充電器充電的電池簡稱二次電池
和普通的不可充電的電池相比,可充電的電池叫二次電池。二次電池能夠反復運用，符合經(jīng)濟實用原則，這是其最大的優(yōu)點，自然人們最青睞二次電池。二次電池的種類也不少，就目前市場上主流產(chǎn)品而言，有 4類電池：鉛酸(LA）電池、鎳鎘（NiCd）電池、鎳氫（NiMH）電池和鋰離子(Liion ）電池。
1．便攜式電子設(shè)備可選擇的電源系統(tǒng)
對便攜式電子設(shè)備的生產(chǎn)商來說，給便攜式電子設(shè)備選擇合適的電池是很困難的。因為電池的選擇會對設(shè)備的功能、型號、成本造成很大的影響。設(shè)計者面對著很多選擇，從簡單的鉛酸電池到復雜的集成了電子安全、監(jiān)視和充電控制電路的鋰離子電池。
1）鎳鎘電池。
鎳鋼電池工作電壓為1．2V左右，具有優(yōu)良的大電流放電性能，可在一20～
鎳鎘電池種類繁多，有放置用的大型電池（多數(shù)20Ah以上）和小型密封型電池，6Ah以下的圓柱形和扁平形電池，0．5Ah以下的紐扣式電池。日本三洋公司生產(chǎn)40～2000mAh的 95種型號的鎳鎘電池，按用途有 8類電池：一般用（標準型）、 高容量（E型）、 快速充電用（R型）、 高溫用（H型）、耐熱用（K型）、 長壽命（C型）、保護記憶用（S型）、 扁平形（KF型）、標準型典型電池為 AA型，容量為600mAh，尺寸為14．2mmX 50．
質(zhì)量為 23克，內(nèi)阻為12mΩ。AAA型的容量為 250mAh，尺寸為10．5mm X 44．5mm，質(zhì)量為11克，內(nèi)阻24Ω。
鎳鎘電池正極板上的活性物質(zhì)由氧化鎳粉和石墨粉組成，石墨不參加化學反應，其主要作用是增強導電性。負極板上的活性物質(zhì)由氧化鋁粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是使氧化鋁粉有較高的擴散性，防止結(jié)塊，并增加極板的容量?；钚晕镔|(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。與其他電池相比，鎳錫電池的自放電率（電池不使用時失去電荷的速率）適中。鎳鎘電池在使用過程中，如果放電不完全就又充電，下次再放電時，就不能放出全部的電量。比如，放出80％電量后再充足電，該電池只能放出80％的電量，這就是所謂的記憶效應。當然，幾次完整的放電／充電循環(huán)將使鎳鎘電池恢復正常工作。
由于鎳鎘電池的記憶效應，若未完全放電，應在充電前將每節(jié)電池放電至 1V以下。
2）鎳氫電池。鎳氫電池是生產(chǎn)了幾年的新電池，又稱為貯氫電池。20世紀70年代，荷蘭飛利浦實驗室在研究第一代稀土永磁合金時，試驗了LaNi5的磁性能，競意外地發(fā)現(xiàn)了 LaNi5有很好的貯氫性能，但深入研究發(fā)現(xiàn)對貯氫合金不適用，因為平衡壓太高，循環(huán)壽命太短，進一步研究和改進發(fā)現(xiàn)，這些缺點都可克服，從而為發(fā)展貯氫電池奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
兩者有相同的工作電壓1．2V，因此這兩種電池有良好的互換性。
鎳氫電池的能量高，為鎳鎘電池的1．8～2倍，鉛酸電池的3倍，有良好的充放電性能，可隨充隨放，快充深放，無記憶效應，特別不含鎘、鉛、汞等有害物質(zhì)，對環(huán)境無污染，被稱為綠色電池。
鎳氫電池與鎳鎘電池類似，多種多樣。有圓柱形和扁平形的小電池，有紐扣式電池，也有方形蓄電池組作為動力電池用，容量為10～20Ah。日本三洋公司生產(chǎn)的 AA型的容量為1100mAh，尺寸為 14．2mm X 50．0mm，質(zhì)量為27克，AAA型的容量為 650mAh，尺寸為10．
鎳氫電池具有較好的低溫放電特性，即使在一
鎳鎘電池與鎳氫電池的充電過程非常相似，都要求恒流充電。兩者的差別主要在快速充電的終止檢測方法上，以防止電池過充電。充電器對電池進行恒流充電，同時檢測電池的電壓和其他參數(shù)。當電池電壓緩慢上升達到一個峰值時，對鎳氫電池快速充電終止，而鎳鎘電池則當電池電壓第一次下降了一個ΔV時終止快速充電。為避免損壞電池，電池溫度過低時不能開始快速充電，電池溫度 Tmin低于
3）鋰離子電池。鋰離子電池是繼鎳氫電池后發(fā)展的新一代的二次電池。鋰位于元素周期表第一族主族第一位上，是金屬中最輕的元素，有最負的標準電位，組成電池能量密度大和電壓高。鋰離子電池負極電位相對鋰電極為正，正極電位為4．OV，該電池的工作電壓高，約3．6V。高電壓是個優(yōu)點，一個鋰離子電池相當于三個鎳氫電池或鎳鎘電池，但這也是個缺點，因為移動電話芯片電壓趨向下降，這將挑戰(zhàn)3．6V 鋰離子電池的應用。鋰離子電池有高的比能量，為鎳氫電池的1．5倍和鉛酸電池的3倍，放電曲線平穩(wěn)，自放電率低，循環(huán)壽命長，與鎳氫電池一樣，無記憶效應和不污染環(huán)境，也為綠色電池。
鋰離子電池采用卷繞式結(jié)構(gòu)，蓋體設(shè)計強化了安全保護功能。對于這種高比能量電池，必須經(jīng)過規(guī)范的安全檢測評估。鎳氫和鎳鎘電池的電解液是水溶液，而鋰離子電池必需用非水性電解液，其電導率低得多，因此電極要大大減薄，有著不同的電極制備工藝，制備又薄又長的正負電極。鋰離子電池同樣有圓柱式、扁平式、紐扣式和動力用電池組。Sony公司的 14500電池容量為 500mAh，尺寸為 14．3mmX 50．
鋰離子電池能夠很好地配合電子產(chǎn)品小型化、袖珍化的發(fā)展方向，移動電話和筆記本電腦要求又薄又輕的二次電池，三洋超薄鋰離子電池僅
鋰離子電池易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴格限制。充電速率通常不超過
2．二次電池性能比較
表1。l為鉛酸、鎳銅、鎳氫、鋰離子電池特性的比較。
20世紀80年代的便攜式電子設(shè)備，如數(shù)字無繩電話、隨身聽和電動剃須刀等，主要由鎳鎘電池供電。到了20世紀90年代后期，鎳氫電池和鋰離子電池逐漸進入市場并得以廣泛應用。因為鎳鎘電池的價格比鎳氫和鋰離子電池便宜，所以鎳鎘電池在低端應用中十分普遍。鎳鎘電池可提供最高的放電電流，適合短時間內(nèi)需要大功率輸出的應用。
鎳鎘電池的缺點是被所謂的記憶效應困擾（現(xiàn)在的鎳鎘電池很少考慮這個因素）， 使電池容量降低。鎳鎘電池在未完全放電的情況下再充電，一些活性物質(zhì)會累積并且開始結(jié)晶（在陽極有100μm的銅累積層）， 但通過化學反應這層物質(zhì)會自行消失（一塊全新電池的陽極大約有l00μm厚度的鎘結(jié)晶）， 出現(xiàn)記憶效應會導致電池容量越來越小，端電壓越來越低，使得電池到達最低可用端電壓（關(guān)斷點）的時間比預期的早很多，如圖1-1所示。鎳鎘電池的另一個缺點是它的活性物質(zhì)中含有有毒的鎘。
鎳氫電池比鎳鎘電池環(huán)保，但是價格高。鎳氫電池的放電電流相比鎳鎘電池略小，但也受惰性效應的影響。惰性效應是比鎳鎘電池記憶效應稍輕的一種現(xiàn)象。惰性效應是由于鎳的結(jié)晶導致的。惰性效應和記憶效應一樣，導致無法完全使用可充電電池的全部容量，但都可以通過使用帶有放電功能的充電器來避免。
鋰離子可充電電池價格最高，但具有高的能量密度，因而可以在給定尺寸下提供更優(yōu)性能，更適合小尺寸、高集成度的便攜式電子設(shè)備。
隨著新材料、新工藝的出現(xiàn)，更為先進耐用的可再充電電池也在不斷出現(xiàn)。國外最新開發(fā)的固態(tài)聚合物（電解質(zhì)）鋰離子電池、鋰金屬電池不僅解決了漏液問題，而且電池的容量更大，體積更小，更為安全可靠，它們必將成為極有潛力的新一代電池產(chǎn)品。
3．鎳氫／鎳鎘電池與鋰離子電池的差異
1）質(zhì)量方面。以每一個單元電池的電壓來看，鎳氫與鎳鎘都是1．2V，而鋰離子電池卻為3．6V，鋰離子電池的電壓是前兩者的3倍。并且同型電池的質(zhì)量鋰離子電池與鎳鎘電池幾乎相等，而鎳氫電池卻比較重。每一種電池本身質(zhì)量不同，但鋰離子電池因3．6V高電壓，在輸出同等電壓的情況下使單個電池組合時數(shù)目可減少 1/3而使成型后的電池質(zhì)量和體積減小。
2）記憶效應。鎳氫電池有惰性效應；鎳鎘電池有記憶效應，因此，定期的放電管理也是必需的。這種定期放電管理屬于模糊狀態(tài)下被動處理，甚至也有些在不正確的情況下進行放電（每次放電或者使用幾次后進行放電都因電池生產(chǎn)廠的不同而有所差異）， 這種繁瑣的放電管理在使用鎳鎘/鎳氫電池時是無法避免的。相對的鋰離子電池因為完全沒有記憶效應，在使用上非常方便簡單，它完全不必考慮二次電池殘余電壓的多少，直接可進行充電，充電時間自然可以縮短。
記憶效應是充電電池的一大天敵，一般認為是長期不正確的充電導致的，它可以使電池早衰。記憶效應可使電池無法有效地充電，出現(xiàn)一充就滿、一用就完的現(xiàn)象。防止電池出現(xiàn)記憶效應的方法是確保電池“充足放光”的原則，也就是說在充電前最好將電池內(nèi)殘余電量放光，充電時要一次充足。通常鎳鎘電池容易出現(xiàn)記憶效應，所以充電時要特別注意，鎳氫電池理論上沒有記憶效應，但最好也遵循“充足放光”的原則，這也就是很多充電器提供放電附加功能的原因。對于由于記憶效應引起容量下降的電池，可以通過一次性充足再一次性放光的方法反復數(shù)次，大部分電池都可以得到修復。
3）自放電率。鎳鎘電池的自放電率為15％～30％（月）， 鎳氫電池的自放電率為25％～35％（月），鋰離子電池的自放電率為2％～5％（月），鎳氫電池的自放電率最大，而鋰離子電池的自放電率最低。
4）充電方式。充電電池的充電方式一直是人們關(guān)心的焦點，正確、良好的充電方法可以確保電池的壽命。充電電池推薦的充電方法多種多樣，不同的充電方法對充電器的電路結(jié)構(gòu)有不同的要求，自然影響到成本。
電池充電時間和充電電流的關(guān)系為電池容量除以充電電流得到充電時間，考慮充電過程中的損耗，所以將計算得到的充電時間應再乘以1．2這個常數(shù)。
對于鎳鎘和鎳氫電池最常用的簡單充電方法是利用10％C恒流充電，又被稱為“慢充”，即按照電流容量數(shù)值的10％確定充電電流，如一節(jié)標稱容量為500mAh的電池，它的建議充電電流為50mA；又如一節(jié)標稱容量為1300mAh的電池，它的建議充電電流為13 0 mA。在此電流下連續(xù)充電12～15 h就可以視為電池充滿。雖然建議使用恒流充電但要求并不嚴格，電流允許有較大的波動，所以按照此方法制作的充電器結(jié)構(gòu)非常簡單，一般只需要一個將220V市電轉(zhuǎn)換成適當?shù)蛪旱淖儔浩?、整流的二極管、限流電阻以及一些發(fā)光二極管等指示裝置構(gòu)成低成本的充電器，市面上絕大部分獨立常規(guī)充電器都采用這種方式，只不過外形不同罷了?！奥洹彪m然比較簡單，但是給電池充一次電需要十多個小時，為此，電池廠商也允許在急需使用時用 3 0％C的電流給電池充電 4～5 h，稱之為“快充”，不過不建議常用，理論上對電池有輕微的損害。所以大部分常規(guī)充電器都有“快充”和“慢充”兩擋，并建議用戶使用“慢充”。
在很多情況下用戶需要對電池快速、有效、安全地充電，快速充電就需要使用較大的電流。電池在大電流充電過程中會出現(xiàn)極化效應，使電池發(fā)熱，而且當大電流充電電池充滿后，如果不及時停止，電池會迅速發(fā)熱，嚴重時可導致電池燒毀和爆炸。所以要求快速充電器具備充滿自停功能，同時也要解決極化效應，使充電高效安全。早期的快速充電器采用簡單的定時充電，不過此類充電器針對性強，充電效果也不令人滿意?，F(xiàn)代的充電器采用專用的充電控制IC，以高頻脈動電流給電池充電以解決極化效應，通過檢測電池一出準確判斷電池是否充滿，并提供溫度保護等保護措施和放電等附加功能。不過這種充電器結(jié)構(gòu)比較復雜，成本也比較高，一般多用于移動電話、對講機等高檔通信設(shè)備及電器。
6．各種電池的優(yōu)缺點
鎳鎘電池最為堅固耐用，每塊鎳鋼電池的電壓為1．2V，多數(shù)應用需要多個電池串聯(lián)或并聯(lián)才能滿足要求。鎳鎘電池應用中的最大問題是它具有記憶效應，這一點嚴重限制了它在高端設(shè)備中的應用。
考慮到回收和環(huán)保問題，鎳鎘電池在其他產(chǎn)品中的應用也較少。與其他電池相比，鎳鎘電池的耗電率、使用壽命都令人非常滿意，而且在極差的溫度條件下也能保持良好的性能。但是，盡管鎳鎘電池比較經(jīng)濟，但它的電量也較低，相同的鎳鎘電池工作時間大約只有鎳氫電池的一半，因此多數(shù)鎳鎘電池都沉重且體積龐大。
鎳氫電池沒有鎳鎘電池那么堅固耐用，在能量密度上也無法與鋰離子電池競爭，但與鎳鎘電池相比它具有更佳的性價比。鎳氫電池的電壓與鎳鎘電池的相同，每塊電池為1．2V。由于主要的電池應用市場如筆記本電腦及移動電話開始轉(zhuǎn)為使用鋰離子電池，鎳氫電池的研發(fā)有所放緩，從理論上說，現(xiàn)有鎳氫電池的電量也快接近其極限。因此，目前的研發(fā)主要是增強其耐用性，以便適用于電動工具和混合電動汽車等其他市場。
從鋰離子電池開始進入市場至今已十幾年，由于日益成熟，鋰離子電池也變得更為堅固耐用，價格也有所下降。單個鋰離子電池的電壓力3．7V，與三節(jié)鎳鎘電池或鎳氫電池一樣。能量密度高和自放電低是鋰離子電池在市場上成功的法寶，目前這種電池還開發(fā)增加了許多新的性能。例如，鋰離子電池廠商正在開發(fā)無需保護電路的產(chǎn)品，以便進一步降低其成本。
1．2．1 鎳鎘電池的結(jié)構(gòu)與特性
1899年，Waldmar Jungner在開口型鎳鎘電池中首先使用了鎳極板，幾乎與此同時，Thomas Edison發(fā)明了用于電動車的鎳鎘電池。但因當時這些堿性蓄電池的極板材料比其他蓄電池的村料貴得多，因此實際應用受到了極大的限制。Jungner的鎳鎘電池經(jīng)過幾次重要改進，性能明顯改善。其中最重要的改進是在1932年，在鎳電池中開始使用了活性物質(zhì)。將活性物質(zhì)放人多孔的鎳極板中，然后再將鎳極板裝人金屬殼內(nèi)。鎳鎘電池發(fā)展史上另一個重要的里程碑是1947年密封型鎳鎘電池研制成功。在這種電池中，化學反應產(chǎn)生的各種氣體不用排出，可以在電池內(nèi)部化合。密封鎳鋼電池的研制成功，使鎳鋼電池的應用范圍大大增加.
1．鎳鎘電池的特性
鎳鎘(NiCd)電池要求恒流充電，充電器對電池進行恒流充電的同時檢測電池的電壓和其他參數(shù)。當電池電壓第一次下降了一個-ΔU時終止快速充電。為避免損壞電池，電池溫度過低時不能開始快速充電，電池溫度 Tmin低于 100C時，應轉(zhuǎn)入涓流充電方式。而電池溫度一旦達到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止充電。密封鎳鎘電池效率高、循環(huán)壽命長、能量密度大、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，并且不需要維護，因此在工業(yè)和消費產(chǎn)品中得到了廣泛的應用。
(1）鎳鋼電池的基本特性。
l）鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，非常經(jīng)濟。
2）鎳鎘電池內(nèi)阻小，可供大電流的放電，放電時電壓的變化很小，作為直流電源是一種質(zhì)量極佳的電池。
3）因為鎳鎘電池采用完全密封式，因此不會有電解液漏出的現(xiàn)象，也完全不需要補充電解液。
4）與其他種類電池相比，鎳鎘電池可耐過充電或過放電，操作簡單方便。
5）鎳鎘電池在長時間的放置下也不會使性能劣化，當充分充完電后即可恢復原來的特性。
6）鎳鎘電池可使用在很廣的溫度范圍內(nèi)。
7）因為鎳鎘電池采用金屬容器，因此具有機械的堅固性。
(2）鎳鎘電池放電特性。
l）鎳鎘電池放電電壓依據(jù)其放電電流多少有些差異，大體上是1．2V左右。
2）當放電達到放電終了的極限電壓稱之為“放電終止電壓”，鎳鎘電池的放電終止電壓為1．0 V／單格。
3）鎳鎘電池使用溫度范圍為一20～
4）鎳鎘電池可為一30～
5）鎳鎘電池在充電狀態(tài)或者是放電狀態(tài)保存都可以，但是比較之下放電狀態(tài)可使容量較早恢復并且較易被激活。
6）當鎳鎘電池在長時間放置后，使用前必須充分地充電后再使用。
2．鎳鎘電池參數(shù)
鎳鎘電池的5個主要參數(shù)為：電池的容量、標稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。電池的容量通常用Ah（安時）表示，1Ah就是能在1A的電流下放電1h。單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定單元電池含有的電荷量，而活性物質(zhì)的含量則由電池使用的材料和體積決定，因此，通常電池體積越大，容量越高。與電池容量相關(guān)的一個參數(shù)是電池的充電電流。電池的充電電流通常用充電速率C表示，C為電池的額定容量。例如，用2A電流對1Ah電池充電，充電速率就是2C；同樣地，用2A電流對500mAh電池充電，充電速率就是 4C。
電池剛出廠時，正負極之間的電勢差稱為電池的標稱電壓。標稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。當環(huán)境溫度、使用時間和工作狀態(tài)變化時，單元電池的輸出電壓略有變化，此外，電池的輸出電壓與電池的剩余電量也有一定的關(guān)系。單元鎳鎘電池的標稱電壓約為1．2V（但一般認為是1．25V）.
電池的內(nèi)阻決定于極板的電阻和離子流的阻抗，在充放電過程中，極板的電阻是不變的，但是離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化。
電池充足電時，極板上的活性物質(zhì)已達到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電, ，電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。鎳鎘電池的充電終止電壓為1．7 5～1．8V。
放電終止電壓是指電池放電時允許的最低電壓。如果電壓低于放電終止電壓后電池繼續(xù)放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成深度放電，這樣極板上形成的生成物在正常充電時就不易再恢復，從而影響電池的壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)。鎳鎘電池的放電終止電壓和放電速率的