一、电池分类
目前熟知的电池种类分别有铅酸电池(LeadAcid)、电池(Ni-Cd)、氢电池(Ni-MH)及锂离子电池(Li-ion)等。
然而不论为何种电池,其反应原理均是使用电化学反应来达到能量的储存与释放。一般来说,电池的种类可分为下列两种,如图2:
二、常用之二次电池种类介绍
(一)铅电池
铅酸电池为发展最早、生产最为成熟而且已达到量产阶段,因此制造成本相对较低,且其具有瞬间放电强、使用温度范围广的特点。
然而,铅酸电池在于能量密度、体积、重量和循环寿命等性能表现不佳,同时也存在环保的问题。目前铅酸电池主要应用在汽机车及工业设备的电系统。
(二)镍钴电池
镍电池其能量密度与寿命均较铅酸电池高且可达到大电流放电与耐过充电/过放电,但因为本身具有充电记忆效应,无法达到快速充电的目标,
而且钴的毒性非常强,会对环境造成污染,目前已为许多国家所禁用。
(三)锦氢电池
镍氢电池本身不含对人体有害的金属如铅、钴等,其放电回次数多,放电深度与使用寿命佳,但仍有记忆效应的缺点,且充电速率较慢。
(四)锂离子电池
锂离子电池早期发展主要探用锂金属做为电极材料,由于锂金属活性高与其本身特性,使电池在充电过程无法完全回复到原来的结构状态,有部分锂金属会沉积在电极表面形成突刺状结构(Dendrite),
进而穿透隔离膜(Separator)形成内部短路,容易使电池发生燃烧或爆炸等危险。目前为了提高锂电池的安全性,通常使用锂钴氧化物/碳做为正负极材料,因此锂离子电池可分为许多种类,
主要分别在于所使用的正极材料不同,包含这包括有锂钻(LiCoO)电池、锂(LiNiCoO)电池、锂(LiNiO)电池、锂锰(LiMO)电池、磷酸锂铁(LiFePO电池等。
1.锂录电池
锂锦电池的成本较低而且能储存的电容量较高,但对于材料性能的一致性和再现性差,造成其制作过程困难,最严重的是依然有污染及安全性的问题。
2.锂镍钴电池
锂镍钴电池是锂镍电池和锂钴电池的固溶体(综合体),具锂镍和锂钴的优点,一度被产业界认为是最有可能取代锂钴电池的新正极材料,但是,锂钻的循环寿命差、安全性不佳,
需要有安全路的设计,若设计不良,容易因为使用或充电时间过长造成过热现象,甚至爆炸起火,再加上钻的价格高昂,成本居高不下,以致无法广泛应用。
3.锂锰电池
锂锰电池的成本低且安全性比锂好很多,但循环寿命欠佳,且在高温环境下有时甚至会出现锰离子溶出的现象,或造成自放电严重,导致储能特性差。
4.磷酸锂铁电池
磷酸锂铁电池(LiFePO本身原料价格低而且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富,没有供料问题,同时磷酸锂铁的结构稳定,并且兼具环保及安全性,使用时也不会有燃烧爆炸危险,
相较于不稳定的锂钻电池,相当具有发展优势。各类电池产品特性比较,可参考表1.。
目前熟知的电池种类分别有铅酸电池(LeadAcid)、电池(Ni-Cd)、氢电池(Ni-MH)及锂离子电池(Li-ion)等。
然而不论为何种电池,其反应原理均是使用电化学反应来达到能量的储存与释放。一般来说,电池的种类可分为下列两种,如图2:
1.一次电池(一次性电池)
是指是无法经由充电回复容量,一旦耗尽容量就要丢弃,但因为只能次使用,而且在原料及制程上使用到具有对环境污染以及人体都有相当大危险性的汞。
如一般常见的干电池(碳锌)、碱性电池、以及水银电池(汞电池)等。
2.二次电池(可重复使用)
指的是可借由充电程式回复蓄电量,多次的循环使用,但是仍旧有一定的使用次数限制,这一类的电池有铅酸电池、镍电池、镍氢电池、锂离子电池等
二、常用之二次电池种类介绍
(一)铅电池
铅酸电池为发展最早、生产最为成熟而且已达到量产阶段,因此制造成本相对较低,且其具有瞬间放电强、使用温度范围广的特点。
然而,铅酸电池在于能量密度、体积、重量和循环寿命等性能表现不佳,同时也存在环保的问题。目前铅酸电池主要应用在汽机车及工业设备的电系统。
(二)镍钴电池
镍电池其能量密度与寿命均较铅酸电池高且可达到大电流放电与耐过充电/过放电,但因为本身具有充电记忆效应,无法达到快速充电的目标,
而且钴的毒性非常强,会对环境造成污染,目前已为许多国家所禁用。
(三)锦氢电池
镍氢电池本身不含对人体有害的金属如铅、钴等,其放电回次数多,放电深度与使用寿命佳,但仍有记忆效应的缺点,且充电速率较慢。
(四)锂离子电池
锂离子电池早期发展主要探用锂金属做为电极材料,由于锂金属活性高与其本身特性,使电池在充电过程无法完全回复到原来的结构状态,有部分锂金属会沉积在电极表面形成突刺状结构(Dendrite),
进而穿透隔离膜(Separator)形成内部短路,容易使电池发生燃烧或爆炸等危险。目前为了提高锂电池的安全性,通常使用锂钴氧化物/碳做为正负极材料,因此锂离子电池可分为许多种类,
主要分别在于所使用的正极材料不同,包含这包括有锂钻(LiCoO)电池、锂(LiNiCoO)电池、锂(LiNiO)电池、锂锰(LiMO)电池、磷酸锂铁(LiFePO电池等。
1.锂录电池
锂锦电池的成本较低而且能储存的电容量较高,但对于材料性能的一致性和再现性差,造成其制作过程困难,最严重的是依然有污染及安全性的问题。
2.锂镍钴电池
锂镍钴电池是锂镍电池和锂钴电池的固溶体(综合体),具锂镍和锂钴的优点,一度被产业界认为是最有可能取代锂钴电池的新正极材料,但是,锂钻的循环寿命差、安全性不佳,
需要有安全路的设计,若设计不良,容易因为使用或充电时间过长造成过热现象,甚至爆炸起火,再加上钻的价格高昂,成本居高不下,以致无法广泛应用。
3.锂锰电池
锂锰电池的成本低且安全性比锂好很多,但循环寿命欠佳,且在高温环境下有时甚至会出现锰离子溶出的现象,或造成自放电严重,导致储能特性差。
4.磷酸锂铁电池
磷酸锂铁电池(LiFePO本身原料价格低而且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富,没有供料问题,同时磷酸锂铁的结构稳定,并且兼具环保及安全性,使用时也不会有燃烧爆炸危险,
相较于不稳定的锂钻电池,相当具有发展优势。各类电池产品特性比较,可参考表1.。
三、电池充电方法
电池充电方法的好坏直接影响到电池的寿命,尤其过度充电是造成电池损坏的最大原因,下列介绍目前常用充电方法:
(一)定电压充电法
定电压充电法电路简单、成本低,是最普遍的充电方式,不过在电池完全充满后,必须把电压移除,或是以浮充(Float Charging)模式电压补充电量以免电池损坏,如图4。
定电压充电法优点在充电时电池温度不会剧烈上升,且在高充电状态时不会有高电压现象,缺点在充电时间难以估计而且充电初期时充电电流大。
(二)定电流充电法
定电流充电法是由使用者根据充电时间和电容量设定定电流值,但因为定电流充电法没有考意电池原本的电量状态,所以效率不高,此充电法优点在充电初期电流不会过大,
充电时间容易估计,缺点在高充电状态时容易有高电压现象、电池温度会急剧上升。
(三)定电流-定电压充电法(CC-CV)
结合定电流与定电压充电法两种充电法之优点,即为定电流-定电压充电法(CC-CV)此方法具有定电流充电法可快速充电的的优点,也有定电压充电法的可自我调节电流的功能。
因此不会增加造成电池永久损坏的机会,如图6。电瓶一开始充电时,先采用定电流模式,因为电池在电量较少时对电流的接受度比较高,故可以将大部分放掉的电量快速地补回。
而定电流充电模式会将电池电压充电到达峰值后,再切换至定电压充电之模式。
(四)脉冲充电法
脉冲充电法为使用周期性的脉冲电流对电池充电,可在充电过程中提供电池休息时间以缓和电化学反应,并且可以适当的调节脉冲电流大小,达到快速充电的目的。
其电流波形如图7所示,重点在于使用脉冲充电法时需要注意到脉冲电流值、脉冲周期与充电责任周期之参数设定。
四、电池安全
保护电池在使用上需要有侦测保护电路形成电池模组,避免电池在充放电或不当使用下造成危险发生,目前在电池设计上均会考量下列保护措施:
1.过充保护:
避免电池被过度充电时产生危险性,所以当电池满电后,还继续被充电时,保护电路就会切断充电。
2.短路保护:
避免因为短路造成危险性,保护电路上在侦测到短路现象时,立刻切断与电池的路,保护电池不受外部短路的影响。
3.过放保护:
电池处在过低电压状态时,会因为过度放电造成电池蓄电能力的伤害,甚至无法再度使用,所以在电池电压过低时,保护电路会切断放电回路,使电池不再被放电。
4.过温保护:
当电池在充放电时电池本身温度会随之变化,因此需对电池作温度监测并在必要时停止充放电使系统进行过温保护控制,以防止损害电池。
参考来源