电池基本知识

电池基本知识（一）
电池基本知识（一）——原理、常用术语、IEC
一、电池原理
1、什么是电池？
电池即一种化学电源，一种直接把化学能转变成电能的装置。它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媒体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。
2、电池的分类
A．按工作性质分类：
（1）原电池：又称一次电池，指电池放电后不能再次充电而继续使用的电池。如果原电池中电解质不流动，则称为干电池。
如：锌-锰干电池、锌-汞电池、 锂电池。
（2）蓄电池：又称二次电池，指电池放电后可再次充电而继续使用的电池。
如：铅酸电池、镉-镍电池、氢-镍电池、锂离子电池
（3）贮备电池：又称“激活电池”，此类电池在不工作时处于惰性状态，能长期贮存，当需要工作时，经过激活使之进入放电状态的电池。（使用前临时注入电解液或用其它方法使电池激活。
如：镁-银电池 铅-高氯酸电池
（4）燃料电池：该类电池又称“连续电池”，即将活性物质连续注入电池，使其连续放电的电池。
如：氢-氧燃料电池； 肼-空气燃料电池
B．按电解质性质分类：
按电解质性质可分为酸性电池（铅酸电池）、碱性电池（氢镍电池）、中性电池、有机电解质电池（锂离子电池，如Li-MnO2)、非水无机电解质电池(Li-SOCL2锂-亚硫酰氯)和固体电解质电池。
C．按活性物质的保存方式分类：
按活性物质的保存方式可以分为：活性物质保存在电极上面，其中有一次电池和二次电池两种；活性物质保存在电池之外，使用时通入电极，这类有非再生型燃料电池和再生型电池。
此外也有人根据电池的特性把电池分成高容量电池、密封电池、免维护电池、防爆电池等。
3、一次电池与二次电池的有哪些异同点？
一次电池只能放电一次，二次电池可反复充放电循环使用，可充电电池在放电时电极体积和结构之间发生可逆变化，因此设计时必须调节这些变化，而一次电池内部则简单得多，因为它不需要调节这些可逆性变化，一次电池的质量比容量和体积比容量均大于一般充电电池，但内阻（0.2-0.5Ω）远比二次电池大，因此负载能力较低，另外，一次电池的自放电远小于二次电池。
4\镍镉电池的电化学原理是什么？
镍镉电池采用Ni(OH)2作为正极，CdO作为负极，碱液（主要为KOH）作为电解液。
镍镉电池充电时，正极发生如下反应 Ni(OH)2 –e + OH- → NiOOH + H2O 负极发生的反应： Cd(OH)2 + 2e → Cd + 2OH- 总反应为：2Ni(OH)2 + Cd(OH)2→ 2NiOOH+ Cd+ 2H2O
放电时，反应逆向进行NiOOH + H2O + e→ Ni(OH)2 + OH- Cd + 2OH- + 2e→ Cd(OH)2 充电时，随着NiOOH浓度的增大，Ni(OH)2浓度的减小，正极的电势逐渐上升，而随着Cd的增多，Cd(OH)2的减小，负极的电势逐渐降低，当电池充满电时，正极、负极电位均达到一个平衡值，二者电势之差即为电池之充电电压。
5、镍氢电池的电化学原理是什么？
镍氢电池采用与镍镉电池相同的Ni氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱液（主要为KOH）作为电解液，镍氢电池充电时，正极发生反应如下： Ni(OH)2 –e + OH- → NiOOH + H2O 负极反应：MHn + ne → M + n/2H2 放电时，正极：NiOOH + H2O + e → Ni(OH)2 + OH- 负极：M + n/2H2 → MHn + ne  
6、电池的主要结构组成是什么？
电池的主要组成部分为：正极片、负极片、隔膜纸、盖帽、外壳、绝缘层。
二、 常用术语
1、标称容量（又称额定容量）
在一定放电条件下，规定电池应该给出的最低限度的电量。
IEC标准规定：镍镉和镍氢电池在20±5℃环境下，以0.1C充电16小时后，以0.2C放电至1.0V时所放出的电量为电池的额定容量，以C5表示；而对于锂离子电池，则规定在常温，恒流(1C)恒压(4.2V)控制的充电条件下，充电3 h，再以0.2C放电至2.75V时，所放出的电量为其额定容量。
电池容量C=It，单位有Ah，mAh(1Ah=1000mAh)。
2、放电
电池向外电路输送电流的过程
3、放电率
指放电时的速率。最常用倍率（若干C）表示，其数值上等于额定容量的倍数。
如：容量C=600mAh电池，用0.2C放电，则放电电流为I=0.2*600=120mA。
我们通常所说的0.2C、1C容量，就是在放电率为0.2C、1C条件下，放出的容量。
4、开路电压
外电路断开时，电池两个极端间的电位差。
5、负荷电压
电池输入电流时，电池两个极端间的电位差。
6、标称电压（又称额定电压）
电池的标称电压指的是在正常工作过程中表现出来的电压，二次镍镉镍氢电池标称电压为1.2V；二次锂电池标称电压为3.6V 。
7、终止电压
电池放电试验中，规定结束放电的负荷电压。一般放电截止电压：0.2C放至1.0V，1C放至1.0V。
8、中点电压
指放到50%容量时，电池的电压。主要用来衡量大电流放电系列电池的高倍率放电能力，是电池的一个重要指标。
9、电池的功率输出
指在单位时间里输出能量数的能力，它是根据放电电流I和放电电压来计算的P=U*I，单位为瓦特
10、贮存寿命
电池在规定条件下的贮存期限，贮存结束时，电池仍能保持规定的性能。
11、循环寿命
蓄电池在失效前所能达到的充放电循环次数
12、内阻
电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力，一般分为交流内阻和直流内阻，由于充电电池内阻很小，测直流内阻时由于电极容量极化，产生极化内阻，故无法测出其真实值，而测其交流内阻可免除极化内阻的影响，得出真实的内值。
13、自放电
电池在荷电或贮存状态下，由于各种原因而引起的容量损失的现象。
14、记忆效应
电池长时间经受特定的工作循环后，自动保持这一特定的电性能。不能全部放出额定容量，只能达到常用的放电深度。譬如：一只额定容量为100%的电池，在使用时，如果在尚未用完电量后就充电，长期下去，电池就“记住了”这个“刻度”，以后再充电时，充到这个“刻度”就再也不容易充进去了。
三、IEC61951-2标准（单只圆柱型镍氢电池）
表一：IEC寿命测试方法
试验前，电池需0.2C放电至1.0V，环境温度：20±5℃
循环次数 充电 充电态搁置 放电
1
2-48
49
50 0.1C充16hrs
0.25C充3hrs10min
0.25C充3hrs10min
0.1C充16hrs 无
无
无
1-4hrs 0.25C放电2hrs20minb
0.25C放电2hrs20minb
0.25C放电至1.0V
0.2C放电至1.0Va
a.电池在完成50次循环后，允许开路搁置足够的时间，以便正好隔两周开始第51个循环。在第100、150、200、250、300、350、400次和第450次时可采用同样的方法。
b.如果放电电压低于1.0V，则放电可以停止。
重复1-50次循环，直至出现任一个第50次循环的放电时间少于3hrs为止，这时按照第50次循环的规定再进行一次循环。
当两个这样的连续循环的持续放电时间均少于3hrs时，寿命试验终止。试验结束时，循环次数应不少于500次。
电池基本知识（二）
一、电池常见的充电方式
1.      恒流充电：整个充电过程个中充电电流为一定值，属镍镉和镍氢电池的常用充电方式；
2.      恒压充电：充电过程中充电电源两端保持一恒定值，电路中的电流随电池电压升高而逐渐减小，铅酸电池常用此充电方式；（有时镍镉/镍氢电池也用此方法进行充电，此时需特别注意恒压源与电路中电阻值R的选择，可以粗略计算此时电路中电流I=（U-U电池）/R，此时恒压源的电压值固定后，R值越高，电路中电流越小，越接近恒流，对电池保护越好；相反，R值越低，电路中电池越大，对电池保护越差）
3、恒流恒压充电：电池首先以恒流充电CC，当电池电压升高至一定值时，电压保持不变CV，电路中电流降至很小，最终趋于0。 锂离子电池用此充电方式。
二、电池的标准充电
IEC国际标准规定的镍镉和镍氢电池的标准充放电为： 首先将电池以0.2C放电至1.0V/支，然后以0.1C充电16小时，搁置1小时后，以0.2C放至1.0V/支，即为对电池标准充放电。镍氢/镍镉电池厂家最力于推荐的充电方式。
此充电方法可以不用设置充电截止条件，对电池也无太大影响，优点是：充电电路简单，缺点是：充电时间长。
三、快速充电、急速充电及其 对电池性能影响
一般镍氢电池行业将0.2C/0.3C充电，称为快速充电；将0.5C—1.5C充电，称为急速充电；
此充电方法必须设置合适的充电截止条件，否则，易形成过充。因充电电流较大，过充后，产生的氧气来不及被消耗，就可能造成内压升高，电池变形，漏液等不良现象。同时，其电性能也会显著降低。
其优点是：充电时间短。
四、脉冲充电及对其电池性能影响
从电化学角度讲，脉冲充电对电池充电最好。因为镍镉/镍氢电池在常规充电时容易极化，常规恒压或恒流充电均会使电解液持续产生氢氧气体，其氧气在内部高压作用下，渗透至负极，使活性物质氧化，造成极板有效容量下降。
脉冲充电一般采用充与放的方法，如充5秒钟，就放1秒钟。这样充电过程产生的氧气在放电脉冲下将大部分被还原成电解液。不仅限制了内部电解液的气化量，而且对那些已经严重极化的旧电池，在使用本充电方法充放电5-10次后，会逐渐恢复或接近原有容量.
五、涓流充电
涓流充电一般用于后备电源，使用1/20—1/30C持续充电。此充电方法对电池性能无影响。
六、 充电效率
指电池在一定放电条件下放至某一截止电压时放出的容量与输入的电池容量的比值，它可按照以下公式计算： 充电效率=（放电电流 放电至截止电压的时间/充电电流 充电时间）* 100% 输入的能量部分用来将活性物质转换为充电态，部分消耗在副反应上来产生氧气，充电效率受到充电速率和环境温度的影响，充电时充电电流必须在一定范围内，电流太小或太大充电效率都很低，由于电池还存在自放电，致使电池无法充满电。
七、充电的控制方法
为了防止电池过充，需要对充电终点进行控制，当电池充满时，会有一些特别的信息可利用来判断充电是否达到终点。一般有以下六种方法来防止电池被过充： 1. 峰值电压控制：通过检测电池的峰值电压来判断充电的终点。镍氢电池厂家均不推荐此种充 电控制方法，因为镍氢电池充电电压受温度影响太大，温度越高，充电电压越低。此种控制方法易导致电池充不饱或充电无法截止过充。
若用，建议：①充电电流≤0.3C（不得超过0.5C）；②加时间继时器（充入120%容量的时间）

1. dT/dt控制：通过检测电池峰值温度变化率来判断充电的终点；此方法判断最准确。

dT/dt≤1℃/min，一般在0.3-0.5℃/min

1. maxT控制：电池充满电时温度与环境温度之差会达到最大；maxT≤45℃，此种方法不单独使用。
2. -ΔV控制：当电池充满电达到一峰值电压后，电压会下降一定的值。

一般-ΔV设置10mV以下，2-5mV较合适

1. 计时控制：通过设置一定的充电时间来控制充电终点，一般设定要充进120-130%标称容量所需的时间来控制，充电电流越小，充入电量要适当增加。一般常用的充电时间为：

0.1C16hrs、0.2C7hrs、0.3C4.5hrs、0.5C144min、1C*75min
6.0 ΔV控制：此控制方法一般在电池性能不好时用，即电池无电压下降时用，这样对电池保护好，但可能充电不足。为了弥补此缺点，可用小电流0.05C-0.1C补充电
电池基本知识(3)
——电池常见问题与分析
1、电池使用有哪些注意事项？
1.    仔细阅读电池说明书，使用所推荐的充电器; 2. 检查电器及电池的接触件是否清洁，必要时用湿布擦干净，干燥后按正确极性方向装入。
3. 无成人监护时，不要让儿童更换电池，小型电池如AAA应放在儿童不能拿到的地方 4. 不要将新，旧电池或不同型号电池混用 5. 不要试图用加热，充电或其它方法使一次电池再生
要将电池短路

1. 不要加热电池或将电池丢入水中
2. 不要拆卸电池
3. 用电器使用后应断开开关
4. 应当从长期不使用的用电器具中取出电池
5. 电池应保存在阴凉，干燥无阳光直射处

2、环境温度对电池性能的影响？
在所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，因为在电极/电解液界面上的电化学反应与环境温度有关，电极/电解液界面被视为电池的心脏。如果温度下降，电极的反应率也下降。 一般，温度越高，充电电压越低、自放电越大；相反，温度越低，充电电压越高、自放电越小。 当温度过高或过低时，对电池容量和内阻也有一定影响，特别在低温下，容量偏低、内阻增高。
3、什么是过充电？对电池性能有何影响？
过充电是指电池经一定充电过程充满电后，再继续充电的行为，对Ni-MH电池，过充电产生如下反应： 正极：4OH- 2H2O + O2 + 4e 负极：2 H2O+ O2+4e 4OH-     由于在设计时，负极容量比正极容量要高，因此，正极产生的氧气透过隔膜纸，在MH的催化作用下，被复合。故一般情况下，电池的内压不会有明显升高，但如果充电电流过大，或充电时间过长，产生的氧气来不及被消耗，就可能造成内压升高，电池变形，漏液等不良现象。同时，其电性能也会显著降低
4、什么是过放电？对电池性能有何影响？
电池放完内部储存的电量，电压达到一定值后，继续放电就会造成过放电，通常根据放电电流来确定放电截止电压。0.2C-2C放电一般设定1.0V/支,3C以上如5C或10C放电设定为0.8V/支，电池过放可能会给电池带来灾难性的后果，特别是大电流过放，或反复过放对电池影响更大。一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活性物质可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量也会有明显衰减。
5、电池放电时间短的可能原因有哪些？
1、电池未被充满电，如充电时间不够，充电效率较低等 2. 放电电流过大，致使放电效率降低从而使放电时间缩短 3.电池放电时环境温度过低，放电效率下降 
6、不同容量的电池组合在一起使用会出现什么问题？
如果将不同容量或新旧电池混在一起使用，有可能出现漏液、零电压等现象。这是由于充电过程中，容量差异导致充电时有些电池被过充，有些电池未充满电，放电时有容量高的电池未放完电，而容量低的则被过放。如此恶性循环，电池受到损害而漏液或低（零）电压。
7、电池使用完后或长期不使用是否可以保存在用电器内？
如果用电器较长时期内不再使用，最好将电池取出并放于低温，干燥的地方，如果不这样，即使用电器被关掉，系统仍会使电池有一个低电流输出，这会缩短电池的使用寿命。
8、什么是外部短路？外部短路对电池性能有何影响？
电池外两端连接在任何导体上都会造成外部短路，电池类型不同，外部短路有可能带来不同严重程度的后果。如：单只镍氢电池发生外部短路后，常见现象是漏液，产生原因是外部短路后，电路中形成较大电流，放出大量的热，内部气压升高，导致盖帽安全阀开启，从而电池漏液。这种情况严重损坏电池。如果安全阀失效，甚至会引起爆炸。因此切勿将电池外部短路。
9、电池出现0V或低电压的可能原因是什么？

1. 电池遭受外部短路或过充，反充(强制过放) 2. 电池受高倍率大电流连续过充，导致电池极芯膨胀，正极直接接触短路。 3. 电池内部短路，或微短路，如：正负极片有毛刺穿透隔膜纸接触短路，正负极片放置不当，造成极片接触短路，或正极片接触钢壳短路，负极掉料进隔膜纸，隔膜纸本身有缺陷，正极极耳接触负极片短路。

10、电池组零电压、低电压的可能原因有哪些？

1. 是否单支电池零电压 2. 插头短路，断路，与插头连接不好 3. 引线与电池脱焊，虚焊 4. 电池内部连接错误，连接片与电池之间漏焊，虚焊，脱焊等 5. 电池内部电子组件连接不正确，损坏

11、电池、电池组充不进电的可能原因是什么？

1. 电池零电压或电池组中有零电压电池 2. 电池组连接错误,内部电子组件,保护电路出现异常 3. 充电设备故障,无输出电流; 4. 外部因素导致充电效率太低(如极低或极高温度) 

12、电池、电池组无法放电的可能原因是什么？

1. 电池经储存，使用后，寿命衰减; 2. 充电不足或未充电; 3. 环境温度过低; 4. 放电效率较低，,如大电流放电时普通电池由于内部物质扩散速度跟不上反应速度，造成电压急剧下降而无法放出电

13、电池充满电时，温度为什么会急升，电压为什么会突降？
当电池充满电后再继续充电属于过充，由于正极Ni(OH)2已基本全部转化为NiOOH，电池电位在此温度达到平衡值（最大值），此时外部的恒定电流过充使OH-氧化而产生氧气。 化学反应：
正极：4OH- 2H2O + O2 + 4e + 热量 负极：2 H2O+ O2+4e 4OH- + 热量
 该化合反应产生的热量很多，只是电池整个体系温度升高。故此时温度存在急剧上升的现象。而由于温度越高，电池平衡电位越低，故温升必然导致电池平衡电位下降，故此时电池电压存在突降现象。
14、电池鼓底、漏液的可能原因是什么？

1. 电池被过充，特别是高倍率大电流连续过充； 2. 电池被强制过放 

15、电池爆炸的可能原因是什么？
电池经过内部或外部短路，形成较大电流，产生大量的热，使电池内部内压升高，而防爆球来不急打开，从而爆炸。
其中，外部短路（特别是多只电池组合）可能性最大。
16、电池能储存多久？
就理论上讲，电池储存时总有能量损失。电池本身固有的电化学结构决定了电池容量不可避免地要损失，主要是由于自放电造成的。通常自放电大小与正极材料在电解液中的溶解性和它受热后的不稳定性（易自我分解）有关。可充电电池的自放电远比一次电池高，而且电池类型不同，电池每月的自放电率也不一样。
按IEC标准，衡量镍氢电池的自放电性能方法为：
在20 ±5℃下，0.2C放电至1.0V，0.1C充16hrs，在20 ±2℃下（绝不允许超过20 ±5℃），放置28天，0.2C放电至1.0V，放电容量需≥60%。
电池基本知识(4) ——组合电池基本常识
近年来，随着科学技术的不断进步，各种高科技的用电器具如雨后春笋般的不断涌现，电池不可避免地成为这些产品中的一个核心备件，如手机、无绳电话、手提电脑、小型摄像机等。但电池在这些用电器具申都是成组使用，所以组合电池的基本常识对我们业务员、跟单员及包装的工程技术人员是必须了解并掌握的。
组合电池的基本常识
1、组合电池对单粒电池的要求
主要要求容量均匀、内阻一致。若一组电池容量不均匀、内阻不一致，会因为容量较低或內阻较大的电池提前失效，造成整组电池失效。
2、组合方式
2．1一般采用串联组合，但由于客户的要求可能出现并联或混联(串并联同时使用)。本公司不提倡并联和混联，因为由于电池容量、內阻的差异，容易出现充电时电流分配不均匀，造成电池过充或充电不足；放电时，并联电路中形成內循环，造成电池过早失效。
2．2串联组合：
电池之间的正负极首尾相连，容量为单粒电池标称容量，标称电压为单粒电池的标称电压乘以串联只数(V=Vcell*N， V---电池组的标称电压，Vcell---单粒电池标称电压，N---电池只数)。
2．3并联组合:
电池之间正极与正极连接，负极与负极连接。标称电压为单粒电池的标称电压，标称容量为单粒电池的标称容量乘以并联电池数(C=Ccell*N，C---组合电池的标称容量，Ccell为单粒电池的标称容量，N为并联电池只数)。
2．4混联组合
混联组合是指该组合中同时出现串联组合和并联组合，一般为先串后并和先并后串两种。
(1)先串后并组合：
要求各串联组合中的电池只数、型号、容量內阻必须一致。
该组合电池的：
标称电压为单粒电池的标称电压乘以串联组合中电池的只数；
标称容量为单粒电池的标称容量乘以该组合中并联的组数。
(2)先并后串组合：
要求各并联组合中的电池只数、型号、容量、内阻一致。
该组合电池的：
标称电压为单粒电池的标称电压乘以串联的组数；
标称容量为单粒电池的标称容量乘以并联组合申并联电池的只数。
3、电池包装常用材料
3.1 PVC类常用材料
（1）    中性：各种单只、组装用不印字热收缩管；分为光面与毛面，我司现在常用毛面。行业内常用的PVC颜色：镍氢用绿色PVC，镍镉用黄色PVC。
（2）    彩印：透明PVC彩色（多色）文字印刷后的称呼。
(3) 铝箔：用粘性铝箔印字（单色或多色）的标贴类材料。
3.2面垫类：
按用途分有尖头面垫、平头面垫；按材质分有快巴纸面垫、快巴不干胶纸面垫、PVC不干胶面垫、PET面垫等；按放置方式有嵌入式面垫、非嵌入式面垫。
3.3绝缘类：快巴不干胶纸垫、美纹胶、醋酸纤维胶布、电工胶布、粘性牛皮纸、EVA绝缘管等。
3.4组合常用电子元件（保护元件）
保护性功能元件主要使用过流保护器、溫度保险丝和温度开关等。其它电子元件还有电阻丝、线路保护板等。
3．5连接片
通常使用3-6mm宽的镀镍钢片和纯镍带。小电流使用的电池组通常使用镀镍钢片，大电流使用的电池组使用纯镍片。因为镀镍钢片电阻比纯镍片高大约3倍左右。一般组合3A以下(含3A)电池采用镀鎳钢片，手机电池组合和2A电池以上的采用纯镍片作连接片。