前言:電池是指能將化學能、內能、光能、原子能等形式的能直接轉化為電能的裝置。最早的電池我們可以追溯到兩百年以前意大利物理學家伏打發明的伏打電池,它使人們第一次獲得了比較穩定而持續的電流,具有劃時代的意義。在伏打電池原理和研發精神的指引下,人們通過不斷努力,開發了一代又一代的新型電池,從人們普遍使用的幹電池到新型的太陽能電池、鋰聚合物電池(Li-polymer)和燃料電池等等,不僅在電池容量、體積、使用方便程度等方麵有很大突破,更重要的是在這些新型電池的研發過程中,滲透著人們強烈的綠色環保意識,電池的開發、發展正以綠色環保作為重要的指導精神。
電池種類及特性:幹電池:這是使用最普遍的電池類型之一,主要指鋅錳電池(圖1),其優點是能量密度較高,電流密度適當,易實現機械化生產等。
(圖1)
堿性電池是幹電池中的一個重要角色。相對於普通幹電池來說,堿性電池容量較大,可以提供的放電電流也較強,因而在一些小電器中使用率較高。市場上性能良好又經濟實惠的堿性電池有南孚、雙鹿等品牌(圖2)。
(圖2)
鎳鎘電池(Ni-Cd):鎳鎘電池(圖3)是最早應用於手機、筆記本電腦等設備的電池種類,它具有良好的大電流放電特性、耐過充放電能力強、維護簡單。鎳鎘電池最致命的缺點是,在充放電過程中如果處理不當,會出現嚴重的“記憶效應”,使得服務壽命大大縮短。所謂“記憶效應”就是電池在充電前,電池的電量沒有被完全放盡,久而久之將會引起電池容量的降低。當然,我們可以通過掌握合理的充放電方法來減輕“記憶效應”。此外,鎘是有毒的,因而鎳鎘電池不利於生態環境的保護。眾多的缺點使得鎳鎘電池已基本被淘汰出數碼設備電池的應用範圍。
(圖3)
鎳氫電池(Ni-MH):鎳氫電池(圖4)是早期的鎳鎘電池的替代產品,它是目前最環保的電池,不再使用有毒的鎘,可以消除重金屬元素對環境帶來的汙染問題。鎳氫電池具有較大的能量密度比,這意味著可以在不為數碼設備增加額外重量的情況下,使用鎳氫電池能有效地延長設備的工作時間。同時鎳氫電池在電學特性方麵與鎳鎘電池亦基本相似,在實際應用時完全可以替代鎳鎘電池,而不需要對設備進行任何改造。鎳氫電池另一個優點是:大大減小了鎳鎘電池中存在的“記憶效應”,這使鎳氫電池可以更方便地使用。
(圖4)
鋰離子電池(Li-Ion):鋰離子電池(圖5)具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點,因而得到了普遍應用——現在的許多數碼設備都采用了鋰離子電池作電源,盡管其價格相對來說比較昂貴。鋰離子電池的能量密度很高,它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍,而且具有很低的自放電率。此外,鋰離子電池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優點也是它廣泛應用的重要原因。
(圖5)
其它電池類型:堿錳充電電池是在堿性鋅錳電池的基礎上發展起來的,由於應用了無汞化的鋅粉及新型添加劑,故又稱為無汞堿錳電池。這種電池在不改變原堿性電池放電特性的同時,又能充電使用幾十次到幾百次,比較經濟實惠。
鋰聚合物電池(又稱高分子鋰電池)具有能量密度高、更小型化、超薄化、輕量化,以及高安全性和低成本等多種明顯優勢,是一種新型電池。在形狀上,鋰聚合物電池具有超薄化特征,可以配合各種產品的需要,製作成任何形狀與容量的電池。該類電池可以達到的最小厚度為0.5mm,想象一下今後的電池可以薄得像信用卡一樣,是不是覺得很不可思議?其實,韓國電子產品KoKam工程公司已開發出厚度為1mm的鋰聚合電池,並利用該電池開發研製出“KoKam iplayt”數碼相機,其大小與信用卡差不多,厚度為6mm,重量隻有35克。
燃料電池是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置。具體地說,燃料電池是利用水的電解的逆反應的“發電機”。電池工作時需要連續地供給活物質(起反應的物質)——燃料和氧化劑,這又和其它普通化學電池不大一樣。燃料電池的優點是能量轉換效率高、可靠性高、工作時無噪聲、無塵埃、無輻射,是一種清潔的能源。卡西歐計算機股份有限公司在3月6日發布了一款針對便攜設備的實用“小型高性能燃料電池”(圖6),這種小型設備可以為手機、筆記本電腦、PDA 和其他一些便攜設備提供能量,和目前所使用的鋰離子電池相比,重量隻相當於原有鋰離子電池一半的燃料電池就可以提供約4倍的電池能量。不過這樣的設備目前還處於試驗當中,估計要到2004年才能大規模投產後才能進入市場。
(圖6)
服務壽命:
電池是一種化學物質,因而也是有一定服務壽命的,諸如幹電池(包括普通的堿性電池)等一次電池是不能充電的,服務壽命當然隻有一次。對於充電電池,一般我們以充電次數來衡量其服務壽命的長短。鎳鎘電池的循環使用壽命在300~700次左右,鎳氫電池的可充電次數一般為400~1000次,鋰離子電池為500~800次。充電電池的服務壽命不僅受製作電池采用的原料、製作工藝等因素的影響,還與電池的充放電方法及實際使用情況有密切關係。例如,某人於1985年開始使用的6節HITACHI(日立)鎳鎘電池,一直到現在還在繼續使用,隻是電池容量有些降低了。看來,隻要使用方法合理,充電電池是完全可以達到甚至大大超過標稱的服務壽命的。
電池的電壓和容量:
在電學上,常用電壓、容量等概念來衡量電池個體的屬性和性能。一般單個幹電池(包括堿性電池)的額定電壓為1.5V,鎳鎘電池和鎳氫電池為1.2V,而鋰離子電池是3.6V(有些廠商生產的鋰離子電池標定的額定電壓為3.7V),相當於3節鎳鎘或鎳氫電池串聯所得的電壓,一些常見的不可充電的鋰電池的電壓是3V(圖7是用於相機的FUJIFILM即富士的CR123A鋰電池)。
(圖7)
容量是指電池存儲電量的大小。電池容量的單位是“mAh”,中文名稱是毫安時(在衡量大容量電池如鉛蓄電池時,為了方便起見,一般用“Ah”來表示,中文名是安時,1Ah=1000mAh)。如圖4中的GP超霸電池的額定容量是1300mAh,如果以0.1C(C為電池容量)即130mA的電流給電池放電,那麼該電池可以持續工作10小時(1300mAh/130mA=10h);如果放電電流為1300mA,那供電時間就隻有1小時左右(實際 工作時間因電池的實際容量的個別差異而有一些差別)。這是理想狀態下的分析,數碼設備實際工作時的電流不可能始終恒定在某一數值(以數碼相機為例,工作電流會因為LCD顯示屏、閃光燈等部件的開啟或關閉而發生較大的變化),因而電池能對某個設備的供電時間隻能是個大約值,而這個值也隻有通過實際操作經驗來估計。
由於單個電池的電壓和容量都十分有限,一般需要用幾個電池組成電池組,以滿足不同設備的實際供電需要。在數碼相機中,最常見的電池組合方式是串聯,即把電池正負極首尾相連,如把4節1.2V、1300mAh的電池串聯,就組成了一個電壓是4.8V、容量為1300mAh的電池組;而在筆記本電腦中,電池一般采用的是混聯方式,即有串聯也有並聯。