第五節　電池及其應用

一、電池的種類

（1）化學電池

化學電池，是指通過電化學反應，把正極、負極活性物質的化學能，轉化為電能的一類裝置。經過長期的研究、發展，化學電池迎來了品種繁多，應用廣泛的局面。大到一座建筑方能容納得下的巨大裝置，小到以毫米計的品種。無時無刻不在為我們的美好生活服務。現代電子技術的發展，對化學電池提出了很高的要求。每一次化學電池技術的突破，都帶來了電子設備革命性的發展。現代社會的人們，每天的日常生活中，越來越離不開化學電池了。現在世界上很多電化學科學家，把興趣集中在作為電動汽車動力的化學電池領域。

（2）干電池和液體電池

干電池和液體電池的區分僅限于早期電池發展的那段時期。最早的電池由裝滿電解液的玻璃容器和兩個電極組成。后來推出了以糊狀電解液為基礎的電池，也稱作干電池。

現在仍然有“液體”電池。一般是體積非常龐大的品種。如那些作為不間斷電源的大型固定型鉛酸蓄電池或與太陽能電池配套使用的鉛酸蓄電池。對于移動設備，有些使用的是全密封，免維護的鉛酸蓄電池，這類電池已經成功使用了許多年，其中的電解液硫酸是由硅凝膠固定或被玻璃纖維隔板吸附的。

（3）一次性電池和可充電電池

一次性電池俗稱“用完即棄”電池，因為它們的電量耗盡后，無法再充電使用，只能丟棄。常見的一次性電池包括堿錳電池、鋅錳電池、鋰電池、銀鋅電池、鋅空電池、鋅汞電池和鎂錳電池。

可充電電池按制作材料和工藝上的不同，常見的有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳鐵電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其優點是循環壽命長，它們可全充放電200多次，有些可充電電池的負荷力要比大部分一次性電池高。普通鎳鎘、鎳氫電池使用中，特有的記憶效應，造成使用上的不便，常常引起提前失效。

（4）燃料電池

燃料電池是一種將燃料的化學能透過電化學反應直接轉化成電能的裝置。

這里重點介紹鋰電池的工作原理及應用。

二、鋰電池充電電路原理及應用

鋰離子電池以其優良的特性，被廣泛應用于手機、攝錄像機、便攜式電腦、無繩電話、電動工具、遙控或電動玩具、照相機等便攜式電子設備中。

（1）鋰電池與鎳鎘、鎳氫可充電池

鋰離子電池的負極為石墨晶體，正極通常為二氧化鋰。充電時鋰離子由正極向負極運動而嵌入石墨層中。放電時，鋰離子從石墨晶體內負極表面脫離移向正極。所以，在該電池充放電過程中鋰總是以鋰離子形態出現，而不是以金屬鋰的形態出現。因而這種電池叫作鋰離子電池，簡稱鋰電池。

鋰電池具有體積小、容量大、重量輕、無污染、單節電壓高、自放電率低、電池循環次數多等優點，但價格較貴。鎳鎘電池因容量低，自放電嚴重，且對環境有污染，正逐步被淘汰。鎳氫電池具有較高的性能價格比，且不污染環境，但單體電壓只有1.2V，因而在使用范圍上受到限制。

（2）鋰電池的特點

①具有更高的重量能量比、體積能量比。

②電壓高，單節鋰電池電壓為3.6V，等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓。

③自放電小，可長時間存放，這是該電池具有的最突出的優越性。

④無記憶效應。鋰電池不存在鎳鎘電池的所謂記憶效應，所以鋰電池充電前無需放電。

⑤壽命長。正常工作條件下，鋰電池充/放電循環次數遠大于500次。

⑥可以快速充電。鋰電池通常可以采用0.5～1倍容量的電流充電，使充電時間縮短至1～2h。

⑦可以隨意并聯使用。

⑧由于電池中不含鎘、鉛、汞等重金屬元素，對環境無污染，是當代最先進的綠色電池。

⑨成本高。與其他可充電池相比，鋰電池價格較貴。

（3）鋰電池的內部結構

鋰電池通常有兩種外形：圓柱形和長方形。

電池內部采用螺旋繞制結構，用一種非常精細而滲透性很強的聚乙烯薄膜隔離材料在正、負極間間隔而成。正極包括由鋰和二氧化鈷組成的鋰離子收集極及由鋁薄膜組成的電流收集極。負極由片狀碳材料組成的鋰離子收集極和銅薄膜組成的電流收集極組成。電池內充有有機電解質溶液。另外，還裝有安全閥和PTC元件，以便電池在不正常狀態及輸出短路時保護電池不受損壞。

單節鋰電池的電壓為3.6V，容量也不可能無限大，因此，常常將單節鋰電池進行串、并聯處理，以滿足不同場合的要求。

（4）鋰電池的充放電要求

①鋰電池的充電：根據鋰電池的結構特性，最高充電終止電壓應為4.2V，不能過充，否則，會因正極的鋰離子拿走太多，而使電池報廢。其充放電要求較高，可采用專用的恒流、恒壓充電器進行充電。通常恒流充電至每節4.2V后轉入恒壓充電，當恒壓充電電流降至100mA以內時，應停止充電。

充電電流（mA）=0.1～1.5倍電池容量（如1350mA·h的電池，其充電電流可控制在135～2025mA）。常規充電電流可選擇在0.5倍電池容量左右，充電時間為2～3h。

②鋰電池的放電：因鋰電池的內部結構所致，放電時鋰離子不能全部移向正極，必須保留一部分鋰離子在負極，以保證在下次充電時鋰離子能夠暢通地嵌入通道。否則，電池壽命就相應縮短。為了保證石墨層中放電后留有部分鋰離子，就要嚴格限制放電終止最低電壓，也就是說鋰電池不能過放電。放電終止電壓通常為3.0V/節，最低每節不能低于2.5V。電池放電時間長短與電池容量、放電電流大小有關。電池放電時間（小時）=電池容量/放電電流。鋰電池放電電流（mA）不應超過電池容量的3倍。（如1000mA·h電池，則放電電流應嚴格控制在3A以內）否則，會使電池損壞。

目前，市場上所售鋰電池組內部均封有配套的充放電保護板。只要控制好外部的充放電電流即可。

（5）鋰電池的保護電路

兩節鋰電池的充放電保護電路如圖1-8所示。由兩個場效應管和專用保護集成塊S-8232組成，過充電控制管FET2和過放電控制管FET1串聯于電路，由保護IC監視電池電壓并進行控制，當電池電壓上升至4.2V時，過充電保護管FET1截止，停止充電。為防止誤動作，一般在外電路加有延時電容。當電池處于放電狀態下，電池電壓降至2.55V時，過放電控制管FET1截止，停止向負載供電。過電流保護是在當負載上有較大電流流過時，控制FET1使其截止，停止向負載放電，目的是為了保護電池和場效應管。過電流檢測是利用場效應管的導通電阻作為檢測電阻，監視它的電壓降，當電壓降超過設定值時就停止放電。在電路中一般還加有延時電路，以區分浪涌電流和短路電流。該電路功能完善，性能可靠，但專業性強，且專用集成塊不易購買，業余愛好者不宜仿制。

（6）簡易充電電路

現在有不少商家出售不帶充電板的單節鋰電池，性能優越，價格低廉，可用于自制產品及鋰電池組的維修代換，因而深受廣大電子愛好者喜愛。有興趣的讀者可參照圖1-9制作一塊充電板。其原理是采用恒定電壓給電池充電，確保不會過充。輸入直流電壓高于所充電池電壓3V即可。R1、Q1、W1、TL431組成精密可調穩壓電路，Q2、W2、R2構成可調恒流電路，Q3、R3、R4、R5、LED為充電指示電路。隨著被充電池電壓的上升，充電電流將逐漸減小，待電池充滿后R4上的壓降將降低，從而使Q3截止，LED將熄滅，為保證電池能夠充足，請在指示燈熄滅后繼續充1～2h。使用時請給Q2、Q3裝上合適的散熱器。本電路的優點是制作簡單，元器件易購，充電安全，顯示直觀，并且不會損壞電池，通過改變W1可以對多節串聯鋰電池充電，改變W2可以對充電電流進行大范圍調節。缺點是無過放電控制電路。

（7）單節鋰電池的應用舉例

①作電池組維修代換品。有許多電池組：如便攜式電腦上用的那種，經維修發現，此電池組損壞時僅是個別電池有問題。可以選用合適的單節鋰電池進行更換。

②制作高亮微型電筒。筆者曾用單節3.6V/1.6AH鋰電池配合一個白色超高亮度發光管做成一只微型電筒，使用方便，小巧美觀。而且由于電池容量大，平均每晚使用半小時，至今已用兩個多月仍無需充電。電路如圖1-10所示。

③代替3V電源。由于單節鋰電池電壓為3.6V。因此僅需一節鋰電池便可代替兩節普通電池，給收音機、隨身聽、照相機等小家電產品供電，不僅重量輕，而且連續使用時間長。

（8）鋰電池的保存

鋰電池需充足電后保存。在20℃下可儲存半年以上，可見鋰電池適宜在低溫下保存。曾有人建議將充電電池放入冰箱冷藏室內保存，的確是個好主意。

（9）使用注意事項

鋰電池絕對不可解體、鉆孔、穿刺、鋸割、加壓、加熱，否則有可能造成嚴重后果。沒有充電保護板的鋰電池不可短路，不可供小孩玩耍。不能靠近易燃物品、化學物品。報廢的鋰電池要妥善處理。