流(Constant Current，CC)：

以固定的电流对电池充电或放电。

1.18定电压(Constant Voltage，CV)：

以固定电压对电池充电，充电电流会随着电压的接近而下降，对于Li-ion 电池充电，一般使用CC-CV充电模式，前段使用CC，当电压到达4.2V转为用CV.

1.19涓流充电(Trickle charge)：

以一微小的电流对电池充电，常用于电池开始充电前或充饱电后。

    2各类电池的工作原理、充电特性及其正确使用方法

2.1镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cadmiun Batteries）：

镍镉电池是最早应用于手机、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。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。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。

镍镉电池的包装分为零售用的正极凸头和组装用的正极平头包装两种，在容量上没有差异．在充电回路也和下面所介绍的镍氢电池类似，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． 所以必须在完全没电时才可进行充电, 以确保使用寿命．

2.1.1镍镉电池的特性
①镍镉电池可重复500次以上的充放电，非常的经济；
②内阻小，可供大电流的放电，当它放电时电压的变化很小，作为直流电源是一种质量极佳的电池；
③因为采用完全密封式，因此不会有电解液漏出的现象，也完全不需要补充电解液；
④与其他种类电池相比之下，镍镉电池可耐过充电或过放电，操作简单方便；
⑤长时间的放置下也不会使性能劣化.当十分充完电后即可恢复原来的特性；
⑥使用温度范围在-20°C ~60°C，在此范围内可进行放电。
⑦因为它采用金属容器而作成，有机械性的坚固；
⑧电池的容量以Ah，mAh的单位来表示；
⑨镍镉电池的放电终止电压一般为1.0v/cell；

2.1.2镉电池（Ni-Cd）的主要参数:
①电压：1.2V ②  使用寿命为：500次  ③放电温度为：-20°C～60°C ④  充电温度为：0°C～45°C
备注：耐过充能力较强。

2.1.3镍镉电池在保存上的注意事项
①可在-30°C ~50°C的温度范围之间内保存，但如果是长时间放置的情形下，请在35°C以下保存；
②充电状态或者是放电状态的保存都是可能的，但是比较之下放电状态可使容量较早回复并且较易被激活；
③当电池在长时间的放置后，使用前必须十分地充电后再使用。
④ 镍镉具有记忆效应,在使用中要加以注意.

2．2镍氢电池（Ni-Mh Batteries）：

镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品，它是目前最环保的电池，不再使用有毒的镉，可以消除重金属元素对环境带来的污染问题。镍氢电池具有较大的能量密度比，这意味着可以在不为数码设备增加额外重量的情况下，使用镍氢电池能有效地延长设备的工作时间。同时镍氢电池在电学特性方面与镍镉电池亦基本相似，在实际应用时完全可以替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。镍氢电池另一个优点是：大大减小了镍镉电池中存在的“记忆效应”，这使镍氢电池可以更方便地使用。
2.2.1.镍氢电池（Ni-Mh） 主要参数:
   ①电压：1.2V                   ②使用寿命为：1000

③放电温度为：-10°C～45°C     ④充电温度为：10°C～45°C
备注：目前最高容量是2100mAh左右。

2．3锂离子电池（Li-ion，Lithium Ion Battery）：

锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用，尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5—2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点也是它广泛应用的重要原因。
2.3.1锂离子电池特性：

①          拥有高能量密度，与高容量镍镉电池相比其体积能量为1.5倍，重量能量密度为2倍；
②高电压，平均使用电压为3.6v，是镍镉电池、镍氢电池的3倍（镍镉、镍氢电池电压为1.2v）；
③使用电压平坦并且高容量；
④负荷特性，2c放电为可能；
⑤广泛的使用温度 －20°C～60°C
⑥优秀的充放电寿命，经过500次放电后其容量至少还有70％以上。

2.3.2.锂离子电池（Li-lon）主要参数:
    ①电压：3.6V                    ②使用寿命为：500次  

③放电温度为：-20°C～60°C       ④充电温度为：0°C～45°C
备注：重量比镍氢电池轻30%～40%，容量高出镍氢电池60%以上。但是不耐过充.如果过充会造成温度过高而破坏结构.

2.3.3镍氢电池与锂电池的差异：
①重量方面:

以每一个单元电池的电压来看，镍氢与镍镉都是1.2v，而锂电池确为3.6v，锂电池的电压是其他两者的3倍。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，但锂电池因3.6v高电压，在输出同等电压的情况下使的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。
②记忆效应:

镍氢电池与镍镉电池相同都有记忆效应。因此，定期的放电管理也是必需的。这种定期放电管理属于模糊状态下被处理，甚至也有些在不正确的知识下进行放电（每次放电或者使用几次后进行放电都因公司的不同而有所差异）这种烦琐的放电管理在使用镍氢电池时是无法避免的。相对的锂电池而言因为完全没有记忆效应，在使用上非常方便简单。它完全不必理会残余电压多少，直接可进行充电，充电时间自然可以缩短。
  ③自放电率:

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。
④充电方式:

镍氢电池及锂电池无法耐过充电。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。而锂电池则使用定电流、定电压方式充电最好.

2.4锂聚合物电池（Li-polymer，又称高分子锂电池）：

具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度可达0.5mm。
2.4.1合物电池主要参数:

①电压：3.7V                 ②使用寿命为：500次  

③放电温度为：-20°C～60°C   ④充电温度为：0°C～45°C
备注：锂电的改良型，没有电池液，而改用聚合物电解质，可以做成各种形状，比锂电池稳定。
2.5碱锰充电电池：

是在碱性锌锰电池的基础上发展起来的，由于应用了无汞化的锌粉及新型添加剂，故又称为无汞碱锰电池。这种电池在不改变原碱性电池放电特性的同时，又能充电使用几十次到几百次，比较经济实惠。
 2.6燃料电池：

是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。具体地说，燃料电池是利用水的电解的逆反应的“发电机”。电池工作时需要连续地供给活物质（起反应的物质）——燃料和氧化剂，这又和其它普通化学电池不大一样。燃料电池的优点是能量转换效率高、可靠性高、工作时无噪声、无尘埃、无辐射，是一种清洁的能源。
2.7阀控式密封铅酸蓄电池VRLA(Valve Regulated Lead-acid Battery)电池。

这种电池虽然也是铅酸蓄电池，但是它与原来的铅酸蓄电池相比具有很多优点，用处很广，例如UPS、电信设备、移动通信设备、计算机、摩托车等。这是因为VRLA电池是全密封的，不会漏酸，而且在充放电时不会象老式铅酸蓄电池那样会有酸雾放出来而腐蚀设备，污染环境，所以从结构特性上人们把VRLA电池又叫做密闭（封）铅酸蓄电池。为了区分，把老式铅酸蓄电池叫做开口铅酸蓄电池。由于VRLA电池从结构上来看，它不但是全密封的，而且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀，所以VRLA铅酸蓄电池的全称便成了“阀控式密闭铅酸蓄电池”。
    铅酸蓄电池是蓄电池的一种，是电极主要由铅制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。一般分为开口型电池及阀控型电池两种。前者需要定期注酸维护，后者为免维护型蓄电池。按电池型号可分为小密、中密及大密。

2.7.1铅酸电池（Sealed）的主要参数:
电压：2V                   使用寿命为：200～300次 
放电温度为：0°C～45°C    充电温度为：0°C～45°

2.7.2 延长密封铅酸蓄电池寿命的正确科学的使用方法及注意事项：

由于铅酸电池容量大,价格相对便宜,所以广泛的使用在各种场合,为了延长其使用寿命,应特别注意以下几个方面.

 ①避免冲击震荡。

各电极板均为很薄的多空疏松结构，强烈的震荡会导致极板弯曲、断裂，偶然的变形可导致正负极板直接接触短路。另外更常见的损害是，导致极板上的有效物质脱落，直接降低了电池的容量。

 ②严禁大电流快充。

很多充电器说自己有快充功能，简单的采用大电流快充，会导致电池的寿命明显减少。单位时间所给的电能远远大于化学物质的反应储能速度，大量的电能导致了出现明显得电解水的反应，释放出氧气和氢气，能听到电池内部像水煮沸的声音。同时不少电能还产生了热量，导致电池温度升高。强烈的水解反应和温度的上升必然导致有效物质的脱落，严重时可导致极板弯曲变形。

③小电流慢充或者采用脉冲充电可以延长电池的寿命，提高充电效率。

小电流充电可以很好的配合化学反应的速度，使得电解液和极板物质能够充分反应完毕从而提高了充电容量，同时相对安静的电池内部环境很有利于有效物质在极板的附着，达到无脱落或者微量脱落。铅和二氧化铅不存在缓慢结晶的问题，充电电流即使很小也不会有结晶短路的危险。因此小电流充电是延长铅酸蓄电池使用寿命的至上原则。

 ④使用脉冲充电可以延长电池寿命

是一种近年来出现的创新充电方法，一个脉冲周期有三个部分，“高电压脉冲充电——断开——放电”，高电压充电脉冲在很短的时间内向蓄电池施加数倍的电压，使得化学物质的反应物理深度加深，强度加大，可以使非疏松的硫化物质（失效物质）重新参加反应，由于充电脉冲很短，不会出现水解反应和发热。断开阶段是保持高电压充电的作用效果。放电阶段的作用时间也很短，和充电阶段构成所谓“推拉作用”，使得失效物质有效活化。市面的很多电池修复器、电动自行车电池恢复器都是脉冲充电原理。容量基本失去的电池经过48小时的脉冲充电，容量可以恢复到百分之40，之后多次恢复最终可以达到不错的效果。

⑤充满电的电池，长期不用的，一个月至少小充一次，

因为电池内部不可避免的会有缓慢放电效应。

⑥ 放电后，电池应该立即充电。

否则会形成致密的失效物质，即使充电也难以恢复。

⑦充电电压达到充满的标准电压时，转入涓流充电可以提高充电容量。

通常电池两端电压达到充满参考电压时，由于极板表面的反应程度要大于极板内部，因此充满后断电，表面的反应程度和内部的反应程度会通过电作用慢慢趋于一致，这时电池端电压会低于充电结束之前的电压。因此大电流充电结束后转入涓流充电可以明显提高充电容量。

       3.各类电 池在使用中要注意的若干问题

以上我们介绍了电池的种类以及电池的特性，我们在使用中还要注意以下问题。

3.1充电时间的计算
电池的充电时间一般按如下公式计算:

充电时间（小时）=充电电池容量（mAh）/充电电流（mA）*1.5的系数
假如你用1000mAh的充电电池，充电器用200mA的电流充电，则充电时间为:1000/200*1.5=7.5小时。

3.2铅酸蓄电池电池充电前不用先放电.

由于它无记忆效应，所以，无论电池处于何种荷电状态，都可直接进行充电，无须放电。

3.3电池应勤充电

由于放电越浅，其循环次数将大幅度增加。因此，按这一理论，勤充电对循环寿命是有益的，但就目前市场上大量流通使用的充电器来讲，由于受价格因素及技术水平等影响，充电器存在故障率高，可靠性差，精度低等缺陷。因此，有时勤充电反而影响电池的使用寿命。将电池放空再充电，充电次数虽然减少，但放电时由于单体电池之间总会存在差异可能造成某些单格过放电，过放电池充电接受能力会大大降低，引起充电不足的故障，另外由于放完电再充电，充电器重负荷时间长，易损坏充电器。因此，综合上述，我们认为蓄电池放出电量的50-70%时进行一次充电是较合理的，对电池的使用有好处。

3.4.要注意温度对电池性能的影响

电池的充电、放电时，在电池电极上发生电化学反应，温度越高，电池各活性物质的活度增加，电解液粘度降低，电阻减小，因此电化学反应容易进行，反之则不容易进行。放电时温度越低，放出容量越低，在特别低的温度下，放出容量将大幅度下降，温度高则相反；充电时温度越低，充电接受能力越差，要求充电电压较高，才能充足电。

3.5. 新买来的电池要先充电,然后再使用   

为防止运输中出现事故，充电电池一般是不会满电出货的。并且电池有自放电的特点，因此出货时会带30%-50% 的容量保证电压。一般出货的电池会保证6个月左右的储存期。因为电池不满电，客户买到的时候可能已经储存并且自放电了一段时间，因此刚买来的电池如果大放电使用，可能会导致损伤，建议充满后再进行使用。
3.6.电池应注意贮存的条件
    因为长期贮存会加速电池的自放电和降低反应活性，所以温度在10°C至30°C比较适合长期贮存。当电池需要贮存一年以上时，要保证至少每一年对电池进行一次充放电，这样可防止电池漏碱和因电池自放电而导致的电池性能下降。
   当对长期贮存后的电池进行第一次充电时，由于电池内部反应活性的降低会导致电池电压偏高和容量减少。进行反复多次的小电流充电和放电，容量即可恢复。
3.7不要将不同容量的电池组合在一起使用
   将不同容量或新旧的电池混在一起使用有可能出现漏液，零电压等现象。这是由于充电过程中，容量差异导致充电时有些电池被过充，有些电池未充满电，放电时有容量高的电池未放完电，而容量低的则被过放。如此恶性循环，电池受到损害而漏液或低（零）电压。
3.8电池使用完后或长期不使用不要保存在用电器内
    如果用电器较长时期内不再使用，最好将电池取出并放于低温、干燥的地方，如果不这样，即使用电器被关掉，系统仍会使电池有一个低电流输出，这会缩短电池的使用寿命。
3.9不要对电池进行过放电和过充电.
    电池放完内部储存的电量，电压达到一定值后，继续放电就会造成过放电，通常根据放电电流来确定放电截止电压。0.2C-2C放电一般设定1.0V/支，3C以上为0.8V/支（如电池容量为2000mAH，0.2C=0.2*2000=400mAH），电池过放可能会给电池带来灾难性的后果，特别是大电流过放，或反复过放对电池影响更大。一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活性物质可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量也会有明显衰减。
    过充电是指电池经一定充电过程充满电后，再继续充电的行为。一般情况下，电池的内压不会有明显升高，但如果充电电流过大，或充电时间过长，产生的氧气来不及被消耗，就可能造成内压升高，电池变形，漏液等不良现象。同时，其电性能也会显著降低。
  
         结束语:以上就目前市场上各种设备所使用的电池的使用方法做了简单的叙述，并提醒消费者在使用时应注意的问题.我们只有掌握正确的使用方法,才能使电池性能得到最大的发挥.为我们的生活工作带来更大的方便.