充電電池介紹(一)
充電電池介紹(一)
現在新能源技術和環保技術已被各國政府重視，紛紛制定政策投入钜資以促進其發展。很大程度上人們已認為它們是新技術的發展方向。充電電池技術就是這個新技術發展成敗的關鍵。比如風能，太陽能技術的成敗除成本外還需有強大的儲能技術 -- 充電電池技術（飛輪技術除外但其不成熟）；電動車的發展更直接依賴於充電電池。充電電池種類很多，用途各異。本文將對充電電池作一個簡單但較系統的介紹， 並按用途來分類，即：小型攜帶型充電電池，動力電池，和大型儲能電池。其中動力電池是重點。在展開之前先介紹幾個專業名詞：
電池的容量 : 就是指電池所含電量的大小。其值等於電流強度與時間的乘積，單位是安時（AH）
體積比能量 : 指單位體積所能承載的能量，分理論的和實際的，單位是Wh/L或mAh/g (克容量)。
迴圈壽命 : 指電池一生中能完成多少次沖放電的過程（有的是指滿沖滿放，這在後面要詳細敍述。
倍率 : 是指電池在規定的時間內放出其額定容量時所需要的電流值，它在資料值上等於電池額定容量的倍數。通常以字母C表示。如電池的標稱額定容量為1000mAh為1C（1倍率），500mAh則為0.5C，10A為10C，以此類推。更進一步說明，如電池的容量為1000mAh是10C，則指額定放電電流為1C=100mA，10小時放出電瓶的電量1000mAH。
之一：
小型攜帶型充電電池（1）
隨著攜帶型電子產品的大量普及，小型攜帶型充電電池得到了極大的發展。它主要分四種：1. 鎳鉻電池 [ 鎳鎘Ni-Cd ]、2. 鎳氫電池 [ 鎳氫Ni-MH ]、3. 鋰電池 [ 鋰電Li、鋰離子Li-ion、鋰聚合物Li-polymer ]、4. 燃料電池 [ 鹼性FC（AFC）、磷酸型FC（PAFC）、熔融碳酸鹽FC（MCFC）、固體氧化物FC（SOFC）及質子交換膜FC（PEMFC）等]。但目前前三種較為常見。
1. 鎳鎘電池 ( NiCd )
鎳鎘電池一般都做出這個模樣
鎳鎘電池是最古老的充電電池技術之一，早在1899 年就被發明出來了。鎳鎘電池的優點是可以承受短時間的大量放電，而且充電過程是吸熱反應 -- 後者的特性讓它可以快速充電也不會對電池造成太大的損壞。單個鎳鎘電池的電壓是 1.2V，並會一直很穩定的提供 1.2V的電壓直到沒電為止，因此大部份使用鹼性電池的電子產品都可以放鎳鎘電池進去，沒有問題。其理論體積比能量是150（Wh/L），迴圈壽命是500次。
鎳鎘電池最著名的缺點，就是所謂的「記憶效應」，也就是當電池裏還有沒用完的電，就再充電時，電池就會「記得」這個位置，以後電用到剩這麼多時，電池就會發生和沒電一樣的反應 ( 電壓瞬間降低 )。所以鎳鎘充電前必須要經過一段放電的過程，將電力放幹之後才能再充電。大部份鎳鎘電池的充電器都會有自動放電的功能。
鎳鎘電池因為蓄電量比較小，通常只有鹼性電池的1/4（高的能做到800mAh），而且鎘是有毒重金屬不利於環境，儘管其安全性極好，在應用中它逐步被相近的鎳氫電池(NiMH)所取代。
目前我們所用的移動電子產品中也就無繩電話和電動玩具能用到鎳鎘電池了。習慣上我們打完電話就把它放回充電器。這當然不利於電池壽命，但鎳鎘電池價格很便宜，更換也很方便，倒也不用擔心。只是為環保著想還是改用鎳氫電池或鋰電池的無繩電話吧。
2. 鎳氫電池 ( NiMH )
在5號(AA)和7號(AAA)規格充電電池中，鎳氫充電電池目前是主流
鎳氫電池和鎳鎘電池是差不多的技術，只是將陽極從鎘換成了氫化物而已。它大部份的特性和鎳鎘電池一樣比如電壓是 1.2V，只是蓄電量更高、記憶效應也比較不那麼明顯 ( 但其實還是存在 )。其理論體積比能量是200（Wh/L）。安全性好不容易爆炸。鎳氫電池最大的問題，是它有很高的自放電率，也就是明明是充飽電的電池，放在一邊不用一個月，電力可以少掉30%。
鎳氫電池是目前最環保的電池，注重環保的國家都大力提倡使用鎳氫電池，因為易於回收再利用，且對環境的破壞也最小。不過鎳氫電池與後面要介紹的鋰電相比，還是有一些缺點。充電時間長、重量較沉、容量也比鋰電小，還有記憶效應。但是鎳氫電池的充電次數能夠達到700次以上，某些質量好的產品充放電可達1200次，比一般的鋰電池長壽而且價格也很大眾化。
在5號(AA)和7號(AAA)規格充電電池中，鎳氫充電電池目前是主流。和鎳鎘電池一樣，充電前必須要經過一段放電的過程，將電力放幹之後才能再充電。但大部份充電器都有自動放電的功能。由於手機和筆記本電腦要求電池容量大重量輕，所以鋰電是主流。由於前面所述鎳氫電池的安全性和環保性，它在動力電池中也有應用，如目前豐田的Prius。這在後面再講。
鎳氫電池的自放電通常原因是因為負極金屬氫化物中的氫與貯氫合金分離，從負極中逸出，轉移到正極表面，把氫氧化鎳（NiOOH） 還原成氫氧化亞鎳（Ni(OH)2） ，造成電量的損失。自放電率的大小和溫度，功率以及隔膜有關。通常電池儲存溫度越低，自放電率也越低，電池功率高則自放電大，隔膜的特性也會影響電池的自 放電。溫度和功率無法控制，所以估計在隔膜上作文章來減小自放電率。
小型攜帶型充電電池（2）
3. 鋰電池
最早出現的鋰電池來可追溯到發明家愛迪生。1971 年日本松下公司的福田雅太郎發明鋰氟化碳電池，使鋰電池實現應用化商品化。鋰電池其實是鋰金屬電池Li、鋰離子電池Li-ion、鋰聚合物電池Li- polymer的統稱。它的正極是由鋰金屬或含鋰的活性化合物，由於鋰金屬的化學特性非常活潑，鋰金屬為正極的鋰電池沒有得到廣泛應用。
目前的鋰電池可以分為液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池兩大類。它們所用的正負極材料與液態鋰離子都是相同的，電池的工作原理也基本一致。主要區別在於電解質的不同，鋰離子電池使用的是液體電解質，而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質來代替，這種聚合物可以是“幹態”的，也可以是“膠態”的，目前大部分採用聚合物膠體電解質。很顯然膠體電解質不會像液體電解液洩露，所以裝配很容易，使得整體電池更輕、更薄，安全性更好。加上用鋁塑複合薄膜製造電池外殼，從而可以提高整個電池的比容量；是下一代鋰離子電池。
鋰離子電池的工作原理很簡單。
充電時 : 在電場的驅動下鋰離子從正極晶格中脫出，經過電解質，嵌入到負極晶格中。
放電時 : 過程正好相反，鋰離子返回正極，電子則通過了用電器，由外電路到達正極與鋰離子複合。
這需要一個電極在組裝前處於嵌鋰狀態，一般選擇相對鋰而言電位大於3V且在空氣中穩定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極，如LiCoO2、LiMn2O4。近期又發展出克容量較高，性能較好的二元，三元正極材料如LiNiCoMn02等。做為負極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰的材料，如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物，包括SnO、SnO2、錫複合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2 ＋3x＋5y)/2)等。
電解質採用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶劑體系。
隔膜採用聚烯微多孔膜，如PE、PP或它們複合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點較低，而且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。
外殼採用鋼或鋁材料，蓋體元件具有防爆斷電的功能。
表：三種鋰離子電池的性能比較
鈷酸鋰 鎳鈷錳 錳酸鋰
liCo02 LiNiCoMn02 LiMn204
振實密度（g/cm3） 2.8～3.0 2.0～2.3 2.2～2.4
比表面積（m2/g） 0.4～0.6 0.2～0.4 0.4～0.8
克容量(mAh/g) 135～140 155～165 100～115
電壓平臺(V) 3.6 3.5 3.7
迴圈性能 ≥300次 ≥800次 ≥500次
過渡金屬 貧乏 貧乏 豐富
原料成本 很高 高 低廉
環保 含鈷 含鎳、鈷 無毒
安全性能 差 較好 良好
我們目前最常用的攜帶型電器是手機、筆記本電腦、mp3、照相機等，它們的電力最主要的是由鋰電池提供。它的最大問題是使用壽命還不夠長，換一個新電池花費不小。所以注意電池的使用以延長電池壽命就顯得重要。
1）首先我們要澄清一個充放電的錯誤觀念，即有人認為：鋰電池必須用完電以後才能充電。這是錯的。鋰電池壽命和電池的總充電電量有關，和充電次數無關。深放深充一次（比如完成1Ah電量的充放）和淺放淺充4次（每次完成0.25Ah電量的充放）對於鋰電壽命的影響相差不大。但深度的充、放電會額外造成鋰離子電池正、負的永久損壞。所以最好是在電量只有20%－40%的時候進行充電，充到70%－80%的時候停止充電。
2）如果鋰電池存放3個月以上，就需要“啟動”。“啟動”的方法是進行2～4次的完全充放電過程，即“充滿電－用完－再充電”；因此新買來的電池一般都需要“啟動”；
3）如果設備不用，每個月要充電1次，否則電池容易損壞。電池的保護電路對電池壽命很重要，但不是我們的討論範圍。