常見蓄電池的原理及其應用知識

常見蓄電池的原理及其應用

現在，常見的蓄電池有鎳氫NiMH、鎳鎘NiCd和鋰離子LIB蓄電池。由于各自的電化學反應機理不盡相同，因此也各有其特點和不同的應用領域。本文根據它們的電化學反應機理，介紹各自的特點和相應的應用領域。

電化學反應機理

NiMH蓄電池和古老的NiCd蓄電池有親緣關系，為此首先介紹NiCd蓄電池，其次是NiMH蓄電池，最后說明LIB。

1. NiCd蓄電池

早在1899，NiCd蓄電池就已發明，于1947實現完全密化的NiCd蓄電池，一直應用至今。長時間的應用表明，NiCd蓄電池不失為一種高性能和高可靠性的蓄電池。

如今的NiCd蓄電池，在發泡鎳或鎳纖維狀基體上附著大量NiOOH活性物質作為正極，以重金屬鎘Cd作為負極，一同置進電解液（KOH溶液）中，經密封后構成蓄電池。該蓄電池容器內，進行的電化學反應如下：

這個電化學反應的特征在于，明明看到作為電解液成分的KOH，但它并不直接參與電化學反應。由于制造蓄電池時使負極的容量大于正極的容量，當過充電時只能看到由正極產生的氧（O2）；由于負極殘留未被充電部分，不產生氫（H2）；由于產生的氧（O2）被負極吸收，所以可以實現密封。

從NiCd蓄電池的電化學反應機理得知，它是依靠OH-離子快速移動，反應比鋁酸蓄電池平穩。因此，它的重要特征是放電容量盡管在大電放逐電時也不出現低下現象（可維持1.2 V端電壓）。結晶結構基本上不因充放電而變化，使用壽命較長。

2. NiMH蓄電池

美國和荷蘭都對能吸躲氫的合金MH（Hydrogen Storing alloy metal）開展研究，并試圖用于開發蓄電池。世界上出現NiMH蓄電池商品是在20世紀九十代初，發展卻十分迅速。實踐證實，通過適當組合La、Ce、Pr和Nd等稀土元素能形成吸躲氫的合金MH，它所能開釋/吸躲的氫H2量相當大，例如，1cc的液體氫能變成784cc的氫氣，而1cc體積的吸躲氫的合金MH卻能開釋出1000cc的氫氣。

在NiCd蓄電池里，只要利用吸躲氫的合金MH取代有毒的重金屬Cd（鎘），便形成對環境無污染的綠色蓄電池NiMH，其電化學反應如下：

由于設計時可像NiCd蓄電池一樣也把負極MH的容量制成足夠大，當過充電時由正極放出的氧氣可被MH中的氫氣還原，使蓄電池可實現密封。NiMH蓄電池和NiCd蓄電池一樣，大電放逐電時可維持平穩的1.2V端電壓。值得稱道的是NiMH蓄電池的廢棄物不污染環境，而NiCd蓄電池廢棄物（若不回收）必將造成環境污染。

NiMH蓄電池的負極材料結構和電化學反應機理不同于NiCd蓄電池，它的能量密度和使用壽命都比NiCd蓄電池優越，從而也能開拓出更廣闊的應用市場。正是由于這種緣故，世界各產業發達國家都高度重視NiMH蓄電池的研究與開發。據報道，我國有色金屬研究院的科研職員對MH合金已開展很深進的研究，并且獲得可喜的新進展。

3. LIB蓄電池

以金屬鋰Li作為負極的一次性電池，口碑很好。因此，各產業發達國家都試圖利用Li制造蓄電池，1979，加拿大MoLi-Energy公司的鋰金屬蓄電池在手機里起火的事故，曾迫使鋰金屬蓄電池一度退出市場。但是，由于鋰Li金屬作為負極的蓄電池具備理想的性能，各國仍在潛心研究與開發。

現在，市場流行的鋰離子蓄電池（LIB）是以犧牲電池性能獲取安全性和使用壽命的折衷方案，其電化學反應如下：

LIB是由涂有LiCoO2活性物質的鋁集電體作為正極、碳（石墨或活性碳）和溶解有LiPF6的有機溶液構成的。當充電時，LiCoO2中分層結構里Li離子游向負極被分層結構的碳所吸附；當放電時，碳分層結構里吸附的鋰離子又回游到正極，于是正極復原成LiCoO2分層結構，負極也復原成碳分層結構。也就是說，該蓄電池在周而復始的充放電過程中，出現的只是鋰離子而不是活潑的鋰金屬。因此，LIB具備較好的安全性和可使用的壽命。

LIB的主要特點是具有較高的重量能量密度，平穩的放電電壓為3.6 V，可在-20℃～60℃的溫度范圍內工作，無存儲效應，自放電率低（因而不能大電放逐電）。為了安全地使用LIB，要求具備嚴防過充電和過放電的保護設施。

各種蓄電池比較

上述NiCd、NiMH和LIB蓄電池的電化學反應機制不同，各個蓄電池的特點也不盡相同。為了便于比較，需要用到評價蓄電池性能的標準或者是參數。通常使用的評價參數，如像平衡放電時的蓄電池端電壓Vdc、再充電次數（Recharges）或者充放電周期個數、價格比率（Price Ratio）、能量密度（細分為重量能量密度和體積能量密度）和功率密度等，都是用定量的數值表示的。例如，NiCd和NiMH的Vdc=1.2V，而LIB的Vdc高達3.6V。當需要3.6V供電電壓時，人們都寧愿用1塊LIB而不用3塊NiCd(或NiMH)蓄電池串聯供電。這一實例說明，利用定量的參數可對各種蓄電池進行橫向比較，便于選擇應用。

除此之外，蓄電池的安全性和是否具有記憶效應等，也是影響蓄電池廣泛應用的重要因素，值得留意。

根據以上所述，可把現在常用的電能轉換器件和電能儲存器件的各種參數列于表1，以便用戶選擇。其中，Wh/kg是蓄電池的重量能量密度，表示每kg蓄電池能提供出的Wh(瓦小時)電能；Wh/Liter是蓄電池的體積能量密度，表示每公升（Liter）蓄電池能提供出的Wh電能；W/kg表示蓄電池的功率密度，表示每kg蓄電池能提供出的瓦數（W），即電功率；Price Ratio是蓄電池之間的價格比率，表示各種蓄電池的相對價格。

從表1中能夠清楚地看到，NiCd、NiMH、LIB和雙電荷層電容器都各有短長,各項參數都十全十美的器件，目前市場上還未出現。因此，蓄電池器件的選用，必須結合具體應用實際加以選擇，公道搭配使用。

蓄電池的應用

NiCd蓄電池最嚴重的題目是其廢棄物對環境造成嚴重污染，危及人類健康。由于在歐美和本已建立回收再利用機制，環境污染題目也基本上獲得解決。至于NiCd蓄電池存儲（記憶）效應，只要使用時牢記，一定要使它充分放電后再進行充電就可避免；否則，假如NiCd蓄電池在放電很淺的情況下就又充電，它就會記憶住放電深度，用未幾久就又需要充電。

除了上述的不足之處以外，NiCd蓄電池仍有一定的上風，諸如價格相當便宜，電壓控制和溫度控制的充電設施相對簡單，重負載的放電能力以及多種型號（高容量型、急速充電型等）等，堪稱是經濟實惠的蓄電池。其應用領域相當廣泛，只要不計較其體積和重量，可用于收發信機、無繩電話、攜帶式AV機器和電動機器等。

NiMH蓄電池是NiCd蓄電池的新發展，體積能量密度高，而且對環境無污染和無記憶效應，受到廣大用戶的歡迎。它具備較高的容量，可大電放逐電，答應再充電次數高達500～1000次，價格趨公道（預計今后3～5內，每本錢可下降3％），并且可利用現行的NiCd蓄電池的充電設施，因而NiMH蓄電池獲得廣泛應用。NiMH蓄電池和NiCd蓄電池一樣，具有圓筒形（AAA、AA、A、C、D、F和M）、方形和紐扣形電池。這些NiMH蓄電池可裝配成多種電池組，可以滿足電子設備益增長的便攜性需求。例如，NiMH蓄電池非常適合于大電放逐電需求，如像便攜式打印機、醫療設備，遠程通訊設備，筆記本電腦和數碼AV機器（數碼相機、數碼攝像、數碼音頻播放機）等，都可應用NiMH蓄電池。原來，NiMH蓄電池實用化比鋰離子蓄電池LIB先行一步，于是在移動通訊領域本也是NiMH蓄電池的天下。但是，LIB實用化以后，情況發生逆轉，后面將仔細介紹。

NiMH蓄電池由于吸躲氫的合金MH比重很大，導致Wh/kg僅為60左右；盡管NiMH的Wh/Liter可達到300乃至400，W/kg高達160以上，但它的應用遠景限定在不嚴格計較重量的重負載應用領域，例如混合電動車輛（hybrid electric vehicles）、電動車輛、軍事野營、抗災（水災、地震等）現場用電等方面將發揮出不可替換的重要作用。由于NiMH蓄電池的特性決定它能和太陽能電池板、雙電荷層電容器EDLC、便攜式風力發電機等構成復合系統。例如混合電動車輛的汽油發動機功率較小，只限于行駛時作為動力，而啟動和爬坡時借助于NiMH蓄電池與雙電荷層電容器提供電能驅動電動機實現加速；將來的電動車輛主要是依靠大型NiMH蓄電池組和大型雙電荷層電容器組復充電方式，加速時由電容器提供脈沖大電流驅動；太陽能電池板和NiMH蓄電池組合供電系統，白天依靠太陽能電池發電為NiMH蓄電池充電，夜間由蓄電池放電；風力發電機和NiMH蓄電池組合供電系統，有風時發電機為NiMH蓄電池充電，無風時由NiMH蓄電池放電。

LIB蓄電池的Vdc=3.6V，再充電次數可達300～400次，能量密度高達287Wh/Liter，堪稱是目前世界上最輕便的蓄電池。盡管它在充放電時，都要求一套精密的控制設施保證安全性,而且價格不菲，對于追求輕便和使用效率的移動通訊手機用戶，依然是對LIB蓄電池情有獨鐘。在移動通訊領域，LIB蓄電池終回要完全取代NiCd和NiMH蓄電池。

總之，NiCd、NiMH和LIB蓄電池由于各自機理和特性不同，各有其自己的應用領域，今后將會在不同的領域協調發展。