电子元器件基础 贵州电子信息职业技术学院 谢忠福

项目12 电 池 (建议学时：6学时) 本项目将介绍有关电池的基本常识，常用干电池的原理、参数、特性及应用，充电电池的原理、参数、特性及应用，小型密封免维护铅蓄电池的原理、参数、特性，新型环保电池的特性及应用。 能力目标 了解电池基本知识 理解干电池的型号命名和标识 掌握干电池的使用 掌握各类充电电池的种类、特性及应用 了解小型密封式免维护铅蓄电池的结构及使用 了解太阳能电池的原理和分类 了解氢燃料电池的特性及应用 任务12-1 干电池 任务描述 本任务主要学习电池使用的注意事项，干电池的型号命名和标识，干电池的使用等基本知识。

12.1.1 概述 电池是一种能量转化与储存的装置，它主要通过化学反应将化学能转化为电能。电池是一种化学电源，它通常由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供电能。电池的主要组成部分有：正极片、负极片、电解质、隔膜纸、盖帽、外壳、绝缘层。电池可以分为一次电池与二次电池。一次电池只能放电一次，二次电池(也叫可充电电池)可以反复充放电循环使用。

电池使用的注意事项： 1、电器和电池接触件应保持清洁，按正负极标示正确装入。极性装反，有可能会发生泄漏，严重时还会发生爆炸。 2、新旧电池不要混用，不同型号的电池不要混用，否则可能发生漏液。 3、电器长期不用时应将电池及时取出，使用后应关闭电源，以免电池继续放电使其内部发生不良的化学反应而导致泄漏。 4、不能将电池短路，以免电池产生泄漏或产生的热量损坏绝缘外包装。 5、不要拆卸电池，不要加热电池。 6、电池的存放温度不宜太高。 7、废电池不要随意丢弃，尽可能与其它垃圾分开投放，以便于分类回收。 12.1.2 干电池 干电池属于化学电源中的原电池，是一种一次性电池。由于它的电解质是一种不能流动的糊状物，所以叫做干电池，这是相对于具有可流动的液态电解质的电池说的。

例如：R6P表示第三代氯化锌圆柱型5号电池。 12.2.1 干电池的型号命名和标识 常见的干电池的型号命名可参见表12.2.1。 例如：R6P表示第三代氯化锌圆柱型5号电池。    电池上比较常见的标识还有AA表示5号电池，一般尺寸为：直径14mm，高度49mm；AAA表示7号电池，一般尺寸为：直径11mm，高度44mm。 表12.2.1 常见的干电池型号命名表 字母 含义 数字 R 圆柱型电池 3 7号电池 S 第一代普通糊式电池 6 5号电池 C 第二代高容量纸胶式电池 14 2号电池 P 第三代氯化锌电池 20 1号电池 L 第四代碱性锌锰电池 PL 第四代碱性氯化锌锌锰电池

12.1.3 干电池的使用 除了在概述中我们提到的7点使用电池的注意事项外，还应注意：普通干电池最好不要长时间连续使用，间断地使用可以延长电池使用时间和寿命。干电池的标称电压通常为1.5伏，当电池电压下降到1.2伏以下时一般就不能用了。 任务12-2 充电电池 任务描述 本任务主要学习充电电池的基本知识，镍镉电池特性及应用，锂离子电池的特性及应用，镍氢电池的特性及应用等内容。 12.2.1 充电电池 充电电池属于我们上面提到的二次电池，由于在充电电池的内部能发生可逆的化学反应，所以它可以反复充放电。常用的充电电池有镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。 在所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，为了能有效充电，环境温度范围应在5-30℃之间，在此温度范围内，一般充电效率会随温度的升高而升高。 充电电池被过度充电或过度放电都可能造成电池鼓底凸肚甚至漏液。

充电电池在使用时有一种特殊的记忆效应，主要发生在镍镉电池上，由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上，在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。 要消除这种效应，有两种方法，一种是采用小电流深度放电（例如用0.1A放电至0V）;另一种是采用大电流（如1A）反复充放电几次。所以在每次使用电池时应将充电电池内的电能用完以后再充电，以避免出现记忆效应。

12.2.2 镍镉电池 镍镉电池 （Ni—Cd）是采用氢氧化镍作正极活性物质，金属镉作负极活性物质的碱性蓄电池。正、负极材料分别填充在穿孔的附镍钢带中制成极板；用聚酰胺非织布等材料作隔离层；用氢氧化钾水溶液作电解质溶液；电极经卷绕或叠合组装在塑料或镀镍钢壳内。 镍镉电池有圆柱密封式（KR）、扣式（KB）、方形密封式（KC）等多种类型。 镍镉电池的标称电压为1.2V，终止放电电压为1 V。它具有使用温度范围宽、循环和贮存寿命长、耐过充电、能以较大电流放电等优点。它可以重复充放电500余次，但约10次充放电后就容易产生记忆效应。而且镍镉电池的容量较小，每月的自放电率高，不利于储存。由于废弃镍镉电池中含有毒的重金属镉元素，会对环境产生污染，所以该系列的电池将逐渐被性能更好的镍氢电池所取代。

12.2.3 镍氢电池 镍氢电池 （Ni—MH）是采用氢氧化镍作正极活性物质，贮氢合金作负极活性物质，氢氧化钾水溶液作电解液。与镍镉电池相比，镍氢电池中不含有毒的重金属镉元素，不会对环境产生污染，所以它是一种绿色环保型电池。 由于镍氢电池中含有氢元素，所以与镍镉电池相比，镍氢电池的重量更轻，容量更大。一般可重复充放电500～1000次，使用寿命比镍镉电池更长，且记忆效应小。它的标称电压也是1.2V，与镍镉电池相同，但它的总体性能比不上锂电池，属于中档电池。镍氢电池的自放电率比镍镉电池还高，不利于储存，通常价格比镍镉电池贵，且它不耐过充电，所以它的充电器必须有充电保护功能，否则容易损坏电池，所以镍氢电池的充电器和镍镉电池的充电器不能混合使用。

某充电电池和充电器的实物图如图12.3.1所示。 电池充电器 充电电池 图12.3.1 某充电电池和充电器的实物图

12.2.4 锂电池 1．锂电池的发展历史 锂电池 （Li—Ion）是目前最好的充电电池之一，实际上现在说的锂电池通常指的是锂离子电池。锂离子电池是锂电池发展而来的，锂电池很早以前就有了，最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生。锂电池的正极材料是二氧化锰，负极是锂。 2．锂离子电池的分类 根据锂离子电池所用电解质材料的不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(LIP)两大类。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子电池都是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同， 液态锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则用固体聚合物电解质, 这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池又可分为三类：

（1）固体聚合物电解质锂离子电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，所以适合于高温条件下使用。 （2）凝胶聚合物电解质锂离子电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。 （3）聚合物正极材料的锂离子电池。采用导电聚合物作为正极材料，其能量密度是现有锂离子电池的3倍，是最新一代的锂离子电池。

3．锂离子电池的特性 锂离子电池具有以下优点：单体锂离子电池的工作电压高达3.6—3.8V，达到镍镉、镍氢电池的3倍以上。它的能量密度大，体积小，重量轻，安全性能好，无公害，无记忆效应，使用温度范围宽。锂电池适宜在低温下保存，它每月的自放电小，便于储存，循环寿命长,一般可达到500次以上，甚至1000次。 锂离子电池也存在着一定的缺点，如：电池成本较高，价格比较昂贵。锂离子电池不耐过充电和过放电，需要保护线路控制。且它不能大电流放电，由于有机电解质体系等原因，锂电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5A以下，只适合于中小电流的电器使用。

任务12-3 小型密封式免维护铅蓄电池 任务描述 本任务主要学习小型密封式免维护铅蓄电池的结构，小型密封式免维护铅蓄电池的使用等内容。 12.3.1 小型密封式免维护铅蓄电池 小型密封式免维护铅蓄电池是一种将电能和化学能互相转化的装置，蓄电池需要先用直流电源对其进行充电，将电能转化为化学能储存起来，然后在使用时再进行放电。 12.3.2 小型密封式免维护铅蓄电池的结构 小型密封式免维护铅蓄电池是由单个的“原电池”（又称单格）串联组成的，每个原电池的标称电压都是2V，终止放电电压是1.75 V。例如一个12V的小型密封式免维护铅蓄电池由6个原电池串联组成。原电池阳极的活性物质是二氧化铅，阴极的活性物质是铅，电解液是稀硫酸。小型密封式免维护铅蓄电池通常由负极板、隔板、电解液、正极板、电池槽、槽盖、安全阀、引出端子等部分组成。

某小型密封式免维护铅蓄电池的实物图如图12.3.1所示。 图12.3.1 小型密封式免维护铅蓄电池的实物图 图中，参数12V为该蓄电池的标称电压，7AH为其标称容量。

小型密封式免维护铅蓄电池，具有敞口式铅酸蓄电池所有的优点，所谓免维护，是相对敞口式电池需要经常加水而言的。整个小型密封式免维护铅蓄电池是全封闭的，因此免维护电池没有“有害气体”溢出，不需要进行加水等日常的运行维护。 12.3.3 小型密封式免维护铅蓄电池的使用 小型密封式免维护铅蓄电池的标称容量通常用20小时率容量表示。例如：某个小型密封式免维护铅蓄电池外壳上标有12V6.0Ah，即该蓄电池由6个标称电压为2 V的原电池串联组成，它能以0.3A（6.0Ah÷20h = 0.3A）的电流持续放电20小时。

小型密封式免维护铅蓄电池的耐过放能力较差，因此，最好不要等蓄电池内的电能用完再充电，与镍镉、镍氢电池相反，小型密封式免维护铅蓄电池需要经常充电。与干电池相似，间断性地使用有利于延长小型密封式免维护铅蓄电池的使用寿命，使用后应尽快用恒定电压、大电流输出的电源对蓄电池进行充电。一般小型密封式免维护铅蓄电池的循环使用寿命可达300次以上。但如果使用不当，例如过放、充电不及时等容易造成蓄电池容量严重减小，影响蓄电池的正常使用，这种现象称为早衰。早衰电池的激活方法主要有外部激活法和反充激活法两种。 外部激活法是用输出电压可调的稳压电源对早衰电池充电，将稳压电源的输出电压慢慢调高，用电流表监测充电电流，如果充电电流也跟着慢慢变大，说明激活有效，这时先让蓄电池在0.1倍率容量电流下充电一刻钟左右，再将电压调到正常值继续充电，直至充满。

如果外部激活法激活无效，可以用反充激活法进行激活。将稳压电源与早衰电池反接，即用稳压电源的正极碰蓄电池的负极，稳压电源的负极碰蓄电池的正极，注意只能快速地碰几下，不能长时间反充，如果反充激活中监测到非常大的充电电流说明激活有效，这时可用外部激活法继续充电，直至充满。 如果用上述两种方法都无法激活，那就只能对早衰电池进行更换电解液。 有些小型密封式免维护铅蓄电池的正极用红色标识，负极用黑色标识，使用时注意不要接反。 由于小型密封式免维护铅蓄电池中含有重金属元素铅，容易对环境造成污染，所以铅蓄电池报废后不要乱扔，要分类投放，以便于有关机构分类回收。

任务12-4 新型电池 任务描述 本任务主要学习太阳能电池的结构及原理，太阳能电池的分类,太阳能电池的特性,氢燃料电池的特点及发展前景等。 12.4.1 太阳能电池 1．太阳能电池的原理 光电池是一种具有光电效应的电池，即在光的照射下产生电动势的半导体元件。 2．太阳能电池的分类 太阳能电池根据所用材料的不同还可分为硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池和纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 3．太阳能电池的特性 太阳能电池的优点是没有污染，缺点是目前造价较高，一次性投入成本高，但它后期的维护花费很小。

12.4.2 氢燃料电池 氢燃料电池发电的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阴极和阳极，氢通过阴极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阳极。氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。 氢燃料电池与普通电池的区别主要在于：干电池、蓄电池是一种储能装置，是把电能贮存起来，需要时再释放出来；而氢燃料电池严格地说是一种发电装置，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。氢燃料电池的能量转换率高，而且污染少、噪音小，装置可大可小，非常灵活。

第十二章完