鉛酸蓄電池

可充電電池主要有鉛酸蓄電池和堿性蓄電池兩種。現(xiàn)使用的鎳鎘NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子(Li-Ion)電池都是堿性電池。

鉛酸電池閥控式免維護(hù)鉛酸電池的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由正負(fù)極板、隔板、電解液、安全閥、氣塞、外殼等部分組成。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海綿狀純鉛(Pb)。電解液由蒸餾水和純硫酸按一定比例配制而成。電池槽中裝入一定密度的電解液后，由于電化學(xué)反應(yīng)，正、負(fù)極板間會產(chǎn)生約為2.1V的電動勢。新鉛酸電池初次使用時(shí)，必須先充滿電。如采用0.1C充電速率充電，大約需要55～75小時(shí)。蓄電池正常使用放完電后，應(yīng)立即充電。通常采用的方法有：(1)分級定流充電法;(2)低壓恒壓充電法(帶負(fù)載充電);(3)快速充電法。快速充電的初充時(shí)間不超過5小時(shí)，正常充電時(shí)間可縮短到1小時(shí)左右。

堿性蓄電池

鎳鎘電池NiCd電池正極板上的活性物質(zhì)由氧化鎳粉和石墨粉組成，石墨不參加化學(xué)反應(yīng)，其主要作用是增強(qiáng)導(dǎo)電性。負(fù)極板上的活性物質(zhì)由氧化鎘粉和氧化鐵粉組成，氧化鐵粉的作用是使氧化鎘粉有較高的擴(kuò)散性，防止結(jié)塊，并增加極板的容量。活性物質(zhì)分別包在穿孔鋼帶中，加壓成型后即成為電池的正負(fù)極板。極板間用耐堿的硬橡膠絕緣棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔開。電解液通常用氫氧化鉀溶液。與其它電池相比，NiCd電池的自放電率(即電池不使用時(shí)失去電荷的速率)適中。NiCd電池在使用過程中，如果放電不完全就又充電，下次再放電時(shí)，就不能放出全部電量。比如，放出80%電量后再充足電，該電池只能放出80%的電量。這就是所謂的記憶效應(yīng)。當(dāng)然，幾次完整的放電/充電循環(huán)將使NiCd電池恢復(fù)正常工作。由于NiCd電池的記憶效應(yīng)，若未完全放電，應(yīng)在充電前將每節(jié)電池放電至1V以下。

鎳氫電池NiMH電池正極板材料為NiOOH，負(fù)極板材料為吸氫合金。電解液通常用30%的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。NiMH電池有圓柱形和方形兩種。圓柱形密封NiMH電池的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

NiMH電池具有較好的低溫放電特性，即使在-20℃環(huán)境溫度下，采用大電流(以1C放電速率)放電，放出的電量也能達(dá)到標(biāo)稱容量的85%以上。但是，NiMH電池在高溫(+40℃以上)時(shí)，蓄電容量將下降5～10%。這種由于自放電(溫度越高，自放電率越大)而引起的容量損失是可逆的，幾次充放電循環(huán)就能恢復(fù)到最大容量。NiMH電池的開路電壓為1.2V，與NiCd電池相同。

NiCd/NiMH電池的充電過程非常相似，都要求恒流充電。兩者的差別主要在快速充電的終止檢測方法上，以防止電池過充電。充電器對電池進(jìn)行恒流充電，同時(shí)檢測電池的電壓和其它參數(shù)。當(dāng)電池電壓緩慢上升達(dá)到一個(gè)峰值，對NiMH電池快速充電終止，而NiCd電池則當(dāng)電池電壓第一次下降了一個(gè)-△V時(shí)終止快速充電。為避免損壞電池，電池溫度過低時(shí)不能開始快速充電，電池溫度Tmin低于10℃時(shí)，應(yīng)轉(zhuǎn)入涓流充電方式。而電池溫度一旦達(dá)到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止充電。

鋰離子電池液態(tài)電解質(zhì)圓柱型鋰離子電池基本構(gòu)造如圖3所示。用LiCoO2復(fù)合金屬氧化物在鋁板上形成陽極，用鋰碳化合物在銅板形成陰極，極板間插入有亞微米級微孔的聚烯烴薄膜隔板，電解液為有機(jī)溶劑。為避免使用不當(dāng)造成電池?fù)p壞，在鋰離子電池內(nèi)設(shè)有3種安全機(jī)構(gòu)：(1)正溫度系數(shù)元件(PTC)。當(dāng)電池內(nèi)的溫度過高，PTC的阻值隨之上升，會自動將陰極引線與陰極之間電路切斷;(2)特殊材料的隔板。當(dāng)電池內(nèi)溫度上升到一定數(shù)值時(shí)，隔板上微孔會自動溶解掉，從而使電池內(nèi)的反應(yīng)停止;(3)安全閥。當(dāng)電池內(nèi)部壓力升高到一定數(shù)值時(shí)，安全閥將自動打開。

鋰電池易受到過充電、深放電以及短路的損害。單體鋰離子電池的充電電壓必須嚴(yán)格限制。充電速率通常不超過1C，最低放電電壓為2.7～3.0V，如再繼續(xù)放電則會損壞電池。鋰離子電池以恒流轉(zhuǎn)恒壓方式進(jìn)行充電。采用1C電流充電至4.1V時(shí)，充電器應(yīng)立即轉(zhuǎn)入恒壓充電，充電電流逐漸減小，當(dāng)電池充足電后，進(jìn)入涓流充電過程。為避免過充電或過放電，鋰離子電池不僅在內(nèi)部設(shè)有安全機(jī)構(gòu)，充電器也必須采取安全保護(hù)措施，以監(jiān)測鋰離子電池的充放電狀態(tài)。

隨著新材料、新工藝的出現(xiàn)，更為先進(jìn)耐用的可再充電電池也在不斷出現(xiàn)。國外最新開發(fā)的固態(tài)聚合物(電解質(zhì))Li離子電池、Li金屬電池，不僅解決了漏液問題，而且電池的容量更大，體積更小，更為安全可靠。它們必將成為極有潛力的新一代電池產(chǎn)品。

低溫鎳氫電池

低溫鎳氫電池是一種適應(yīng)-40℃低溫環(huán)境使用的，具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的鎳-氫電池，在2000年5月16日研制成功。它是由中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所稀土化學(xué)與物理開放實(shí)驗(yàn)室的科技人員，利用多年研制的新型MH-Ni電池低溫負(fù)極材料，委托深圳格瑞普電池有限公司制作出來的AA型和D型電池。經(jīng)實(shí)際檢測，AA型電池在室溫充電，在-40℃的環(huán)境下擱置8小時(shí)以后，以0.2C在-40℃放電，其電池容量為室溫容量的50%以上，完全可滿足使用要求;而同等溫度條件下的普通MH-Ni電池容量僅為室溫的1/10，完全不能使用。D型電池的低溫性能目前正在檢測當(dāng)中。-40℃應(yīng)用的鎳-氫電池的問世，填補(bǔ)了我國能源領(lǐng)域的一項(xiàng)空白。