二次电池技术的作用及应用

由于新电池化学品的开发使得可以为越来越广泛的系统提供能量，电池供电系统现在已经普及。二次电池已经成为重要的能源，为电子系统提供了一种比初选更为环保的解决方案，因为它们可以充电而不是要求新电池，旧的电池在耗尽时丢弃。

如果不使用作为主要电源，二次电池可在许多消费者和轻工业应用中发挥重要作用，在主电源发生故障时提供必要的备用电源。它们可以作为停电断电的能源，或者允许换出原电池而不会丢失存储在易失性存储器中的宝贵数据。可充电技术的使用允许它们使用来自主要来源的能量保持完全充电并准备好支持系统。这可以确保正常运行时间不会像使用主要的非充电电池那样降低。

现在有四种主要类型的可充电电池可用于为电子和电气设备供电：密封铅酸蓄电池;镍镉（NiCd）电池;镍氢（NiMH）电池;和锂离子电池。它们中的每一个都有自己独特的特性，但它们也有一些共同的特性。

大多数电池化学物质在供电方式上都是非线性的。电池容量与其提供的电流有关;通常，抽取的电流越大，电池的有效容量越低。例如，对于5mA的电流消耗，电池可能具有1000mAh的容量。但是，相同的电池可能具有500 mAh的容量，电流消耗为200 mA。

此外，二次电池的化学和结构对其充电方式有很大影响。放电并且能够维持足够高的电压来为电路供电。一些化学物质可以提供高放电或充电速率，但是它们的输出电压可能在某个时刻快速下降，可能超出负载电路继续执行的能力。结果，负载无法使用所有可用的能量。进一步的考虑是，一旦主电源重新启动，能量可以多快恢复到电池，以及电池是否可以定期充电，或者最好是进行深度放电然后再充电。

对于NiCd电池，电池中的记忆效应特别明显，如果它们经历反复的浅循环，则其可用容量会降低。例如，如果电源中断时间短且频繁且电池每次充电，则记忆效应将导致其有效最大容量下降。

图1：二次电池的典型放电曲线。

NiCd是19世纪末发现的最古老的可充电电池化学物质之一。当时，它是铅酸电池唯一现实的竞争对手。随着时间的推移，能量密度提高并超过铅酸化学。电池包括氧化镍 - 氢氧化物正电极板和通过薄隔板保持分开的镉负极板。它们含有碱性电解质，通常是氢氧化钾。

记忆效应的原因是由于电极上活性材料排列的变化。理想地，这些在电极表面上布置为非常大量的微小晶体，这导致高的质量与表面积比，改善了与电解质的接触。随着时间的推移，并且受到短充电循环的鼓励，这些晶体可以聚结成更大和更大的晶体，从而减少总表面积。

放电循环的可能副作用是产生不需要的气态副产物。三洋能源的Cadnica系列镍镉电池等产品旨在最大限度地减少气体产生，但单个电池包含自动重新密封的通风口，以防止气体积聚在设备内部。 Cadnica电池设计用于承受过充电和过放电。三洋的电极板制造工艺和集电器使内部电阻最小化，让电池充分利用NiCd化学的关键特性，当需要高电流时，这是一种高放电率。

图2：三洋能源Cadnica NiCd电池的构建。

与NiCd相比，较新的NiMH电池化学物质具有较高的自放电率，约为50％，但是整体能量密度更高。 NiMH电池的另一个特征是它们在充电期间产生热量，限制了它们可以安全充电的速率。因此，充电更复杂，并且通常需要包括温度感测电路。 NiMH的一个有用特性是它不会像NiCd化学品那样受到记忆效应的影响。

虽然电子技术中最古老的电池技术在电子系统中得到广泛应用，但铅酸电池仍然存在具有许多优点，例如非常平坦的放电曲线。铅酸电池可能是最熟悉的液体罐，需要小心处理。然而，用凝胶型电解质代替液体的密封单元现在是常见的，特别是对于较小的负载。电极使用铅合金组合物，其设计用于防止充电期间形成气体，这是液体铅酸电池中遇到的副作用。像一些镍镉电池一样，如果充电过程确实会产生一些气体，通常会有一个安全阀来防止内部压力增加。

凝胶电池通常每公斤容量低于其他电池化学品，但由于其平坦的放电曲线，在其大部分范围内提供可用的电压输出，这种电池类型的自放电率非常低，每月5％左右，尽管这往往是非线性的。但是，有一个电压超过该电压，在特性变化到足以防止电池充满电之前不应该按下电池。

与不适合频繁充电的NiCd电池相比，密封Enersys的Cyclon®系列铅酸蓄电池如果不经常深度放电，将会显示更长的使用寿命，而是在主电源恢复后轻轻使用然后加满。锂离子化学物质等锂可充电电池在放电太远时也会受到影响，但是从相对平坦的放电曲线中受益，直至其输出电压迅速下降。

图3：Enersys Cyclon密封铅酸蓄电池的放电深度与寿命之间的关系。

作为最轻的具有高电化学电位的金属，锂原则上可以实现高能量密度。但是，金属的反应性会引起火灾和爆炸。因此该元素以其氧化形式使用以降低危险。因此，锂离子化学物质使用锂 - 钴二氧化物等材料代替金属本身。

锂离子电池通常具有负极铝，涂有锂等锂化合物 - 二氧化钴，锂 - 二氧化镍或锂 - 二氧化锰。正电极通常是涂有碳的铜。电解质通常是锂盐，例如六氟化锂 - 磷，溶解在有机溶剂中。

锂离子电池的能量密度是NiCd的两倍，并且不会受到记忆的影响影响。另一个好处是类似于密封铅酸电池的低自放电率。然而，需要在相对高的成本和更复杂的充电方案之间取得平衡，电池不能滴流或浮充电并且需要防止过度充电和过度放电。将电池推过极限会带来安全风险。虽然在空间有限的情况下，锂离子电池具有明显的优势。

高能量密度已经从FDK，松下和精工电子等供应商生产纽扣电池二次电池。但是，这不是唯一的形式。 Cymbet的Enerchip™是一种可以像任何其他表面贴装IC一样处理的单元，可以在电路板上自动组装和焊接。

Enerchip的容量小于1 mAh但它适合电池备份应用，例如，在主电池电源交换时维持系统处于睡眠状态，适用于尺寸和低成本生产很重要的各种应用。 Enerchip的主要竞争对手不是其他电池，而是超级电容器。然而，芯片的锂基电化学结构提供了更低的自放电率，从而减少了消耗能量的需要，只是为了在备份上保持足够的电荷。

电池化学和设计的创新近年来可能会看到二次电池技术的进一步发展，将其范围扩展到目前由其他电源主导的领域，包括更大的超级电容器和原电池。正如本文所示，了解每种化学物质如何与给定的系统结构一起工作非常重要。