2004年九月A版

電池的應用從來沒有像現在這么廣泛。電池正在變得更小、更輕，在單位容積內可容納更多能量。電池發展的重要驅動力來自便攜裝置(移動電話，膝上電腦，攝錄像機，Mp3播放機)的發展。

本文概述充電方法和現代電池技術，以便更好地了解便攜裝置所用的電池。這包括鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li+)電池化學性質的描述。本文也描述了單節鋰離子和鋰離子聚合物電池的保護器件。

電池含義

電池稱之為能量儲存系統，這也包括續流和時鐘源。從現代技術的角度看，電池通常是出現電能的自儲化學系統的便攜裝置。

一次性電池(稱之為不可充電或初級電池)從恒定變化電池的化學反應出現電能。一次性電池的放電引起電池化學成分的永久性和不可逆變化。反之，可充電電池稱之為二次電池，二次電池由充電器充電而在應用中放電。因此，二次電池可以多次出現能量和多次儲存能量。

充電或放電電流(安培)通常表示為額定容量的倍數(稱之為C率)。例如，額定為1安培一小時(1Ah)的電池，C/10放電電流為1Ah/10=100mA。電池的額定容量(Ah或mAh)是在特定條件下完全充電時所能儲存(出現)的電量。因此，電池的總能量是容量乘電壓，其量度為瓦特一小時。

電池性能測試

電池的化學成分和設計一起限定電池所能供應的電流。若沒有限制性能的實際因素，電池可出現無窮大的電流。限制電池性能的重要因素是化學成分的反應率、電池設計和發生反應的區域。某些電池具有出現大電流的能力。例如，鎳鎘電池所出現的電流大到足以熔化金屬和引起火災。其他電池只能出現弱電流。

電流中所有化學和機械因素的凈效應可表示為單一數學因數一等效內阻。降低內阻可得到較大的電流。

沒有一個電池能永久地儲存能量。不可防止地，電池化學反應能力逐漸下降導致電池儲存電荷減少。電池容量和重量(或尺寸)之比稱之為電池的存儲密度。在給定尺寸和重量的電池中，高存儲密度意味著可儲存更多能量。

表1給出個人計算機和蜂窩電話所用重要化學電池的額定電壓和存儲密度(用每千克重量的瓦特一小時或Wh/Kg)表示。

表2列出幾種電池的重要特性。

若一次性和二次電池都能達到同一目的，為何總是不選擇二次電池呢？這是因為二次電池有下列缺點：

電池充電

一個新的可充電電池或電池組(一個電池組中有幾個電池)不能保證完全充滿電。事實上它們很可能幾乎被放電。因此，第一件要做的事情是根據制造商供應的化學成分相關指南，對電池/電池組進行充電。

每次充電操作根據電池的化學成分依序加電壓和電流。因此，充電器和充電算法滿足電池化學成分的不同要求。電池充電經常遇到的術語是：用于NiCl和NiMH電池的恒流(CC)和用于鋰離子和鋰聚合物電池的恒流/恒壓(CC/CV)(見圖1-6)。

表3列出各種充電方法。

鎳鎘電池充電

加恒流(0.05C-1C)對NiCd電池充電。某些低成本充電器借助絕對溫度終止充電。雖然簡單、成本較低，但這種充電終止方法是不精確的。較好的方法是用檢測電壓跌落的方法終止充電。-△V方法關于充電速率為0.5C或更高速率的NiCd電池是最有效的。-△V充電終止檢測應該與電池溫度測量相結合，因為變質電池和失配電池可降低△V。

可以用檢測溫度新增速率(dT/dt)實現更精確的滿充檢測，這種充電檢測方法比固定溫度終止方法更好。基于dT/dt和-△V終止組合方法的充電終止方法具有較長的壽命周期，可防止過充電。

快速充電可改善充電效率。在1C效率接近1.1(91%)，而空載電池的充電時間，1小時多一點，當以0.1C充電時，效率降到1.4(71%)，充電時間為14小時左右。

因為NiCd電池的電荷接收度接近100%，所以在開始70%充電期間吸收幾乎所有的能量，而電池保持微冷。超快速充電器利用該特點，在幾分鐘內把電池充電到70%電平，所加電流等于幾倍的C率，而無熱量出現。達到70%電平之后，電池以較低速率繼續充電，直到電池充滿電為止。最后，加0.02~0.1C涓流結束電池充電。

鎳氫電池充電

盡管NiMH充電器與NiCd充電器類似，但是，NiMH充電器采用dT/dt方法，這是NiMH電池充電的最好方法。NiMH電池的充電結束電壓下降比較小，而對小充電率(低于0.5C，這取決于溫度)可以完全無電壓下降。

新的NiMH電池在充電周期內過早地出現不可靠的峰值，這會導致充電器過早結束充電。此外，用-△V檢測充電結束能保護過充電，過充電本身又在電池失效前限制充電/放電的次數，在所有條件(新或舊，熱或冷，全部或部分放電)下似乎沒有可用的-dV/dt算法能使NiMH電池充電更加有效。基于此原因，不能用NiCd充電器為NiMH電池充電，除非它是用dT/dt方法終止充電。因為NiMH電池不能吸收過充電，所以，涓流充電必須比NiCd小(0.05C左右)。

慢充電NiMH電池比較困難，這是與0.1C-0.3C范圍C率有關的電壓和溫度分布不能供應足夠精確充滿電狀態的指示。因此，慢充電器必須依靠按時器來指示何時充電周期應該結束。所以，為了使NiMH電池充滿電，應該施加接近1C(或根據電池制造商標定的C率)的快速充電，同時監控電壓(△V=0)和溫度(dT/dt)來確定何時充電應該結束。

鋰離子和鋰聚合物電池充電

其實，鎳基電池的充電器是限流型的，而鋰離子電池充電器是限制電壓和電流。第1代鋰離子電池充電電壓限制在4.10V/電池。較高的電壓意味著較大的容量，通過新增化學添加劑實現了4.20V電池電壓。現代鋰離子電池一般充電到4.20V(容差