化学电源的主要性能指标

化学电源的主要性能指标 1. 电压 包括开路电压、工作电压、额定电压、中点电压、充电电压等。 开路电压 电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。电池的开路电压，会依电池正、负极与电解液的而异，同种材料制造的电池，不管电池的体积有多大，几何结构如何变化，其开路电压都是基本上一样的。 工作电压 电池输出电流时，电池两电极端间的电位差。 终止电压 指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。电池放电电位低于终止电压，就会造成过放电。电池过放电可能会给电池带来灾难性后果，如会使电池内压升高，正负极活性物质的可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量也会有明显衰减。特别是大电流过放，或反复过放电对电池影响更大。放电终止电压与电池类型及放电电流的大小有关。通常根据放电电流来确定放电截止电压，放电电流越大，放电终止电压越低。MH-Ni电池为0.2~2C，放电截止电压一般设定1.0V/支，3C以上如5C或10C放电设定为0.8V/支。表2-1给出了铅蓄电池的放电终止电压与放电电流的关系。 表2-1 铅蓄电池的放电要求 放电电流/A 0.05C 0.1C 0.25C C 3C 2020202020 放电时间 20h 10h 3h 25min 5min 单个电池终止电压/V 1.75 1.70 1.65 1.55 1.50 平均电压 又名中点电压，电池放电容量达到50%的时候的电压。 标称电压(又称额定电压) 规定的电池开路电压的最低值。充电电池外套上标的1.2V是其标称电压(大致相当平均电压或者平台电压，一般对于MH-Ni、Cd-Ni电池，0.2C放电1.2V以上时间占总时80%以上，1C放电1.2V以上时间应占总时60%以上)。 图2-9给出了MH-Ni电池以2.5小时率(0.4C率)放电的放电曲线5 (镉镍电池与之相似)。由图2-9可见，电池开始放电后，其电压从接近1.4V的开路电压迅速下降到1.2V的平台电压，在电结束时曲线出现明显的膝形，电压在此迅速降低。由平台电压的平稳和曲线的对称性可看出，可用中点电压估计整个放电过程中的平均电压。 2. 容量 容量是指电池存储电量的大小，是指以维持一定大小的工作电流 Q,It所给出的电量，或者说，容量是指在一定放电条件下，电池所 能释放出的总电量。电池容量的单位是mA?h(毫安时)，对于大容量电池如铅蓄电池，常用“A?h(安时)”，1A?h=1000mA?h。 理论容量是根据活性物质的质量，按Faraday定律计算得到的;实际容量是在使用条件下，电池实际放出的电量;额定容量是在设计和生产时，规定和保证电池在给定的放电条件下应放出最低限度的电量，一般标明在电池外壳或外包装上。电池的容量也通常用C表示，通常制造厂家在设计电池的容量时以某一特定的放电电流为基准，这一放电电流通常在数字上是设计容量的1/20,1/10,1/8,1/5,1/3，或1等，相应地其容量被称为20h，10h，5h，3h，或1h容量。铅蓄电池的额定容量一般以20h为基准，那么容量为4A?h的电池意味着以1/204A0.2A，,的电流放电至规定的终止电压，时间可持续20h。充电或放电电流(安培)通常表示为额定容量的倍数(称之为C率)。例如额定容量为1A?h的电池，C/10(也称为10小时率放电)放电电流为1A?h/10=100mA。 按照国际电工委员会(IEC)标准和国标，镉镍和镍氢电池在(20?5)?条件下，以0.1C充电16h后以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量，以C表示;锂离子电池在常温、恒流(1C)、恒压(4.2V)条件下充电下充电3h后再以0.2C放电至2.75V时所放出的电量为电池的额定容量。以AA2300mA?h镍氢充电电池为例，表示该电池以230mA(0.1C)充电16h后以460mA(0.2C)放电至1.0V时，总放电时间为5h，所放出的电量为2300mA?h。相应地若以230mA的电流放电，其放电时间约为(一般大于)10h。 由于单个电池的电压和容量都十分有限，经常需要用几个电池组成电池组，电池的组合有3种形式，如图2-10所示，图b与c的区别在于b是通过工厂的点焊(图2-11)实现电池连接的，焊接的导电性与强度优于c的接触导电。在数码相机中，最常见的电池组合方式是串联，即把电池正负极首尾相连，如把4节1.2V、1000mA?h的电池串联，就组成了一个电压是4.8V，容量为1000mA?h的电池组;而在笔记本电脑中，电池一般采用的是混联方式，既有串联也有并联(见图2-12)。 电池组合设计首先要考虑的是单体电池性能的一致性，因此在组合时首先对电池分选，使电池在容量、内阻、充放电电压平台、充放电时温升、自放电率，寿命等方面尽量一致。组合标准中最重要的原 则就是这些性能指标的偏差越小越好，单节电池的主要曲线能重合是最佳的状态。 在手机电池出现的早期，很多厂家生产的单体电池的循环寿命为500次，两只组合则下降到200~300次，3支组合可能就只有50次，因此那种丢了一只，买一种别的品牌的电池代替的方法是不行的。即使是相同品牌，相同容量也不宜。在动力电池使用过程中，任何一只电池质量都会影响整个电池组的性能，使整个电池组损坏，因此对于384V/100A?h的高电压体系要达到这样高地要求，关键是电池的合理组合。 3. 比能量、比功率 即单位质量或单位体积电池输出的电能、功率称做电池的比能量、比功率。比能量也称为能量密度。 一般在相同体积下，锂离子电池的 能量密度是镉镍电池的2.5倍，是镍 氢电池的1.8倍，因此在电池能量相 等的情况下，锂离子电池就会比镉 镍、镍氢电池的体积更小。实际比 能量大约为理论比能量的1/5~1/3， 其原因在于实际电池有一部分不可 用的空间，当然还有一部分可能填 充的空间，减少这部分空间体积， 提高活性物质的填充密度可以提高实际比能量(图2-13)。 例如铅酸蓄电池的反应为 由Faraday定律可知，每产生1A?h的电量要消耗3.866gPb 2+2+(Pb?Pb)，4.663gPbO(PbO?Pb)及3.659gHSO，三者之和约2224为12g，1Kg反应物反映后产生的电量为1000/12=88.33(A?h/Kg),故铅酸蓄电池的理论质量比能量是 W=EQ=2.044×88.33=170.5(W?h/Kg) 4. 寿命 包括充放寿命、使用寿命和储存寿命。其中充放寿命是指二次电池的充放周期次数[图2-14(a)]。循环寿命与充放条件密切相关:a.一般充电电流越大(充电速度越快)，循环寿命越短;b.放电深度(在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比)越深，其充电寿命就越短，有时二者呈指数变化，如图2-14(b)所示，这是由于通常情况下，电池的充放电一般伴随着电极膨胀与收缩，低DOD对电池机械结构的破坏较小，其寿命也长。鉴于不同的循环得到的循环次数截然不同，国标中规定MH-Ni电池的循环寿命测试条件及要求为:a.条件，在25?室温条件下，按照IEC标准，以深充深放方式进行;b.要求，可达到充放500~1000周;按1C充放电快速寿命性能测试，可达到300~600周以上。实际的使用条件千差万别，因此实际中也常用使用寿命来衡量循环寿命。使用寿命是指电池在一定条件下实际使用的时间。因充放电控制深度、精度及使用习惯的影响，同一电池在不同人、不同环境及条件下使用，其寿命差异可能很大。 储存寿命是指电池容量或电池性能不降到额定指标以下的储存时间。影响储存寿命的重要因素是自放电。糊式锌锰干电池、纸板锌锰干电池、碱性电池、锂一次电池的保质期通常是1年、2年、3~7年、5~10年，镉镍、镍氢电池、锂离子电池的保质期是2~5年(如果期间经历充放电，且带电存储，可用10~20年)。 5. 荷电保持能力 自放电(俗称“漏电”)是指电池在储存期间容量降低的现象。荷电保持能力表征电池自放电性能的物理量，它是指电池在一定环境条件下经一定时间存储后所剩余容量为最初容量的多少，用百分数表示(图2-15)。自放电是由电池材料、制造工艺、存储条件等多方面的因素决定的。通常温度越高，自放电率越大。充电电池都有一定程度的自放电。以镍氢电池为例，IEC标准规定电池充满电后，在温度为(20?5)?、湿度为(65?20)%条件下，开路搁置28d，0.2C放电时间不得小于3h(即剩余电量大于60%)。锂离子电池和干电池的自放电要小得多(表2-2)。 表2-2 各种电池的自放电率 电池类型 月自放电 电池类型 月自放电 锌碳 <2% 镍氢 20%~30% 碱锰 约1% 锂离子 9% 镉镍 约20% 6. 安全性能 安全事故难以预测，常见安全事故有爆炸(图2-16)、起火和漏液。一般电池无辐射，对此不必担心。一节5号镍氢电池爆炸的威力一般不大，但是离眼睛或心脏等重要且脆弱的部位太近也会造成较大伤害。例如2007年6月19日中午，甘肃肖某由于手机电池在高温下爆炸，被炸断肋骨刺破心脏而身亡;1997年春，以个东北少年因购买两节伪劣电池，使用时炸瞎了一只眼睛。 导致电池安全事故的原因主要包括电池材料本身(比如混入杂质)、电池制造技术(内压、结构)、与工艺设计(如安全阀失效、锂 离子电池没有保护电路等)和使用不当[如将电池短路(图2-17)或投入火中等]三大类。对于二次电池系统，从电池本身到充电器都设有 一定的安全防护措施，包括充电电流保 护、充电电压保护和温度控制保护等，甚 至是几种保护同时应用。由于电池在充电或放电过程中一般都会有热量生成，因此诸如电动汽车等大电池的热量管理很重要。一般情况下，充电电池在充电末期的内压最高(图2-18)，因此最好等充电结束一段时间后再启用电池。 7. 内阻 电池的内阻是指电流通过电池内部时所受到的阻力(图2-19)。充电电池的内阻很小，需要用专门的仪器才可以测量到比较准确的结果。一般说来，放电态内阻(电池充分放电后的内阻)比充电态内阻(充满电时的内阻)大，并且不大稳定。电池内阻越大，电压降低得越多，电池自身消耗掉得能量也越多，电池的使用效率越低。内阻很大的电池在充放电时发热很厉害，使电池的温度急剧上升。对电池和 充电器的影响都很大。随着电池使用次数的增多，由于电解液的消耗及电池内部化学物质活性的降低，电池的内阻会有不同程度的升高，质量越差的电池上升的越快。当干电池用旧了或二次电池经过多次充放电后或者电池有内部断路，尽管电压仍比较高，但是不能使负载工作，当在接入负载工作时电压会明显下降，短路电流下降更多甚至为0，这是由于电池内阻大大增加了，这时测得的电压就是平时所说的“虚电”。 8. 高倍率放电性能 即大电流放电能力(图2-20)。数码相机、电动工具、电动玩具、电动自行车与电动汽车等用电器具尤其需要大电流放电性能优秀的电池。