走進電池世界

邱元陽

編者按：隨著科技的發(fā)展，電子產品的使用越來越頻繁，也越來越便利了。很難想象，在現(xiàn)代社會，有誰會不用電子產品。說到電子產品，必然會涉及充電的問題，可是，您了解自己手中的電池嗎？我們該如何合理應用呢？在此，主持人和嘉賓將分兩期對這一問題進行深入探討。

無論是手機、平板電腦等通訊設備，還是MP4、PSP等娛樂設備，抑或是數(shù)碼相機、錄像機等記錄設備，各種數(shù)碼產品都有一個共同特點，那就是需要電池供電。

隨著設備應用復雜性的提升，功耗也同步提升，電池續(xù)航能力已成為移動設備發(fā)展的制約因素之一。

● 電池的歷史──前世今生

也許在古代，人類文明就已經(jīng)在使用類似電池的東西了。在伊拉克的巴格達附近，曾發(fā)現(xiàn)過被認為有數(shù)千年歷史的黏土瓶，它有一根插在銅制圓筒里的鐵條，這似乎是遠古時代電池的原型，與1746年的萊頓瓶倒有些神似。

雖然人類對“電”早就有了認識，也一直想方設法把電儲存起來，但是真正的電池直到1800年才出現(xiàn)，那就是意大利人伏打發(fā)明的人類歷史上第一套電源裝置——伏打電堆。

此后，在經(jīng)典的伏打電池基礎上，又出現(xiàn)了丹尼爾電池、本生電池、格羅夫電池等，解決了電池極化問題。

1860年，鉛酸電池誕生并得到應用。同時出現(xiàn)的還有雷克蘭士發(fā)明的濕電池。

1868年，赫勒森發(fā)明了最早的干電池，其電解液為糊狀，不會溢漏，便于攜帶，取代濕電池獲得了廣泛應用。

這期間，還有氫-氧燃料電池、空氣電池、氧化銀電池、鋅錳電池、鋅銀電池、糊式勒克謝電池等多種電池形式，各種新的電池技術遍地開花。之后，鎳鎘電池、鎳鐵電池、鎳鋅電池等堿性蓄電池相繼誕生。

進入20世紀后，電池理論和技術一度停滯，直到二戰(zhàn)之后，電池技術才又進入快速發(fā)展期，密封式鎳鎘電池、燒結式鎳鎘電池開始生產，堿性錳電池亦進入商品化，太陽能電池也研制成功。

1960年，鎳氫電池研制成功，1984年飛利浦公司解決了LaNi5合金在充放電過程中的容量衰減問題，掀起了MH-Ni電池開發(fā)熱潮。

1990年，索尼公司宣布制成了鋰離子蓄電池并于1992年商品化。

1994年，美國Bellcore公司宣布研制成功聚合物鋰離子電池。

此后，電池的應用也得到了不斷發(fā)展，滲入到社會生活的各個方面。從家用的鬧鐘、手表、手電筒、收音機、CD唱機、移動電話的供電，到商用的賓館、超市、醫(yī)院、電話交換機等場合用的應急電源，從汽車、摩托車的啟動電源，到電動工具、拖船、輪椅車、觀光車、電動汽車、混合動力車等的動力電池，從電網(wǎng)調節(jié)、應急照明、網(wǎng)絡設備不間斷供電的儲能，到導彈、潛艇和魚雷等軍需，各種電池無不擔當著重要的角色。

● 形形色色的電池——電池種類

因為應用領域和方向不同，電池的種類也是五花八門，形形色色。

1.按工作原理劃分

化學電池：通過化學反應形成電流，如干電池、鉛蓄電池、鋰離子電池、鈕扣電池等。

物理電池：通過物理轉換得到電流，一般指光能電池，如太陽能電池等。

燃料電池：如氫氧燃料電池、微生物燃料電池等。

2.按電解液種類劃分

堿性電池：電解質主要以氫氧化鉀溶液為主的電池，如堿性鋅錳電池（堿錳電池、堿性電池）、鎘鎳電池、鎳氫電池等。

酸性電池：主要以硫酸溶液為介質，如鋅錳干電池（酸性電池）、海水電池等。

有機電解液電池：主要以有機溶液為介質的電池，如鋰電池、鋰離子電池等。

3.按工作性質和貯存方式劃分

一次電池：又稱原電池，即不能再充電的電池，如鋅錳干電池，鋰原電池等。

二次電池：即可充電電池，如鎳氫電池、鋰離子電池、鎘鎳電池等。

蓄電池：習慣上指鉛酸蓄電池，也是二次電池。

燃料電池：即活性材料在電池工作時才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池等。

貯備電池：電池貯存時不直接接觸電解液，直到電池使用時，才加入電解液，如鎂化銀電池（又稱海水電池）等。

4.按電池正負極材料劃分

鋅系列電池：鋅錳電池、鋅銀電池等。

鎳系列電池：鎘鎳電池、氫鎳電池等。

鉛系列電池：鉛酸電池等。

鋰系列電池：鋰離子電池、鋰聚合物電池、鋰錳電池等。

二氧化錳系列電池：鋅錳電池、堿錳電池等。

空氣（氧氣）系列電池：鋅空電池等。

表1是常見的各種電池的相關參數(shù)。

值得一提的是，太陽能作為一種低成本無污染的新型能源正在被大力推廣，太陽能電池也有了越來越多的用武之地。

從1839年法國科學家E. Becquerel發(fā)現(xiàn)液體的光生伏特效應（簡稱光伏現(xiàn)象）算起，太陽能電池已經(jīng)經(jīng)過了160多年的漫長發(fā)展。貝爾實驗室三位科學家研制單晶硅太陽電池成功，是太陽能電池發(fā)展史上的里程碑，到目前為止，太陽能電池的基本結構和機理仍沒有改變。

從材料上劃分，太陽能電池分為單晶硅（光電轉換效率為15%～24%）、多晶硅（光電轉換效率約12%）、非晶硅（光電轉換效率為10%）、多元化合物幾種。

基于植物的可回收太陽能電池，基于納米技術的納米太陽能電池，以及基于有機聚合體的“塑料”太陽能電池等的研究都取得了很大進展。微型的太陽能電池已經(jīng)在計算器和充電器上使用了。

用細菌制成的電池很快也將會為我們的電子產品供電。把細菌體表蛋白生成的能量收集起來作為電能，將會出現(xiàn)由細菌產生清潔電流的“生物電池”。

微生物燃料電池也不是一個新概念。賓夕法尼亞州立大學的研究小組正嘗試開發(fā)微生物燃料電池，試圖將未經(jīng)處理的污水轉變成干凈的水，同時發(fā)電，甚至實現(xiàn)海水淡化。

未來電池的發(fā)展已經(jīng)給我們展現(xiàn)出了一幅美好的畫卷，各式電池的應用也將進一步豐富人類的社會生活。

● 生命的輪回──充電電池

由于原電池的一次性使用造成了很大的浪費，人們迫切需要使電池可以重復使用的方法，實現(xiàn)電池生命的輪回。如今，可以實現(xiàn)循環(huán)使用的充電電池有很多種，如鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。

1860年，普朗泰發(fā)明了用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是，當電池使用一段時間后電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因為這種電池能充電，可以反復使用，所以稱它為“蓄電池”。10年后，采用西門子發(fā)電機將鉛酸電池改為二次電池。1882年，鉛酸電池實現(xiàn)商品化，成為最先得到應用的充電電池體系。

隨后，鎳鎘電池、鎳鐵電池、鎳氫電池誕生，在20世紀80年代得到迅速發(fā)展。

1970年，采用硫化鈦作為正極材料、金屬鋰作為負極材料的首個鋰離子電池研制成功。

1991—1992年，鋰離子電池實現(xiàn)商品化，革新了消費電子產品的面貌。目前在數(shù)碼產品上最常用到的充電電池，就是鎳氫電池和鋰離子電池，鎳鎘電池因為記憶效應的緣故使用越來越少，主要用于電動工具等短時大電流的場合。

記憶效應是指電池長時間經(jīng)受特定的工作循環(huán)后，充放電深度自動保持這一特定傾向的現(xiàn)象。記憶效應一般只發(fā)生在鎳鎘電池上，鎳氫電池較少，鋰電池則無此現(xiàn)象。發(fā)生的原因是由于電池重復的部分充電和放電不完全，使電池暫時性的容量減小，導致使用時間縮短。為防止鎳鎘電池記憶效應產生，應將電池使用到?jīng)]電再充電，或在有放電功能的充電器上先行放電。記憶效應是可逆的容量損失，消除方法有嚴格的規(guī)范和操作流程，用定期深放電到規(guī)定電壓來實現(xiàn)。

鎳鎘的袋式電池不存在記憶效應，燒結式電池有記憶效應，而鎳氫電池是否有記憶效應則有不同說法，因為實際上它還涉及了另一種影響電池充放電性能的因素，就是鎳基電池的“晶格化”（電池內容物產生結晶）。通常情況，鎳鎘電池受這兩種效應的綜合影響，而鎳氫電池則只受“晶格化”記憶效應的影響，而且影響較鎳鎘電池而言很小。

鋰離子電池是沒有記憶效應的，新的鋰離子電池也不需要深充深放來“激活”。

鋰離子電池具有能量密度高（可達150～200Wh/kg）、開路電壓高（3.3～4.2V）、循環(huán)壽命長（1000次以上）、輸出功率大（300～1500W/kg@20s）、無記憶效應、充放電速度快以及低自放電（小于5%～10%/月）、工作溫度范圍寬（-20℃～60℃）、無環(huán)境污染等優(yōu)點，廣泛應用于消費電子產品、軍用產品、航空產品等。目前手機、筆記本電腦上使用的幾乎都是鋰離子電池。

鋰離子電池多年來一直集中在3C產業(yè)，較少應用在規(guī)模更大的儲能和動力電池市場，主要原因之一是過去鋰電池采用的鈷酸鋰正極材料（LiCoO2）成本較高，并且難以應用在耐受穿刺、沖撞和高低溫等特殊環(huán)境，并且不能滿足對安全的絕對要求。各國都曾投入大量的研發(fā)人力與資源，尋找能夠取代或解決LiCoO2問題的新材料，并取得了很大進展。當前鋰電池正極材料正在經(jīng)歷著從消費電子的鈷酸鋰正極材料向動力型鋰電池演變的過程，沿著正極去鈷化的方向發(fā)展，形成錳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰三條技術路線。

與其他充電電池不同，鋰離子電池的容量會緩慢衰退，與使用次數(shù)無關，而與溫度有關。可能的原因是內阻逐漸升高，所以在工作電流高的電子產品的應用上更容易體現(xiàn)這一點。

鋰離子電池儲存溫度與容量永久損失速度的關系見下頁表2。

由此可知，鋰離子電池長時間過熱會導致容量減小甚至失效。

另外，鋰離子電池也不耐受過充過放。過充電時，電極脫嵌過多鋰離子，可導致晶格坍塌，從而縮短壽命；過放電時，過量嵌入的鋰離子會永久固定于晶格中，無法再釋放，也導致電池壽命縮短。過熱時，電池內部還會釋放氣體，形成較大壓強，壓力繼續(xù)增大就會破裂，并因為含可燃物而形成爆炸。

正因如此，鋰離子電池在設計時需要采取多重保護機制，利用保護電路，防止過充、過放、過載、過熱；利用排氣孔，避免電池內部壓強過大；利用隔膜，提高抗穿刺強度，防止內部短路，并在電池內部溫度過高時融化，阻止鋰離子通過，阻滯電池反應，升高內阻至2kΩ。由于保護性的排氣孔和隔膜是一次性的，一旦激活，將使電池永久失效。

手機上的鋰離子電池常常是扁平的四方塊，實際上鋰離子電池可做成各種形狀，其中圓柱形的就有很多固定規(guī)格。比較有名的是18650電池，常用于筆記本電池和移動電源（充電寶）的電芯中。所謂18650，是指這類圓柱電池的直徑是18mm，高度是65mm。這個大小比5號電池要大，與5號電池大小對應的鋰電池型號是14500（直徑14mm，高度50mm）。

充電電池都有一定的充電次數(shù)，即循環(huán)壽命。而且設計壽命與實際壽命往往差距較大，使用方法不同更是造成壽命相去甚遠。以鋰離子電池為例，設計壽命約為1000次充電循環(huán)，產品實際使用時約能充放電500次左右，手機上使用大約三年。從容量損失速度表上看，半飽狀態(tài)下比充滿狀態(tài)下?lián)p失更小。如果使用時注意避免過充過放，壽命會大大延長，不少電池使用5年還沒有問題。

● 聚合物電池──電池新秀

鋰離子電池實際上有兩種，即液態(tài)鋰離子電池（Liquified Lithium-Ion Battery，簡稱LIB）和聚合物鋰離子電池（Polymer Lithium-Ion Battery，簡稱PLB）。后者也稱為高分子鋰電池、塑料鋰離子電池（Plastic Lithium Ion Batteries，簡稱PLB），有時也直接稱為聚合物電池、鋰聚合物電池、聚合物鋰電池等。

聚合物鋰電池使用的電解質是“固態(tài)”的，目前大部分采用聚合物凝膠電解質。相對于普通的鋰離子電池，具有外形可塑和不會爆炸等優(yōu)點。

一般鋰離子電池使用液體或膠體電解液，因此需要堅固的二次包裝來容納可燃的活性成分，這就增加了重量，也限制了尺寸的靈活性。而聚合物鋰電池在形狀上可做到薄形化，能做成任何形狀與容量的電池，為設備開發(fā)商在電源解決方案上提供了靈活性和適應性，能最大化地優(yōu)化產品性能。由于使用了膠體電解質，在電池活化時不會產生氣體，即使在過充過熱的情況下，也只會膨脹而一般不會發(fā)生爆炸。不過由于聚合物鋰電池一般采用鋁箔軟包裝封裝，容易受到外力破壞。

聚合物鋰電池的單位能量比傳統(tǒng)鋰離子電池提高了20%，3倍于鎳氫電池，并且具有更長的循環(huán)壽命。

目前在市場上已有將聚合物鋰電池做成5號鎳氫電池外形（實際上是14500電池規(guī)格）進行銷售的情況，用來替代鎳氫電池使用，解決老式設備電池充電時間太長的遺憾。但需注意的是，由于兩種電池電壓不同，替換使用時需要借助“電池假體”的配合，才能提供正常的電壓，充電也是如此，或者使用專用的充電器。因為鎳氫電池的電壓是1.2V，一般使用它的數(shù)碼相機等設備是同時使用兩節(jié)，用相同形狀的聚合物鋰電池代替時，只用一節(jié)即可（磷酸鋰鐵聚合物電池電壓為3.2V），再配上一節(jié)假體電池（占位筒），分擔電壓。為了避免錯用造成設備損壞，有的廠家直接把5號聚合物鋰電池設計成1.5V電壓，這樣就能完全兼容使用鎳氫電池的設備了，但充電仍需專用充電器。

在一些新上市的手機和筆記本中，有的已經(jīng)開始使用聚合物鋰電池了。一些移動電源，也開始采用聚合物鋰電芯，性能和安全性都要優(yōu)于18650的鋰離子電芯。

實際上，鋰電池正朝著不同方向發(fā)展著。與聚合物鋰電池同時期發(fā)明的，還有水溶液可充鋰電池（簡稱“水鋰電”），后來又出現(xiàn)了以摻雜化合物為負極、嵌入化合物為正極的新型水鋰電以及采用Lisicon陶瓷—玻璃膜的充電式鋰—空氣電池。

豐田公司大力研發(fā)的“革命性電池”，就是有著“后鋰離子充電電池”之稱的鋰空氣電池和全固體電池。理論上，由于氧氣作為陰極反應物不受限，該電池的容量僅取決于鋰電極，其比能達到11.14kWh/kg（不包括氧氣），非常具有吸引力。

● 電池也瘋狂──安全問題

2005年底，戴爾筆記本電腦產品連續(xù)傳出爆炸意外，并于2006年8月進行了電子產業(yè)史上最大規(guī)模的全球性電池召回，召回范圍包含約410萬顆由索尼公司制造的戴爾鋰離子電池。此后，蘋果電腦、東芝的Dynabook、聯(lián)想的IBM-ThinkPad、富士通、日立、夏普、捷威陸續(xù)宣布召回筆記本電腦電池。同年10月，索尼公司在全球大規(guī)模啟用“鋰電池自主更換計劃”，回收在全球生產的960萬顆筆記本電腦用鋰電池。

這一事件讓人們不禁擔心，自己正在使用的各種鋰電池會不會意外爆炸。

鋰的化學性質非常活躍，很容易燃燒，普通鋰離子電池在過充、短路等情況發(fā)生時，電池內部可能出現(xiàn)升溫、正極材料分解、負極和電解液材料被氧化等現(xiàn)象，所產生的氣體膨脹，導致電池內壓加大，當壓力達到一定程度后即會破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。

索尼鋰離子電池爆炸事件的原因，是在極度罕見的情況下，相關電池芯中不該有的微小金屬屑會接觸到電池芯的其他部位，從而產生短路。這個概率只有幾百萬分之一，但仍讓人們放心不下電池的安全性問題，手機電池爆炸、電動車電池爆炸的事件也時有發(fā)生。蘋果iPhone 4、三星Galaxy SII、HTC Evo3D、索尼愛立信MT15i也都發(fā)生過手機電池爆炸事件，而2007年摩托羅拉手機電池在胸前口袋爆炸更是引起當事人死亡。

實際上，鋰離子電池中有多種措施和電路來防止電池爆炸，前文已經(jīng)述及。在筆記本電池中，智能的IC電路甚至會保護電池不致過充和不當充放電，大可以放心使用。新型的聚合物鋰電池則不會爆炸，但是因為其包裝簡單，出問題的概率反而高于普通鋰電池。

除了爆炸問題，電池在使用中也有一些安全問題，如充電或使用過程中短路引起失火，不當接觸電極引起電擊傷等。電動車的電池，其輸入與輸出有時是同一接口，在充電時摸索插線常常會造成電擊。而因為充電的同時使用手機接電話造成傷害的情形也時有報道。

此外，電池的污染和環(huán)保問題，也有待解決，因為環(huán)境污染歸根到底還是一種安全威脅。

● 電池的煩惱──續(xù)航能力

智能手機充滿電的電池一般只能使用一兩天，這就使得手機幾乎要每天充電，不能不說是使用手機的一個煩惱。

同樣，在電動汽車的發(fā)展上，也面臨這樣的問題，汽車電池的續(xù)航能力嚴重制約著新能源汽車的推廣。

續(xù)航能力不足，或者說續(xù)航能力的要求不斷提高，正是各類充電電池努力彌補的短板。尤其對于鋰離子電池來說，幾乎每個人都要用到，頻繁的充電讓使用者頗為煩惱。

衡量電池的續(xù)航能力，一般用電池標注的充滿電后的容量來參考。

電池容量的物理意思就是指該電池能夠容納或釋放多少電荷，常用Ah（安時）或mAh（毫安時）來表示。

根據(jù)電流的定義公式（單位時間內通過的電荷數(shù)）：I=Q/t，可知Q=It。電池放電電流I的單位一般用mA（毫安），時間t的單位一般用h（小時），因此電池容量單位就是mAh。

一塊電池容量標為1200mAh，如果它工作時的電流是100mA，則理論上可以供電12小時。

注意，僅僅從mAh的大小還不能比較兩塊電池誰的容量更大。最常見的困惑就是，一個大塊頭的錄像機電池，標稱容量不足2000mAh，跟小小的一塊手機電池的容量好像不相上下。

從公式中我們可以看到，Q=It，并未涉及電壓，因此這一單位只能說明電池內部能夠容納多少庫侖的電荷，但不能說明這個電池能夠做多少功，也不能表達電池的最大功率是多少。不同產品的工作電壓是不同的，同樣在放電電流下，功率和所做的功也不相同。為了更科學地表達電池容量，我們常會看到在mAh的旁邊還會有一個以Wh（瓦時）為單位的容量數(shù)字。

電池可做的功=UIt=UQ，電壓U×電流I即是功率，單位為W（瓦），因此電池容量用Wh來表示，就能表示電池可以做多少功。

隨便拿來一塊筆記本電腦的電池，上面標注著3400mAh，36.72Wh（電壓10.8V），再拿一塊手機電池，標稱容量1500mAh，似乎不到筆記本電池的一半，但是它的電壓是3.7V，1500mAh×3.7V=5.55Wh。可見它們的電量相差六七倍。

特別說明一下，這塊筆記本電池是6芯鋰電池，6個電芯一般是三串兩并，即每三塊電芯串聯(lián)起來，兩組串聯(lián)的三塊電芯再進行并聯(lián)。每個電芯的電壓是3.6V，三塊串聯(lián)后的電壓是10.8V，再并聯(lián)時電壓不變，因而最終的電壓是10.8V。而4芯的筆記本電池，一般是四塊串聯(lián)，電壓14.4V。

雖然電池的容量在不斷提升，但設備的功耗也在增加，頻繁的充電仍讓用戶不勝其煩。

以手機為例，屏幕越來越大，應用越來越多，WiFi或數(shù)據(jù)流量幾乎一直保持連接狀態(tài)，而電池容量一般在2000mAh左右，這樣充滿電后使用一兩天，就得再次充電。

電池方面的研究人員正在努力尋找充電迅速而續(xù)航時間又長的新的電池技術。

復旦大學吳宇平教授領導的課題組突破傳統(tǒng)舊制，首次提出“電位穿越”理論，并制成了平均充電電壓為2.4伏、放電電壓為4.0伏的新型“水鋰電”，使電池充電時間更短，儲存電量更多，耐用時間更久，電動車充電10秒可跑100公里，而其成本僅是傳統(tǒng)車用鋰電池的一半。

科技的發(fā)展令許多曾經(jīng)的夢想照進現(xiàn)實。我們期待著某一天，手機電池充電一次可以使用一個月的夢想也變?yōu)楝F(xiàn)實。