走進電池世界

邱元陽

編者按：隨著科技的發展，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，抑或是數碼相機、錄像機等記錄設備，各種數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，電池續航能力已成為移動設備發展的制約因素之一。

● 電池的歷史──前世今生

也許在古代，人類文明就已經在使用類似電池的東西了。在伊拉克的巴格達附近，曾發現過被認為有數千年歷史的黏土瓶，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，那就是意大利人伏打發明的人類歷史上第一套電源裝置——伏打電堆。

此后，在經典的伏打電池基礎上，又出現了丹尼爾電池、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。同時出現的還有雷克蘭士發明的濕電池。

1868年，赫勒森發明了最早的干電池，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，直到二戰之后，電池技術才又進入快速發展期，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，從電網調節、應急照明、網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。

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發現液體的光生伏特效應（簡稱光伏現象）算起，太陽能電池已經經過了160多年的漫長發展。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微生物燃料電池，試圖將未經處理的污水轉變成干凈的水，同時發電，甚至實現海水淡化。

未來電池的發展已經給我們展現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，實現電池生命的輪回。如今，可以實現循環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，采用西門子發電機將鉛酸電池改為二次電池。1882年，鉛酸電池實現商品化，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，鋰離子電池實現商品化，革新了消費電子產品的面貌。目前在數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受特定的工作循環后，充放電深度自動保持這一特定傾向的現象。記憶效應一般只發生在鎳鎘電池上，鎳氫電池較少，鋰電池則無此現象。發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，應將電池使用到沒電再充電，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范和操作流程，用定期深放電到規定電壓來實現。

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℃）、無環境污染等優點，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，較少應用在規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，即循環壽命。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，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，半飽狀態下比充滿狀態下損失更小。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”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，一般使用它的數碼相機等設備是同時使用兩節，用相同形狀的聚合物鋰電池代替時，只用一節即可（磷酸鋰鐵聚合物電池電壓為3.2V），再配上一節假體電池（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于18650的鋰離子電芯。

實際上，鋰電池正朝著不同方向發展著。與聚合物鋰電池同時期發明的，還有水溶液可充鋰電池（簡稱“水鋰電”），后來又出現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傳出爆炸意外，并于2006年8月進行了電子產業史上最大規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、聯想的IBM-ThinkPad、富士通、日立、夏普、捷威陸續宣布召回筆記本電腦電池。同年10月，索尼公司在全球大規模啟用“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?；钴S，很容易燃燒，普通鋰離子電池在過充、短路等情況發生時，電池內部可能出現升溫、正極材料分解、負極和電解液材料被氧化等現象，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生。蘋果iPhone 4、三星Galaxy SII、HTC Evo3D、索尼愛立信MT15i也都發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，電池的污染和環保問題，也有待解決，因為環境污染歸根到底還是一種安全威脅。

● 電池的煩惱──續航能力

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

續航能力不足，或者說續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。

根據電流的定義公式（單位時間內通過的電荷數）：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?？梢娝鼈兊碾娏肯嗖盍弑丁?/p>

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，即每三塊電芯串聯起來，兩組串聯的三塊電芯再進行并聯。每個電芯的電壓是3.6V，三塊串聯后的電壓是10.8V，再并聯時電壓不變，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，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或數據流量幾乎一直保持連接狀態，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，而其成本僅是傳統車用鋰電池的一半。

科技的發展令許多曾經的夢想照進現實。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為現實。