锂电池的一些基本知识

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2024年7月11日发(作者：)

一、电池的化学知识

物质发生化学反应的种类有多种，其中一种是氧化还原反应，在这种反应中，实际是电子在反应物中的转移过程。

通常把提供电子的物质叫还原剂，接受电子的物质叫氧化剂。在电池体系里，一般把这些还原剂或氧化剂统一称作活性

物质，活性物质在电池体系中发生的氧化还原反应就是电池反应。原剂或氧化剂和导电骨架加工在一起，便成了电极，

其中，还原剂电极发生电池反应时是失去电子，叫负极，而由氧化剂组成的电极在反应中则得到电子，叫正极，对于可

充电的电池，正极又叫阴极，负极又叫阳极。当电极插入到相关的溶液时，便获得了一电势，一般称为电极电位.正极，

负极处于一相同溶液体系之下是否有电位差，是能否发生电池反应的必要条件。

1.1. 电池的工作原理和分类

电池是将物质的化学能转变成电能的一种装置。电池工作时，负极（阳极）发生化学反应，给出电子，电子通过外

部电子通道传到正极（阴极）并被其消耗，就这样，电池工作时，电子会源源不断的从负极（阳极）跑出来，通过外部

电路到达正极（阴极），直到两电极中某一方被消耗完，电子才会停止转移。电子的定向流动便成为电流，最终获得电

能。

1.2. 电池的组成

要使电池能连续工作，必需包含以下部分：电极，电解质，隔离物以及电池外壳。

1.2.1 电极一般由活性物质和导电骨架组成，如前所述，又分为正（阴）极和负（阳）极，是电池的核心部分，是电池

产生电能的源泉，通过两极上活性物质和化学变化使化学能转变为电能，导电骨架主要起着传导电子和支撑活性物质的

作用，又叫集流体。

1.2.2 电解质的一般作用是完成电池放电时的离子导电过程。电池工作时，负极提供的电子通过电池体系的外部电路到

达正极从而提供电能，要实现这个能量转换过程，还必需要有一个内部离子导电过程以完成电流回路。离子的正向移动

产生电流，电解质的导电就是通过其内部体系的离子迁移从而实施离子导电。

1.2.3 隔离物能常是指置于电池正负极之间的材料，其作用是阻止正、负极活性材料的直接接触，防止电池的内部短路，

并能阻挡两极粉状物质的透过。对隔离物的要求必需是电子的良好绝缘体，并具足够过高的化学稳定性，但对离子的迁

移阻力应尽可能的小。

1.2.4 电池的外壳是贮存电池其他组成部分的容器，起到保护和容纳其他组成部分的作用（有的电池是用电池活性材料

做成，还参加电池反应）。所以一般要求壳体有足够的机械性能，且壳体材料不影响电池的其他组成部分，为防止壳体

免受其他组成部分的影响，一般要求壳体材料有足够高的化学稳定性。

1.2.5聚合物电池的工作原理

锂离子电池用两种不同的锂离子嵌入化合物组成，充电时，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂

态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，锂离子从负极

脱嵌，经过电解质嵌入正极。在充放电过程中，就是锂离子不断在阴、阳极之间穿行过程（嵌入和脱嵌），就象摇椅在

摇一样，因此被形象称为“摇椅电池”。

二、基本术语

2.1一次电池(Primary battery): 电池仅能放电，当电池电力用尽时，无法再充电的电池.市售的碱性电池，锰干电池，水

银电池等，皆属一次电池。

2.2二次电池(Rechargeable battery): 电池电力用完后，可经由充电重复使用之电池，如:铅酸，镍氢，锂离子电池等。

2.3额定容量(Nominal Capacity): 一般电池的蓄电量，会以mAH-毫安小时或AH-安培小时来表示，二次电池当电池充

饱电后，按指定的电流放电至截止电压时，所能取出之电量，就是此电池的容量。

2.4额定电压(Nominal Voltage): 电池正负极材料，因化学反应，所造成之电位差高低，利用呕鳒Y，所产生的电压，称

为额定电压.不同的正负极材料，产生的电压不同，如: 铅酸电池-2V/cell， 镍氢电池1.2V/cell， 锂离子电池3.6V/cell。

2.5内阻: 电池为许多化学材料组成， 其都有一定的阻抗，电池的高低内阻往往影响充放电的特性。

2.6正极(Positive Electrode): 符号为 ＋，电位较负极高。

2.7负极(Negative Electrode): 符号为 - ，电位较正极低。

2.8电解质(Electrolyte): 当正负极间引起化学反应时， 可使离子移动之离子导电体， 而不是电子导电体， 主要在传递

整个电化学反应离子的传导工作。

2.9隔离膜(Separator): 置于正负极板中， 为一微孔性及多孔性之薄膜， 材质以PP，PE为主，主要在隔离正负极板，

防电子短路，可使离子通过，并具保持电解液的功能。

2.10 C-rate: 用来表示电池充放电时电流大小的比率单位. 如: 容量1600mAh的电池，0.2C 代表以320mA的电流来进

行充电或放电，1C代表以1600mA. 此比率单位C-rate 对于二次电池是重要的观念。

2.11放电截止电压(Cut-off discharge voltage): 电池在放电试验时，到达终点的电压。 一般Ni-MH电池设定为1.0V，

Li-ion电池设定在3.0V或2.75V.

2.12开路电压(Open circuit voltage，OCV): 指电池在无负载的情况下，电池正负极之间的电压。

2.13过放电(Over discharge): 超过电池放电截止电压值，若继续放电则可能造成电池漏液或劣化。

2.14放电深度(Depth of discharge，DOD): 与电池额定容量比较，放电电量的比率。

2.15过充电(Over charge): 电池到达饱充状态后，再继续充电的程度大小，过度充电可能会使电池劣化。

2.16能量密度(Energy density): 表示方法有两种，一为体积能量密度(Wh/l)，另一为重量能量密度(Wh/kg)，用以表示

单位体积或单位重量能取出的能量.常用于表示各种化学材料所能提供能量的参考。

2.17自我放电(Self discharge): 电池在储存过程中，电池蓄电容量会逐渐减少的现象，所以一般储存电池时都有一储存

温度范围，过高的温度会加速电池的自我放电。

2.18循环寿命(Cycle life): 二次电池在反复充放电的使用下，电池容量会逐渐下降，通常以该电池的额定容量作标准，

电池容量降至其80%或60%时的充放电次数，称为循环寿命。

2.19记忆效应(Memory effect): 电池在没有放完电的情况下，若施以充电，则电池容量可能无法回到原有的水准，但若

施以强制深度放电后在充电，容量可能就能回复，通常此种现象常发生于镍镉电池上。

2.20恒电流(Constant current，CC): 以固定的电流对电池充电或放电。

2.21恒电压(Constant voltage， CV): 以固定的电压对电池充电，充电电流会随着电压值接近而下降，对于Li-ion电池

充电，一般使用CC-CV充电模式， 前段采用CC，当电池电压到达4.2V，转用CV充电。

2.22涓流充电(Trickle charge): 以一微小的电流对电池充电， 常用于对电池开始充电前或充饱电后。

2.23串并联(Series and parallel): 电池串联来提高电压，以并联来提高电池容量，如: Notebook电池，用12颗Li-ion

电池，以4串3并的组合，来符合Notebook的工作电压及延长操作时间。

三. 电池发展历史

在过去的几十年，再充电电池在高容量和小型化方面的改进比较缓慢。与微电子等巨大进步的领域相比较，电池技

术明显的缺乏进步。想一下六十年代的计算机存储芯片，和它与现代的具有相同计算字节的微芯片比较。现代的微芯片

将一个立方体的脚放入一个很微小的芯片里。类似的尺寸上的减少简直就是将一个重型汽车的电池压缩进一枚硬币大小

的尺寸里。因为电池仍然是以电化学过程为基础的，一个硬币大小的汽车电池，以我们目前的技术不可能生产出来。

研究已经带来了很多种制造电池的化学品，每一种都能够提供各自独特的优点，但是没有哪一种能够体构一个完全

满意的解决方案。当然，随着现在可选择性的增加，最佳的选择可以适用特殊用户的应用要求。

例如，消费市场要求高的能量密度和小型化的电池。主要是用来维持便携设备的适当的使用时间，这些设备愈加变

得功率更大而且耗能更多。不断的减小便携设备的尺寸，迫使电池生产商开发更小的电池。但是这必须以不牺牲使用使

用时间为前提的。将更多的能量包裹再一个包里，其他的一些特质通常就被牺牲了，其中一个就是电池寿命。

镍镉系电池被发现具有长的循环寿命和可预见的小内阻，但是，这种化学物质正在被替代，在那些能应用提供长的

使用时间体系的地方。另外，对公开的记忆现象和涉及废弃后的毒性的问题持否定的观点，使得生产商寻求其他的选择。

曾经作为超级电池体系而受到欢迎的镍氢电池已经不能提供21世纪所有的电池解决方案了，比期望寿命短，是主

要的问题所在。

以锂为基础的电池可能是最佳的选择，特别是在快速移动的商业市场。免维护而且可靠，由于锂离子电池能够提供

小型化和长的使用时间，使得它成为了很多领域的首选。但是这种电池体系也不是没有问题。即使是电池不使用时，相

对较快的老化作用限制了电池的寿命在两到三年。另外，限流保护电流限制了放电电流，致使锂离子电池不适合重负荷

要求的应用。锂离子聚合物电池也表现了与锂离子电池相同的特性。这种体系主要的突破性进展还没有取得。确实它能

够提供非常小的电池，但是这是以换取更小的能量密度来实现的。

随着今天技术的快速发展，不使用镍，铅和锂的电池体系会很快变成现实。燃料电池，能够通过连续的补充燃料而

不间断的工作，这可以解决未来便携能源的需求。用户使用瓶装的液体能量代替充电。这种电池或许真的可以改变我们

的生活和工作方式。

本电池知识论述主要针对最普通的消费者和工业上使用的镍镉、镍氢、铅酸和锂离子/聚合物电池。也包括可循环

使用的碱性电池来对比。为了清楚的原因，其他的可充电电池体系没有包含在里面。那些超乎寻常的和奇妙的新电池的

发明只能存在于实验室。其他的也许被用在特殊的应用领域，例如军事和航空上。因为本知识论述是针对非专业人士的，

所以希望尽可能的将事情简单化。

电池是什么时候发明的？

最近400年里，最重要的，最新颖的发现之一就是电的发现。有人会问：“电的发现有如此长的时间吗？”答案是肯

定的，而且或许更长。但是实际对电的使用仅仅是从18世纪中叶到晚期才被我们所支配，而且开始只是有限的方式应

用。例如，1900年的巴黎世界展览会上，最主要的具有吸引力的事情之一就是架在塞纳河上的电灯桥。

最早的产生电的方式是产生静电荷。在1660年，奥特.格里科创造了第一个电的装置，这个装置包括了一个大的硫

磺球，当旋转荷摩擦时，这个硫磺球能吸引羽毛和小纸片。格里科能够证明产生的火星真的是电的。

被认为第一次静电的应用是亚历桑的罗.伏特发明的所谓的“电手枪”，是一根电线放在充满甲烷气体的广口瓶里。通

过电线传送电火花，这个广口瓶就爆炸了。

伏特那时想使用这个发明来提供长距离的通信，虽然只是可以传递逻辑信号。一条用木杆支撑的铁线从意大利科摩

到米兰连接起来。在接收端的尽头，这条线放在在一个充满甲烷气体的广口瓶里。一个电火花通过这条线传送，引爆电

手枪，从而发出了一个信号。这种通信连接从未建立。

伏特通过电流电解水的发明导致了电化学的建立。

1791年，在博洛尼亚大学工作期间，加尔瓦尼发现了蛙的肌肉在被金属物体接触后发生了收缩的现象。这个现象

被成为生物电---—种误称，因为后来这个理论被证明了。在这些试验的鼓励下，伏特开始了一系列的试验，这些试验用

锌、铅、锡或者铁做正极。铜、银、金或者石墨做负极片。

1800年，伏特发现了当使用一定流体做导电剂促进金属之间或者电极之间的化学反应，可以产生连续的电流，这

导致了第一个伏打电池的发明，以及众所周知的伏打电堆，伏特进一步发现了当把伏打电池垒叠起来时，电压能增加。

同一年，伏特向伦敦的皇家社会发表了他的关于持续电流来源的发现，试验不再是被限制在持续不到一秒钟的火花

的短暂的显示，表面上无尽的电流现在是存在的。

法国是最先正式的认识到伏特的发现的国家之一，在当时，法国正在接近科学进步的高度，张开双臂欢迎新的想法，

以支持政治议程，通过邀请，伏特在法国研究院做了一系列的讲座，拿破仑.巴拿马作为研究院的成员出席了这些讲座。

伏特的发现给世界留下了如此深的印象，以至于1800年11月，他被法国国家研究院邀请讲座，拿破仑.巴拿马参

加了这些讲座。不久，拿破仑亲自进行了试验，从电池里引起火花，熔化了金属丝，进行了电手枪放电和把水分解成元

素。

新的发明出现了，安全矿灯的发明者哈姆菲.大卫爵士在伦敦皇家研究院的拱顶上安装了最大的而且能量巨大的电

池。他将电池与木炭电极连接起来制成了第一个电灯，据目击者称，他的电弧灯制造了“所见过的最炫丽的向上拱形的光”。

大卫最重要的研究工作致力于电化学的研究。在加尔瓦尼试验和伏打电池的发明之后，普遍的对化学产生的电流很

有兴趣。1800年，大卫开始对电流的化学效应进行试验，不久，他发现通过对一些物质通以电流，这些物质可以分解，

这个过程后来被称作电解。产生的电压与金属和电解液的反应有直接的关系。显然地，大卫猜想电解地行为和伏打电池

是相似地。

1802年，William Cruickshank博士设计了第一个可以大规模生产地电池。Cruickshank将正方形地铜片在底部与

同样大小的锌片焊接起来。将这些片放在一个长方形的木盒里，用黏合剂将它密封起来。盒子里的开槽可以使金属片固

定在一定的位置上。盒子里充满盐溶液或酸溶液的电解液。

不久以后，发现了第三种产生电的方式——磁力生电。1820年，André-Marie Ampère（1775－1836）发现通有电

流的电线有时能吸引另一根电线，而有时它们又是相排斥的。

1831年，迈科尔.法拉第（1791－1867）证明了当铜制圆盘在一个很强的磁场里旋转的时候，使怎样产生恒定电流

的。法拉第帮助大卫和他的研究团队成功的从一个线圈和永磁体之间的运动中产生出源源不断的电力。这就发明了发电

机。将这个过程反过来，就发明了电动机。从那以后的不久，变压器得到了发展，能够使电流转换称希望得到的电压。

1833年，法拉第发表了电化学的基础——法拉第定律，描述了电解池中的物质减少的数量。

1836年，英国化学家约翰.丹尼尔开发了一种改进型的电池，这种电池与伏特发明的电池比起来能够提供一个更加

稳定的电流。直到这时，所有的电池组都是由一次电池组成的，也就是说他们不能再充电。1859年，法国物理学家Gaston

Platé 发明了第一个可再充电电池。这种二次电池是以铅酸体系为基础的，今天也一直再使用。

英国化学家William Cruickshank开发了一种电池，是将锌片和铜片放在一个充满电解液的木盒子里。这种设计具

有使用时无需烘干以及可以提供比伏特电池更多的能量的优点。

进入1800年代末期，大的发电机和变压器被制造出来。输电线路架设起来了，产生的电被人们用来制造光，热和

动力。在20实际早期，电的使用更加的先进，真空管的发明能够产生的信号，使其放大和探测，从那不久以后，无线

电被发明了出来，使得无线通信成为可能。

1899年，瑞典人Waldmar Jungner发明了镍镉电池，这种电池使用镍做正极，镉做负极。两年之后，爱迪生做了

一个替换性的设计将镉用铁来代替，由于与干电池或者铅酸蓄电池比较起来相对高的材料成本，使得镍镉和镍铁电池的

实际应用收到了限制。

直到1932年Shlecht和Ackermann发明了烧结电极之后才取得一些巨大的进步。这些进步表现在更大的负载电流

和改良的寿命方面。只是在1947年Neumann成功的完全密封电池之后，密封镍镉电池才得以使用，就像我们今天所

了解的一样。

从很久以前开始，人们就对电有了依赖，没有电的技术进步是不可能的。随着移动需求的增加，人们的注意力转移

到了便携式能源储存——首先是轮子上的应用，其次是便携和最终穿戴上的应用。像早期的电池那样，即笨重又不可靠，

也许有一天我们的后代再看今天的技术时，就像我们现在是如何看待100年前我们的前辈们的笨拙的试验一样。

电池的发展历史

1600

1791

1800

1802

1820

1833

1836

1859

1868

1888

1899

1901

1932

1947

Mid 1960

Mid 1970

1990

1992

1999

2001

Gilbert (英国)

Galvani (意大利)

Volta (意大利)

Cruickshank (英国)

Ampère (法国)

Faraday (英国)

Daniell (英国)

Planté (法国)

Leclanché (法国)

Gassner (美国)

Jungner (瑞典)

Edison (美国)

Shlecht & Ackermann (德国)

Neumann (法国)

Union Carbide (美国)

建立电化学研究

发现生物电

发明伏打电池

第一个富液式电池

磁力生电

发表法拉第定律

发明丹尼尔电池

发明铅酸电池

发明 Leclanché 电池

完善干电池

发明镍镉电池

发明镍铁电池

发明烧结电极

成功密封镍镉电池

一次碱性电池开发

阀控铅酸电池开发

镍氢电池商品化

重复使用碱性电池商品化

锂离子聚合物电池的商品化

质子交换膜燃料电池的预批量生产

Kordesch (加拿大)

电池可能更悠久。有人认为，帕提亚人统治巴格达时期使用电池电镀银，据说埃及人在4300年以前就能向铜上电

镀锑。

电池化学物质

电池初学者经常认为现在使用的先进的电池体系能提供高的电流密度，进行1000次的充放电循环而且像纸一样薄。

这些属性的确是可以达到的——但是不是在同一只电池里，假设一只电池被设计成小型的和长的使用时间，但是它会受

到循环寿命的限制，另一只电池也许被做成经久耐用的，但是它可能会比较大而且容量较大，第三只电池或许有高的能

量密度和长的耐久性，但是对消费者来说会很昂贵。

电池生产商很明白的直到消费者的需求，而且通过提供最符合特别应用的电池作出了回应。移动电话行业就是这样

一个灵活反应的例子，在这个市场上，最重要的是小型化和高能量密度。寿命退居第二位。

提到电池里的镍氢物质，它本身不能保证高能量密度。例如，移动电话中使用的棱型的镍氢电池，被做成细长的形

状，只有60Wh/kg的能量密度。这种电池的循环次数也被限制在300次左右。与之对比，圆柱型的镍氢电池提供80Wh/kg

或者更高的能量密度，这种电池的循环次数是中等偏低，打算用在工业上的和电动汽车上的持续1000次放电到80％放

电深度的高耐久性的镍氢电池，包装成巨大的圆柱型，这些电池的能量密度大约是70Wh/kg.

同样的，用在国防上的锂离子电池的能量密度远远超过相同的商用电池。不幸的是，这些超高容量锂离子电池被认

为是不安全的，而且普通大众也是买不起的。

提到能量密度和循环寿命，本知识论述指的是中间的能合理的这种尺寸，能量密度，循环寿命和价格的商业电池，

不包括那些只有在受控环境中存在的电池。

化学物质的比较

让我们研究一下目前普遍使用的电池体系的优点和局限性。对它们的比较不仅从能量密度方面，而且从寿命、负载

特性、维护要求、自放电和操作成本方面。因为镍镉仍然是其他电池比较得基础，那么让我来评价一下这种典型电池的

可替代物质。

镍镉——成熟而且研究充分的物质，但是相对较低的能量密度。镍镉被用在长寿命，高倍率放电和经济实惠比较重要的

地方，主要的应用是双通道无线电，生物医药设备，专业摄录机和动力工具上，镍镉含有有毒金属，对环境并不友好。

镍氢——相对镍镉来讲有更高的能量密度但是是以降低循环寿命为代价的。镍氢不含有有毒金属，应用领域包括移动电

话和笔记本电脑。

铅酸——在对重量不是很关心的大型电源应用领域里是最经济的，铅酸电池对于医院设备，轮椅，应急灯和不间断供电

系统是最好的选择。

锂离子电池——增长最快的电池体系。锂离子应用于高能量密度和重量轻便为最主要的领域，锂离子比其他的体系要昂

贵一些而且必须遵循严格的操作指导以确保安全，应用领域包括笔记本电脑和蜂窝电话。

锂离子聚合物——一种可能的更低成本的锂离子。这种化学物质在能量密度方面和锂离子类似，它能制成细小的形状以

及可以用简单化的包装，主要用在移动电话。

二次利用碱性电池——代替可抛弃的家用电池，适合低功率应用，它的较低的自放电可以补偿有限的循环寿命，这种电

池可以用在随身娱乐设备和闪光灯上。

镍镉电池

碱性镍电池技术起源于1899年，Waldmar Jungner发明了镍镉电池。在当时，这种材料其他类型的电池比较起来

价格昂贵，因此，它的使用被限制在一些特殊的应用领域。1932年，活性物质被沉积在泡沫镍电极内部，1947年，开

始研究镍镉电池的密封问题，将充电过程产生的气体重新结合，而不是放出这些气体，这些进步导致了今天使用的密封

镍镉电池的出现。

相对于慢充和直流充电，镍镉电池更适合快速充电和脉冲充电。其他的电池更适合浅放电和中等程度的负载电流，

镍镉电池是一个强壮而安静的工人，艰苦的工作不会带来任何问题。事实上，镍镉电池是唯一的一种可以在严格的工作

条件下表现最好的电池类型。它不可能因为放在充电器上几天产生过充，而且不可能仅仅偶尔使用很短的时间。定期的

全放电是如此重要的，以至于如果忽略了，巨大的结晶将会在电池极板上形成（也称为“记忆”），镍镉电池将慢慢的丧

失其性能。

在所有的可再充电电池中，镍镉电池依然是一些应用领域最普遍的选择，例如双通道无线电，应急医疗设备，专业

摄录机和电动工具。超过50％的便携设备的可再充电电池是镍镉电池。但是，更高能量密度和更小毒性金属的电池的引

进，导致了从镍镉电池向新技术的转变。

镍氢电池

镍氢体系的研究开始于1970年代，当发明了镍氢电池如何储氢的方法之后。今天，镍氢电池主要用在人造卫星领

域，他们很笨重，包含高压钢罐，而且每一个价值成千上万美元。

在镍氢电池的早期试验阶段，储氢合金不能稳定的存在于电池环境下，而且达不到所期望的性能特征。结果，镍氢

电池的发展减缓下来。1980年代新的能够稳定的用于电池的储氢合金被开发出来，从1980年代末期，镍氢电池有了稳

定的提高，主要是能量密度方面。

高的能量密度和对环境友好的金属的应用驱使镍氢电池的成功。现在的镍氢电池能够提供比镍镉电池高40％的能

量密度，具有潜在的更高的容量，但是也有一些负面影响。

镍氢电池和镍镉电池都受到高的自放电的影响，镍镉电池在首个24小时之内损失10％的容量，此后自放电每月可

以消耗大约10％的容量。镍氢电池的自放电大约是镍镉电池的1.5倍到2倍。改进氢结合力和降低合金成分的腐蚀的储

氢材料的选择可以减少自放电的比率，但是却以较低的能量密度为代价的。

在一些早期通讯市场上，例如无线通信和移动电脑市场上，镍氢电池已经取代镍镉电池。在世界的很多地方，购买

者被鼓励使用镍氢电池代替镍镉电池。这是由于对废弃电池的随意处理的环境关注。

“镍氢电池在过去的几年得到了改良吗？”这个问题经常提到。专家们认为已经取得了相当多的进步，但是局限性依

然存在。大多数的缺点是镍基技术天生的，而且和镍镉电池一样。普遍的认为，镍氢电池是到锂电池的一个过渡。

最初，镍氢电池比镍镉电池昂贵，现在镍氢电池的价格已经下降，而且几乎是平价。这是通过大批量的生产可以做

到的。随着越来越低的镍镉电池的需求，这个价格将有下降的趋势。

铅酸电池

法国物理学家Gaston Planté1859年发明的铅酸电池是第一种商业化应用的可再充电电池。今天，批量生产的铅酸

电池用在汽车，铲车和大型不间断供电电源系统领域。

在1970年代中期，研发人员开发了一种免维护铅酸电池，可以用在任何位置，液体电解液转移进入湿的隔膜，电

池盒被密封起来，加上了安全阀以排除充放电过程产生的气体。

密封铅酸电池和阀控铅酸电池永远不能充到他们的满电压。不同应用的驱使，出现了两种铅酸电池，即密封铅酸电

池，以Gelcell品牌闻名，以及阀控铅酸电池。技术上这两种电池是一样的，至于什么时候从密封铅酸电池发展到阀控

铅酸电池，没有科学的解释。（工程人员会认为密封铅酸电池这个词是不准确的，因为没有铅酸电池可以完全的密封。

本质上，所有的都是阀控的）

密封铅酸电池有典型的容量范围，在0.2Ah到30Ah之间，从便携式电源到轮子上使用的。典型的用途是个人计算

机备用的UPS单元，小型应急灯单元，康复病人通风机和轮椅。由于低成本，可靠性和维护要求不高，密封铅酸电池

是生物医药和医疗设备以及养老院最好的选择。

阀控铅酸电池普遍的用在固定应用领域，他们的容量范围从30Ah到几千Ah之间，是用在大型UPS系统的备用电

源。典型的用途是移动电话中继器，电报中心，网络中心和公司，以及银行，医院，机场和军用设施的备用电源。

不同于富液式的铅酸电池，密封铅酸电池和阀控铅酸电池都设计成低过电势以阻止电池充电时达到析气电势，过充

电可能导致产生气体和水的消耗。因此，密封铅酸电池和阀控铅酸电池不能充电到满电压。

在目前的可再充电电池中，铅酸电池系列具有最低的能量密度。为了分析的方便，我们用密封铅酸电池来描述便携

用的铅酸电池，用阀控铅酸电池描述固定应用的，由于我们主要讨论的是便携电池，因此我们主要集中讨论密封铅酸电

池。

密封铅酸电池必须总是以充电态储存，它没有记忆效应，电池长时间的浮充充电不会引起损坏，电池的充电保持力

是所有的可再充电电池中最好的。镍镉电池的自放电经过三个月大约放掉储存能量的40％左右，密封铅酸电池放掉相同

的能量需要一年的时间。密封铅酸电池比镍镉电池的采购成本相对较低，但是如果要求反复的全循环，那么它的使用成

本可能要高于镍镉电池。

密封铅酸电池不适于快速放电——典型的放电时间是8到16小时，密封铅酸电池必须总是以荷电状态储存，将电

池置于放电状态下，会引起硫酸盐化，这种情况会使电池变得很难再充电。

不同于镍镉电池，密封铅酸电池不能深循环，完全的放电引起额外的损伤，每个充放电循环不可逆的消耗了电池

的一小部分容量。当电池正常工作时，这个损失很小，但是一旦下降到标称容量的80％以下，这种损失就变得很剧烈，

这种损耗特性对其他电池同样的适用，只是程度不同。为了防止电池由于反复的深度放电，造成的电池损伤，推荐使用

较大的密封铅酸电池。

根据放电深度和使用温度，密封铅酸电池提供200到300次的充放电循环，它相对较短的循环寿命的主要原因是正

极板栅的腐蚀，活性物质的损耗以及正极板的膨胀。这些变化在较高的操作温度下是非常普遍的，用充放电循环不能防

止或者消除这种趋势。

这是一些提高密封铅酸电池性能和延长寿命的方式，阀控铅酸电池的最适宜使用温度是25℃（77℉）。简单的规

则，温度每升高8℃（15℉），电池的寿命将减小一半，阀控铅酸电池在25℃时将持续10年，如果在33℃（95℉）下

使用时仅能正常使用5年，相同的电池在42℃（107℉）下能坚持一年多一点。

密封铅酸电池与其他可再充电电池比较具有相对低的能量密度，使得它不适合那些要求紧凑尺寸的手持设备。另外，

低温性能很差。

密封铅酸电池以5小时率放电或者0.2C放电，一些电池甚着用20小时率放电，较长的放电次数导致较高的容量

读数。密封铅酸电池大电流放电性能很好，在这些高倍率放电中，放电倍率将超过1C。

报废方面，密封铅酸电池比镍镉电池的危害性小，但是高的铅含量使得密封铅酸电池对环境不友好，90％的铅酸电

池正在被回收。

锂离子电池

锂电池的最先的工作开始于1912年，由进行的，但是，直到1970年代的早期，第一个不可充电锂电

池才商品化。在随后的1980年代，试图开发可充电的锂电池，但是由于安全问题失败了。

锂是所有金属中最轻的，有最大的电化学势，能提供最大的单位质量的能量密度。可再充电电池使用锂金属阳极（负

极）能提供高电压和较好的容量，因而能提供非常高的能量密度。

1980年代对可再充电电池的进行了许多研究之后，发现循环导致了锂电极的变化。这些变化，是正常的破损的一

部分，降低了热稳定性，导致了潜在的热量放出情况。当这种情况发生时，电池的温度迅速的接近锂的熔点，引起了所

谓的“喷火”的激烈的反应。1991年，在一个手机电池放出燃烧的气体，造成使用者面部烧伤之后，大量的运往日本的可

再充电锂电池被召回。

由于锂金属内在的不稳定性，特别时充电时，因此研究转向了一种使用锂离子的非金属锂电池。尽管比锂金属电池

有些低的能量密度，但是锂离子更安全，在充放电时提供一定的预防是适合的。1991年，索尼公司商品化了第一只锂

离子电池。其他的生产商紧跟其后。今天，锂离子是增长最快的，而且最有前途的电池化学物质。

锂离子电池的能量密度是标准的镍镉电池的两倍。电极活性物质的改进使能量密度可能增长到镍镉电池的三倍。除

了高容量之外，负载特性相当好，而且放电特性方面与镍镉电池相似（相似的放电曲线的形式，但是电压不同）。放电

曲线平台提供了存储能量在期望的电压范围的有效利用。

锂离子电池是不怎么需要维护的，这是其他大多数物质不具备的优点。没有记忆效应，也不需要定期的循环来延长

电池寿命。另外，自放电比镍镉和镍氢的一半还要少，这就使锂离子非常符合现代的使用标准。

锂离子电池的高电压，使得生产商可以只使用一只电池包装。今天很多的移动电话的电池包只是有一个单独的电池

在工作，这个优点可以简化电池的设计。提供电子应用的电压已经绰绰有余，因此轮到每个电池组只要较少的电池即可。

为了维持相同的功率，需要更高的电流。这就强调了允许电流不受限制地通过地低的电池电阻的重要性。

化学物质地改变——在最近地几年，几种类型地锂离子电池已经出现，具有一个共同的地方——锂的口号。尽管外观上

明显的相似，但是锂基的电池普遍的改变。这里主要针对普遍用在商品化产品上的锂基电池。

索尼最开始的锂离子电池使用炭，一种煤的产物，作为负极。自从1997年，大多数的锂离子电池（包括索尼的）

已经转到使用石墨了，这种电极提供了一个与炭电极比起来更加平滑的放电电压曲线，而且在放电结束时的台阶很明显。

结果，石墨体系放出储存的能量只要放到3.0就可以了，而炭的电池必须放到2.5V才能得到类似的工作时间。另外，

石墨型的电池比炭型电池能够放出更高的放电电流，而且在充放电过程中依然温度较低。

对于正极，两种截然不通的化学物质已经出现。他们是钴和尖晶石（也就是锰）。但是，钴使用的时间较长，尖晶

石天生的比较安全以及在滥用时更加宽容。移动电话用的小型的棱型尖晶石电池组可能只包含有一个热熔丝和温度感应

器。除了在简化的保护电路上节省成本之外，尖晶石原材料的成本比钴的低。

石墨型的锂离子电池仅需要放到3.0V，而炭型电池必须放到2.5V才能达到相同的性能。

能量密度 (Wh/kg)

安全性

钴

140

1

锰 (尖晶石)

120

1

当过充时，钴电极提供的多余的锂能够形成金属锂，如当过充时，锰电极放出引起电池发热的锂。对于小型的

果没有保护电路会导致潜在的安全危险。 由一两只电池构成的电池组，安全电路可以省掉。

高于40°C容量损失。更高温度不能持久。 温度特性

老化

宽的温度范围。非常适合高温下操作。

可以短期储存。内阻随着时间变大。更新型的电池可以存储期稍短于钴的。在电池使用期内，内阻变化较小。

更长时间储存。 由于不断的改进，储存时间很难预知。

或许比钴更短

原材料比钴的低30％。简化的保护电路具有成本优势。

预期寿命

成本

三百次循环，五百次循环达到50％的容量。

原材料相对较高，保护电路又增加了成本。

锰天生的更安全而且对滥用更宽容，但是它的能量密度稍低。锰在超过40℃时容量损失，而且比钴老化快。

基于目前的一代18650电池，能量密度趋于比圆柱型电池要低一些。

金属、化学物质和添加剂的选择可以在高能量密度，长的储存时间，延长循环寿命和安全性之间平衡这种必须的替

代，高的能量密度可能相对容易的达到。例如，在钴里掺杂镍可以提高安时率，降低生产成本，但是却使电池更加不安

全。然而一件新的公司可能会比较重视高的能量密度以期很快的获得市场的认可，安全，循环寿命和储存性能可能会被

折衷。负责任的生产商，例如索尼，松下，三洋，莫里能源和Polystor把安全看得很重要，管理机构确保只有安全的电

池才会被卖给公众。

锂离子电池与铅和镉基电池比较起来，在处理时引起的危害较少。在锂离子家族里，尖晶石在废弃方面是最友好的。

尽管锂离子具有以上的优点，但是，它依然有它的缺点。它比较易碎，而且要求一个保护电路以维持安全操作。在

每个电池包装里都有一个保护电路，它可以限制充电时的峰值电压，也可以防止放电时电池电压下降的太低。另外，也

限制最大充放电电流和控制电池温度以防止温度急剧升高。由于有这些适当的预防措施，过程导致的金属锂的析出的可

能性就实际上被消除了。

老化涉及到大多数的锂离子电池。不知道是什么原因，电池生产商对这个问题总是沉默的。无论电池是否使用，一

些容量衰减在一年后是显而易见的。超过两到三年，电池通常就失效了。必须提到的是其他的化学物质也具有与老化有

关的效应。特别是对于镍氢电池，当它暴露在高温环境中时。

将电池储放在阴凉处可以减缓锂离子电池的老化过程（其他化学物质的也是）。生产商推荐的储存温度是15℃（59

℉）。另外，电池储存时应该仅仅部分的充电。

延长锂离子电池的储存是不推荐的。当然，电池组应该经常更换。购买者在采购一个替代的锂离子电池时，应该注

意到生产日期。不幸的是，这些信息通常是以一串密码似的数字喷码的，只有生产商能够使用它。

生产商不断的改进锂离子电池的化学物质。每六个月就尝试一种新的更强的化学化合物。如此快的改进进程，使得

评估改进的电池的寿命和长期储存后它的性能就变得很困难。

成本分析——在成本能量比方面最经济得锂基电池是使用圆柱型18650电池组成得电池组。这种电池稍微有点大但是适

合于便携应用，例如移动处理器。如果要求更细小的电池组（比18mm还要薄），棱型得锂离子电池是最佳选择。与18650

型电池比起来，它的每一重量和尺寸的能量密度没有或着很少的增加，但是成本却超过了两倍。

如果需要极细小的电池（小于4mm），最好选择锂离子聚合物电池。在能量成本方面，这也是最贵的选择。锂离

子聚合物与其他普通的锂离子体系比起来并不能提供预计的能量的增加，而且也无法与18650的耐久性相比较。

锂离子电池的优点和局限性

优点 高能量密度——潜在的更高容量

相对较低的自放电——自放电比镍镉和镍氢电池的一半要小。

低的维护要求——不需要定期的自放电，没有记忆效应。

局限性 需要保护电路——保护电路限制电压和电流。如果不受激，电池是安全的。

受老化影响，即使不使用时——电池储存在阴凉处以及40％的荷电状态能降低老化效应。

较低的放电电流。

受运输规则限制——锂离子电池的大批量的运输会受到控制法规的限制。这个限制不适用于个人携带电池。

生产成本昂贵——比镍镉电池的成本大约高40％。更先进的生产技术和更低成本稀有金属的替代可能降低电池价格。

不完全成熟——金属和化合物的变化会影响电池的测试结果，特别是用一些快速测试方法。

注意：锂离子电池具有高能量密度。使用和测试时小心操作。禁止短路、过充、碾压、跌落、毁伤、刺穿、反极使

用，高温暴露或者拆开。只能使用带有指定保护电路的锂离子电池。电池滥用导致的高温能够引起身体损伤，电解液易

燃，破损可能导致爆燃。

锂聚合物电池

锂聚合物自身区别于其他电池体系的地方是使用的电解液类型。最早的设计追溯到1970年代，仅仅使用了一种干

的固体聚合物电解液。这种电解液类似塑料状的薄膜，它不能导电但是可以允许离子交换（带电原子或者是原子团），

聚合物电解液代替传统的被电解液浸润的多孔隔膜。

谈到制造，耐久性，安全性和瘦小的几和外形，凝胶态或固态的聚合物设计提供了简单化。因为不使用液态的或者

凝胶态的电解液，所以不会有燃烧的危险。

测量一个电池的厚度像一毫米那样的小，设备设计人员只能在形态，形状和尺寸方面进行他们自己的想象。创造一

些这样的设计是有可能的，例如，构成保护外壳的一部分，以可以卷起来的垫子的形状，或者是内置在一个可移动的盒

子里或者衣服的一角。这些创新的电池依然需要很多年以后，特别是商业化时。

不幸的是，凝胶态或固态锂聚合物的电导很差。内阻太高，而且不能放出现代通信设备启动时所需要的电流和使移

动电脑硬盘旋转起来。尽管加热电池到60℃（140℉）和更高的温度，可以增加电导达到可以接受的水平，但是这种要

求不适合商业上的应用。

对开发室温下工作的干的凝胶态或固体锂聚合物电池的研究仍在继续，凝胶态或固体锂聚合物型号在2005年开始

进行商业化应用，它比今天使用的液态锂离子电池更稳定，并能够进行1000次的全循环和有更高的能量密度。

同时，一些锂聚合物被用作热带气候的被用电池。一家生产商已经加上了加热的元件，可以一直保持电池在电导温

度范围内。这样的电池在特定的应用上表现的很好，因为高温环境不影响电池的循环寿命，而在同样的条件下，会影响

阀控密封铅酸电池。

为了使小的锂聚合物电池更好的导通，加入一些凝胶电解液。今天用在移动电话的大多数的商品化的锂聚合物电池

是混合的包含凝胶的电解液。这种体系的正确的叫法是锂离子聚合物。为了宣传的原因，大多数电池生产商将电池简单

的标为锂聚合物。因为混合的锂聚合物是今天便携应用的唯一的正在使用的聚合物电池，所以我们将把注意力放到它上

面。

加入凝胶电解液，锂离子和锂离子聚合物有什么不同呢？尽管这两种体系的性能和特性很相似。但是锂离子聚合物

是唯一的使用固体电解液的，取代了多孔隔膜，简单的加入凝胶电解液为了增加离子导电性。

技术上的困难和批量生产的推迟已经延缓了了锂离子聚合物电池的进入。就像一些批评家所说的，这种延缓是由于

锂离子电池仍然是摇钱树。生产商已经在锂离子的研究，开发和批量生产设备上投入了大量资金，现在企业和股东都想

看到他们投资的回报。

另外，锂离子聚合物的具有前途的优势还没有被意识到。容量增加方面的进步还没有达到——事实上，它的容量比

标准的锂离子电池稍微的低一点。目前而言，锂离子聚合物电池没有成本优势。然而，细小外观要求迫使移动电话生产

商在他们新一代的手机上使用这种有前途的技术。

尽管如此，锂离子聚合物的一个优点就是包装简单，因为电极很容易堆叠。正在使用的是类似于食品工业上用的箔

包装，还没有详细的电池尺寸标准公布。

锂离子聚合物电池的优点和局限性

优点 非常小的外观——类似信用卡的大小的电池是有可能的。

灵活的形状——生产商不受标准电池形式的约束。具有大体积的任何合理的尺寸都可以被制造出来。

重量轻——凝胶电解液相对液态电解液能简化包装，很多情况下可以去掉金属壳。

改进的安全性——更加耐过充，电解液的泄漏几率较小。

局限性 与锂离子电池比较，低能量密度和循环次数低——存在改进的潜力。

生产成本高——一旦批量生产，锂离子聚合物具有更低成本的潜能。减少控制电路可以抵消较高的生产成本。

二次使用碱性电池

对碱性电池的再充电的想法并不新鲜。尽管生产商不允许，但是普通的碱性电池已经在公众家里再充电有很多年了。

然而只有电池已经放电到容量小于总容量的50％以后，再充电是有效的。再充电次数独立地取决于放电深度，最好是限

制在一定次数。随着每次充电，越来越少地容量可以再生。然而，这里有一个注意事项，给普通地碱性电池充电可能产

生氢气导致电池爆炸。所以，无人坚守地给碱性电池充电是危险的。

相比较，二次使用碱性电池就是被设计成反复充电的。每次再充电，它损失很多充电能力，二次碱性电池的寿命与

放电深度直接相关，放电越深，电池能够维持的循环次数越少。

Cadex进行的AA二次碱性电池的测试显示第一次放电之后的容量很高。事实上，它的能量密度与镍氢电池的相似，

当放完电的电池随后用生产商提供的充电器再充电时，二次碱性电池达到60％的容量，稍低于镍镉电池。用同一种方式

重复的循环，造成每次循环都损失部分容量。在测试中，放电电流调整到200mA（0.2C或五分之一倍率），放电终止

电压设为1V。

二次碱性电池体系的另一个限制是400mA的低负载电流能力（低于400mA性能更佳）。尽管对于AM/FM收音机，

CD播放机，单放机和闪光灯来说，二次碱性电池已经够用了，但是400mA对大多数移动电话和视频相机不能提供动力。

二次碱性电池是比较便宜的，但是与镍基的可充电电池比较，每循环成本比较高。1500次循环的镍镉电池每循环

0.04美元，而10次全放电循环的二次碱性电池每循环成本0.5美元。在很多应用领域，这种看似高的成本与只能使用

一次的不可循环碱性电池相比仍然是很经济的。如果二次碱性电池在再充电之前只是部分地放电，那么循环寿命地提高

是有可能的，50％的放电深度，可以达到50次循环。

为了比较标准碱性电池和二次碱性电池的使用成本，进行了一项医用闪光灯电池的研究。通过应用二次碱性电池，

使用闪光灯的低亮度单元仅仅偶尔能够达到测量的节省。另一方面，连续使用闪光灯的高亮度单元不能达到相同的结果。

更深的放电和更频繁的再充电，减少了它们的寿命，抵消了比标准碱性电池所具有的成本优势。

概括起来，标准的碱性电池提供了最大的能量密度，而二次碱性电池具有允许多次充电地好处，二次碱性电池的不

足之处在于第一次再充电之后地电荷接受能力地损失。

二次碱性电池的优点荷局限性

优点 便宜而且使用简便——可以作为不可充电一次电池的直接代替品。

比不可充电电池更加经济——允许多次充电。

自放电低——可以作为被用电池储存10年。

对环境友好——不使用有毒金属，电池废弃较少，减少垃圾。

免维护——不需要循环维护，没有记忆效应。

局限性 操作电流限制——适合于轻型应用，例如便携式家庭娱乐，手电筒。

有限的循环寿命——最好是在电池容量变得很低之前充电。

超级电容器

超级电容器类似常规电容器，除了它能以很小地尺寸提供很高的电容。能量的存储是以静电荷的方式，使用正极和

负极板之间的电压差来给超级电容器充电，这个概念优点类似于走在地毯上产生电荷。接触地面物体，可能放出能量。

超级电容器的概念已经有很多年了，而且已经在一些特殊的领域进行了应用。

常规电容器包含有导电箔和干的隔膜，而超级电容器是届于电容器和电化学电池之间的。它使用特殊的电极和一些

电解液，这里有三种电极材料适合超级电容器，即，高表面积活性炭，金属氧化物和导电聚合物。使用高表面积活性炭

的超级电容器是生产成本最低的，这种体系也叫做双层电容器，因为能量是储存在靠近炭电极表面形成的双层中的。

电解液可以是水溶液或者有机的，水溶液电解液提供低的内阻，但是电压限制在1V，与之对比的是，有机电解液

允许2到3V的充电电压，但是内阻较大。

为了使超级电容器能够用在电子电路中，较高的电压使必须的，串连电池可以达到这个要求，如果将多于三个或四

个的电容器串连起来，必须使用电压平衡装置防止任何一个电池达到过压。

一个电容器所含能量的多少可以用微法或者μF. (1μF = 0.000，001 farad)度量。小的电容器用纳法（比1μF小1000

倍）和皮法（比1μF小一百万倍），超级电容器是以1法或着更高为单位的。重量能量密度为1到10Wh/kg，这个能

量密度与电解质电容器比起来高一些，但是比电池要低一些。相对低的内阻提供了良好的导电能力。

超级电容器提供的能量大约是镍氢电池的十分之一。电化学电池放出相当稳定的电压在有效的能谱内，然而超级电

容器的电压是线性的而且从满电压降到0V，不具有大多数化学电池的惯常的电压平台曲线特征。由于线性的放电，超

级电容器不能放出所有的电荷，充电比率依靠应用要求的电压。

例如，如果一个6V的电池在设备切断前被允许放电到4.5Ｖ，那么超级电容器在放电的第一个四分之一时间内就

可以达到这个极限值，剩余的能量进入了不可用的电压范围。一个直流对直流的转换器被用来提高电压范围，但是这个

选择增加了成本并且引起了10％到15％的效率损失。

最普通的超级电容器应用是存储备份和被用电源，在一些特殊应用领域，超级电容器可以作为电化学电池的直接替

代。另外还用来虑波和整平脉冲负载电流，例如，超级电容器可以改善电池的操作电流，在低负载电流时，电池给超级

电容器充电。当需要高的负载电流时，这个储存的能量就可以释放出来，这可以增加电池的性能，延长工作时间，甚者

延长电池寿命。超级电容器将会在便携式燃料电池的补偿一些体系的缓慢性能以及增强峰值性能方面找到预期的市场。

如果作为电池的增强器使用，超级电容器可以被放在便携设备内部或者横放在电池组正负极极耳之间，如果放在设

备内部，需要作出规定，限制当设备开启时的最高流入电流。

低阻抗超级电容器可以在几秒钟之内充电。这个充电特性与电化学电池的类似，初始充电是相当快的，最高充电需

要一些额外的时间。充电方式方面，超级电容器类似与铅酸电池，当设置的电压限制达到时，全充电完成，与电化学电

池不同的是，超级电容器不需要全充电检测电路，超级电容器也可以慢慢连续充电。

局限性就是不能使用全部的能量——取决于应用，不是所有的能量都是可用的，低能量密度——拥有电化学电池的

五分之一到十分之一的能量，低压——要获得更高电压需要串连，如果三个以上的电容器串连时需要电压平衡器，高的

自放电——它的自放电被认为要比电化学电池高的多。

超级电容器的有缺点

优点 实际不受限制的循环寿命——不受限于电化学电池所经历的磨损和老化。

低阻——通过与电化学电池并联增强了操作脉冲电流。

快速充电——低阻超级电容器充电在几秒钟内。

简单的充电方式——电压限制电路补偿了自放电，不需要全充电检测电路。

节省成本的能量储存——低能量密度通过很高的循环次数补偿。

局限性 不能使用全部能量——取决于应用，不是所有的能量都可以应用。

低能量密度——是电化学电池能量的五分之一到十分之一。

低压——要获得更高的电压需要串连使用。

如果多于三个电容器被串连，需要使用电压平衡装置。

高自放电——自放电被认为比电化学电池高很多。

电压限制电路可以补偿自放电，超级电容器能够不受时间限制的充放电，与电化学电池不同，循环很少引起磨损和

破损。

实际上，超级电容器的自放电比电化学电池的要高很多。有机电解液的超级电容器的电压从满电降到30％的水平

在短短的10小时即可。

其他的超级电容器可以较长时间的保持充电的能量。根据这些设计，容量在10天内可以从满电降到85％，30天

电压降到65％，60天后降到40％。

电池组

在1700和1800年代，电池是包装在玻璃的广口瓶里的，不久，大型的电池被开发出来了，使用木质容器，内部

经过密封处理以防止电解液的泄漏，随着便携的需要，圆柱电池出现了，二次世界大战之后，这些电池成了更小的可充

电电池的标准形式。

降低尺寸要求更小的而且更紧凑的电池设计。1980年代广受欢迎的纽扣电池，是最先尝试达到合理的扁平的几何

形状，或者是通过叠层在紧凑的形状下获得更高的电压，现在的袋装电池是随着1990年代早期产生的棱型电池出现的。

这一章针对电池的设计，包装结构和内在安全设施。为了与便携一致，这里仅仅针对用于便携电池组的较小的电池。

圆柱电池

圆柱电池一直是应用最广的包装类型。它的优点是生产简单，有良好的机械稳定型，圆柱能够承受很高的内压。当

充电时，镍镉电池的内压能达到1379千帕或者200磅每平方英寸。在圆柱的一端装有一个排气系统，如果电池的压力

达到150到200磅每平方时，开始排气。

正负极片一起卷在一个金属圆柱上。正极片是烧结的填充氢氧化镍的，负极片是图有镉活性材料的，被电解液浸润

的隔膜使两个几片割开。

圆柱电池价格适中而且具有高能量密度。典型应用在无限通信，移动电脑，生物医药设备，电动工具和其他不需要

极小型号的应用。

圆柱电池最多的是镍镉电池。一种好的圆柱电池也可以用在镍氢上，特别是在更小的电池形状上。除了圆柱形状，

镍氢电池同样还有棱型包装。

锂离子电池只是有限的型号用圆柱的，最常见的是18650。18表示直径18mm，650指长度。18650电池的容量

在1800到2000mAh。更大一点的26650电池，直径26mm，容量3200mAh。因为锂离子聚合物的平的几何形状，这

种电池物质不能用在圆柱电池里。

大多数密封铅酸电池都是棱型的，所以使用塑料制成的矩形盒子。然而，也有一些密封铅酸电池通过与传统电池类

似的卷绕技术，采取了圆柱型设计的优点。这种圆柱型HawkerCyclone密封铅酸电池据说能改善电池稳定性，比传统

的棱型设计具有更高的放电电流和更好的温度稳定性。

圆柱电池的缺点是空间利用率不高。当把电池堆叠在一起时，空隙就形成了。由于固定的电池尺寸，电池包装必须

按照可用的电池尺寸设计。

几乎所有的圆柱电池都装有排气装置，以一种有序的方式排除多余的气体。镍基电池起作用的是可重新密封的排气

口，而许多圆柱锂离子电池则包含一个薄膜密封垫，在压力超过3448千帕时可以破裂，密封垫破损前通常有严重的臌

胀发生，只有极端情况下才能排气。

纽扣电池

纽扣电池的开发使电池包装小型化而且解决了堆叠问题。今天这种构造被限制在小的专门的市场领域。不可充电纽

扣电池仍然很受欢迎，在手表，助听器以及内存备份领域仍然可以发现它的身影。

可充电纽扣电池的主要的应用领域是比较老的无线电话，生物医药设备和工业工具。尽管小的设计和生产生本低，

但是主要的缺点是充电太快了造成臌胀。纽扣电池没有安全阀，只能以10到16小时率充电，新的设计要求快速充电能

力。

纽扣电池尺寸小而且堆叠容易，但是不允许快速充电。硬币电池，外观很相似，通常是锂基的，而且不可充电。

棱型电池

棱型电池是为了满足消费者对于更薄的包装尺寸的要求开发的。1900年代早期引入的棱型电池在堆叠时可以最大

限度的利用空间。窄的且精致的电池类型可以适应今天细小的几何形状，棱型电池主要用在移动电话领域。

棱型电池大多数是锂电家族，锂离子聚合物都是棱型的，锂离子聚合物电池不是具有全部的电池尺寸。一个主要的

生产商也许可以一种或多种尺寸的适应于一定的便携设备，例如移动电话。当这些电池批量的生产时，其他的电池生产

商紧随其后以具有竞争的价格提供相同的电池。比如：棱型电池是383450和503450。单位mm，34表示宽度3.8或

5.0表示厚度，50表示电池长度。

棱型电池提高了空间利用率，允许更灵活的包装设计。这种电池结构与相同的圆柱型电池比起来不具有成本效益，

而且能量密度稍微偏低。Polystor公司设计，2001年3月。

一些棱型电池尺寸上是类似的，除了一小部分的不同。例如松下的34mm×50mm，6.5mm厚电池。如果对于特定

的应用能够多增加几立方毫米，生产商为了更高的容量会这么做的。

棱型电池的缺点是比同样的圆柱型电池稍微偏低的能量密度。另外，棱型电池的生产成本较高，而且不能提供圆柱

电池所具有的一些机械稳定性。为了防止压力产生的臌胀，容器使用硬的金属。生产商在设计电池包装时允许一定的臌

胀程度。

棱型电池只有有限的尺寸和化学体系，而且容量从大约400mAh到2000mAh或者更高一点。由于移动电话需要大

量的棱型电池，因此棱型电池适合特定的型号。大多数棱型电池没有排气系统，一旦压力升高，电池开始臌胀，正确的

使用和适当的充电，不会导致臌胀。

软包装电池

当1995年软包装电池的概念被提出时，电池设计取得了具有重要意义的进步。不需要使用昂贵的圆柱金属和玻璃

液的引线来绝缘相对的两极，正负极板可以用热封膜有韧性的密封。包括导电的极耳薄片的电接触点与电极焊在一起，

而且与软包装材料密封在一起。图3－4是软包装电池图解。

软包装电池可以裁切，从而能够更精确电池尺寸。它能最有效的利用可用空间，达到90％到95％的包装效率，是

所有电池包装中最高的。由于不存在金属罐，软包装电池具有更轻的重量，主要用在移动电话和军事设施上，不存在标

准的软包装电池，但是相反的，每个生产商都建立了专门的应用。

软包装电池被广泛的用在锂离子和锂离子聚合物体系上。目前，这种电池结构的生产成本还比较高，而且它的可靠

性还没有完全的证明。另外，它的能量密度和负载电流比传统的电池设计稍微偏低。每天应用的循环寿命没有充分的证

明文件，但是目前，比传统电池设计的锂离子体系要小一些。

软包装电池的一个值得批评的事情就是当充放电过程产生气体时会发生臌胀。电池生产商坚持认为锂离子电池或者

聚合物电池在适当的条件下不会产生气体，这些条件是用正确的电流充电，维持在规定的电压水平。当为软包装电池设

计保护外壳时，必须作出一些臌胀的规定。为了在使用多个电池时减少臌胀的发生，最好是不要堆叠电池，而是将他们

并排放置。

软包装电池提供了一个简单的灵活的和轻便的电池设计的解决方案。这个新的方式还没有完全成熟，而且生产成本

仍然较高，软包装电池很容易弯曲，必须避免点压，保护外壳必须设计成保护电池免受机械重压。

串连和并联结构

在很多情况下，单独的一只电池不能提供足够高的电压，因此需要几只电池串连。电池的金属外壳被绝缘以防止相

邻的电池发生短路造成电池圆柱发热。

镍基电池可以提供正常的1.25V电压，铅酸电池的电压2V，大多数锂离子电池的是3.6V，尖晶石和锂离子聚合物

体系有时用3.7V作为标称电压，这就是经常出现新电压的原因，例如11.1V需要三个尖晶石电池进行包装。

镍基电池经常标为1.2V，1.2V和1.25V没有区别，只是根据生产商的喜好进行标识。商业上的电池趋向于标1.2V，

而工业上，航空和军事上的电池仍然标识原来的1.25V。

5只镍基电池可以放出6V（1.25V标识则为6.25V）六只电池7.2V（1.25V标识则为7.5V）。便携式铅酸电池以3

芯（6V）和6芯（12V）的形式。锂离子系列的单只电池3.6V，两只7.2V或者是三只10.8V。3.6V和7.2V的电池通

常用在移动电话上，笔记本电脑用更大的10.8V的电池组。

这里有一种针对轻的便携式设备向更低电压发展的趋势，例如移动电话。通过微电子方面的进步这是有可能实现的。

为了在更低电压下达到相同的能量，更高的电流是必须的。要有更高的电流，低的电池内阻是很重要的。如果使用保护

装置，这就出现了挑战。通过保护装置的固态开关产生的损失是不能避免的。

较少的串连电池组成的电池组性能要优于那些12只或者更多电池组成的电池组。就像一条链条，连接的越多，断

开的几率就越大。更高电压的电池，精确的电池匹配是很重要的，特别是在高的负载电流或者低温下操作时。

并联可以用来获得更高的安时率。如果可能，设计人员更愿意使用更大的电池，这可能并不总是可行的，因为新的

电池化学物质收到尺寸限制。通常，并联是增加电池倍率的唯一的选择，如果包装尺寸严格的限制大电池的使用，那么

并联也是必须的，在这些电池化学物质中，锂离子本身是最适合并联的。

保护电路

大多数的电池包装都包含一些类型的保护，以保护电池和设备的安全。最普通的保护就是如果有超高的电流，保险

丝会断开。一些保险丝是永久断开的而且一旦保险丝断了，就致使电池不能使用了，另一些保险丝是基于Polyswith

TM

，

类似于一种可重置的保险丝。在过电流时，Polyswith

TM

会产生一个很高的电阻，阻止电流的通过。当情形正常化之后，

电阻的开关又回到低导通位置，允许正常的操作继续进行。晶体开关同样被用来切断电流。晶体开关和Polyswith

TM

在

正常的操作时都有残留电阻，致使电池内阻有稍微的增加。

更加复杂的保护电路用在本身已经安全的电池上。这些电池被用在双通道无线电，气体检测和其他的例如炼油和活

动谷仓等一些危险领域使用的电子设备上。电子设备在那些含有易爆气体和高浓度的粉尘的地方操作时发生故障，本身

安全的电池会阻止爆炸的发生。保护电流防止过电流导致的高温和电火花。

这里有几种内在安全标准，每一种对应特定的危险标准。内在安全的要求国与国之间是不同的。本身安全的电池的

采购成本是常规电池的两到三倍。

电池行业里，商品化的电池包装包含一个最精确的保护电路。这些电路确保电池在用户手中时在所有的情况下都是

安全的。如果充电电压达到4.3V时或者电池温度达到90℃（194℉）保险丝启动时，FET就会启动。另外，电池里的

切断开关在电池超过安全压力极限1034千帕时永久的切断充电电流。为了保护电池免遭过放电，控制电路在低压时，

典型的是2.5V，切断电流通路。

锂离子通常是放到3V，最低的切断低压是2.5V。然而在延长的储存期里，在切断电压下的放电是有可能的。生产

商推荐连续的小电流充电使这种电池慢慢的恢复到可接受的电压范围。

不是所有的充电器被设计成一旦锂离子电池降到2.5V以下时可以给其充电。需要激活的驱动来首先激活电子电路，

这样之后才能慢慢的给电池再充电，注意不要对长期处于低压的锂基电池进行激活处理使他恢复寿命。

并联组成的锂离子电池组的每个电池都需要独立的电压控制。串连的电池越多，保护电路变的就会越复杂，串连四

个电池就是商业应用上的极限了。

移动电话的内部保护电路在正常位置时，有50－100毫欧的电阻。这个电路通常包括两个串连的开关。一个负责

高切断，另一个负责低切断。这两个设备的组合电阻实质上成倍增加了电池组的内阻，特别是只使用一只电池的时候。

电池组给移动电话供电，必须能放出大电流脉冲。内部保护以一定的方式干预电流的放出。

一些小的尖晶石体系的锂离子电池组包含一个或两个电池，可以不需要电子保护电路。取而代之的是，使用一个单

独的保险装置。这些电池由于很小的尺寸和低容量，是相当安全的。另外，尖晶石比其他体系对滥用有更好的容忍度。

没有保护电路节约了成本，但是一个新的问题又出现了。

移动电话用户接到没有经过电池生产商许可的充电器。可用的低成本车用和旅行充电器依靠电池的保护电路来终止

全充电。没有保护电路，电池的电压升高的很快而且产生过充。表面上仍然安全的电池，经常发生不可避免的电池损坏。

这些情况下，通常形成发热和臌胀，这样的情况必须避免。生产商在质保下更换这些电池通常带来损失。

钴电极的锂离子电池要求完全的安全保护。如果静电或者缺陷的充电器破坏了电池的保护电路，就会产生主要的担

忧。这些破坏经常引起固体开关在正常位置的永久熔断，而没有引起使用者的注意。一个有缺陷的保护电路的电池可以

正常的工作，但是不能提供所要求的安全性。如果使用一个设计糟糕的附属充电器在安全电压限制之上充电时，电池会

发热，接着臌胀，有时会放出火。简单的说，这样的电池会很危险。

锂离子电池的生产商避免提到爆炸。放出火焰是公认的术语。尽管比爆炸的反应缓慢，但是放出火焰也是很激烈的，

而且对靠近的人也会产生伤害，同样它也会损坏与这个电池相连的设备。

大多数的生产商不自己卖电池，而是将他们置于电池包里，完善保护电路。当考虑到如果电池充放电超过安全限制

发生爆炸燃烧的危险时，这种预防是可以理解的。大多数装配了外壳的电池必须保证包装装置和保护电路可以被使用在

生产商许可它们销售之前。

适当的充电方式

很大程度的，可充电电池的性能和寿命取决于充电器的质量。电池充电器通常不是最先考虑的，特别是消费产品上。

选择一个质量好的充电器是明知的，特别是当考虑到电池更换的高成本和电池产生的差劲的性能表现。多数情况下，额

外投入的钱是可以收回的，因为电池可以使用的时间更长，而且性能更好。

关于充电器

电池充电器通常不是优先考虑的。这里有两种不同的充电器：个人用充电器和工业上充电器。个人用充电器以吸引

人的包装销售，而且随着移动电话，笔记本电脑和摄录机一起提供的，这些充电器价格上很经济，而且用在预期的应用

场所性能良好，个人充电器提供适合的充电时间。

相比较，工业上使用的充电器是为工人设计的，而且适应大量电池。这些充电器适合重复使用。可用的单排或者多

排结构的工业充电器由原始设备生产商提供。很多情况下，充电器同样可以从第三方生产商获得。OEM充电器满足最

基本的需求，而第三方生产商的充电器通常包含特殊的性能，例如，负极脉冲充电，电池检验的放电功能，和荷电状态

以及健康状态显示。许多第三方生产商准备生产少量的消费充电器，第三方供应商能提供的其他的利益包括创造性的定

价和出众的性能。

不是所有的第三方充电器制造商都能满足工业要求的质量标准，购买者以折扣价格采购充电器时，应该警惕可能的

质量和性能的的不足。一些可能不够强壮经受反复使用，另一些可能引发维护上的问题，例如烧焦或使电池接触处破损。

不受限制的过充电是一些充电器的另一个问题，特别是用在镍基电池的，充电和备用时的高温会损坏电池，过充电

发生在充电器使电池保持在一个接触起来发热的温度的时候。

充电和备用时的高温会损害电池，在给镍基电池充电时的一些温度的升高不能避免，当电池达到满电时，温度达到

峰值。当电池的完成指示灯显示时，温度必须缓和一下，电池转到涓流充电，最终电池应该冷却到室温。

如果温度不下降，而且依然在室温以上，充电器就表现的不正常。在这种情况下，电池应该尽可能快的在完成指示

灯亮起的时候被拿走。任何延长的涓流充电将会损伤电池，这种小心特别的应用镍氢电池，因为它不能很好的耐过充。

事实上，较高的涓流充电的镍氢电池能够冷却到可以触摸，但是依然处在破坏性的过充状态下，这样的电池的循环寿命

很短。

锂基的电池在充电器里应该不会发热的，如果发热，说明电池有问题了，或者是充电器没有适当的发挥作用，不要

继续是一能够这个电池或者充电器。

最好是将电池储放在架子上，而且使用前采取充满电，不要将电池放在充电器上好几天。即使用看起来正确的涓流

充电，镍基电池留在充电器上时也会产生枝晶（也成为记忆效应）。由于相对较高的自放电，使用前充满电时必要的。

大多数锂离子充电器允许没有造成损害的电池继续使用。

这里有三种镍基电池的充电器。他们是:

慢充电器——也称为通宵电器或者常规充电器，慢充电器在手机连接后使用0.1C的固定充电倍率充电。充电时间一般

在14到16小时。很多情况下，满电检测不能使电池在充电循环的最后转入更低的充电倍率，慢充电器很便宜只能用在

镍镉电池上。为了适合镍镉和镍氢电池，这些充电器被更先进的取代。

如果正确设置充电电流，慢充电的电池当充满电时，接触起来温度适中。在这种情况下，充好电的电池不需要被马

上拿走，但是也不能将它放在充电器上超过一天，电池充好电后越快的从充电器上取下越好。

如果一个小电池用大电池的充电器充电，会发生问题。尽管在开始充电的阶段充电器会性能良好，但是当超过70％

的充电水平之后，电池开始发热。由于没有预防措施降低充电电流或者终止充电，发热的危害，过充将在充电循环的第

二个阶段发生。如果没有可用的替换充电器，建议用户观察电池充电时的温度，当电池触摸起来发热时马上切断电池的

连接。

当使用专为小电池设计的充电器给大电池充电时，情况会相反。在这种情况下，永远不可能达到充满电，电池在充

电过程中不会发热，而且也不会发生预期的问题，镍基电池持续的充电不足将会最终由于记忆效应降低它接受满电的能

力。

快充电器——所谓的快充电器，或者迅速充电器，是最受欢迎的之一。在充电时间和价格方面介于慢速充电器和高速充

电器之间，充电时间3到6小时，充电倍率大约是0.3C，当电池充电结束时，需要充电控制来终止充电。设计良好的快

速充电器对于镍基电池要比慢速充电器好，如果他们没有发热也没有过充，使用更高的电流充电电池可以持续时间更长。

快速充电器不仅适用于镍基电池也适用于锂基电池，这两种电池通常不能交换使用相同的充电器。

高速充电器——高速充电器比其他充电器有几个优点，最明显的就是更短的充电时间。由于与慢速充电器比起来，需要

更大的动力支持和更贵的控制电路高速充电器的成本更高，但是这些投资通过它能提供长寿命的性能好的电池可以收回

来的。

充电时间取决于充电倍率，电池的单晶片系统，它的额定容量和化学物质。在1C充电倍率下，一个没有电的镍镉

电池需要一个小时多一点的充电时间。当电池完全充电时，一些充电器转换到一个在低充电电流下完成充电循环的计时

器控制的快充模式。一旦充满电，充电器跳到涓流充电。这个维持性充电是补偿电池的自放电。

现代的高速充电器通常适应于镍镉和镍氢电池。由于高速充电器的更高的充电电流和需要充电时对电池控制，所以

只对生产商指定的电池进行充电是非常重要的。一些电池生产商给电池电子喷码来区别他们的化学物质和额定容量。充

电器这时设置正确的充电电流和计算方法。铅酸和锂离子化学物质用不同的算法进行充电，而且与镍基电池的充电方法

不兼容。

镍基电池最好高速充电。众所周知，镍基电池慢速充电会产生枝晶，现象就是较低的电池性能和更短的循环寿命。

电池充电温度应该适中，而且电池温度的峰值持续的时间尽可能的短。

不推荐连续几天的将镍基电池放在充电器，即使是用正确设置的电流涓流充电。如果电池必须为了操作方便留在充

电器上，应该每月一次的进行循环训练。

简单的指导原则

给镍氢设计的充电器可以适用在镍镉上，但是反过来是不行的，专为镍镉电池制作的充电器可能会使镍氢电池过充。

虽然镍基电池的充电方式有多种，但是锂基电池充电器在充电方式和充电时间方面区分的更加详细。这部分地是由

于严格地充电制度和这些电池的电压要求所决定的。锂离子聚合物电池只有一种充电方式和所谓的特效充电器，声称能

恢复并延长电池寿命，其他的体系不存，但是也不是一种超高速充电解决方案应用。

锂离子的脉冲充电没有主要的优点，而且电压峰值给电压限制电路带来严重的破坏。虽然充电时间可以被缩短，但

是生产商认为脉冲充电会缩短锂离子电池的循环寿命。

高速充电方式不能明显的降低充电时间。超过1C的充电倍率应该避免，因为如此高的电流可能引起析锂。对于大

多数的电池组，超过1C是不可能的。保护电路限制了电池能够接受的电流的大小，锂基电池有缓慢的老化过程，所以

必须使它有足够的时间吸收能量。

铅酸电池充电器服务于工业市场，例如医院和康复设施。充电时间非常长而且不能被缩短。大多数铅酸电池充电时

间14小时。由于它的低的能量密度，这种类型的电池不能用在小型的便携设备上。

在以下的部分研究不同的充电需求和充电方式，不同充电器的充电技术通过试验确定为什么有的性能更好。自从目

前高速充电更甚于慢速充电，我们就开始关注设计优良的，闭环系统，这个系统可以与电池相联系，当从电池接受特定

的信号后，可以终止高速充电。

镍镉电池的充电

电池生产商推荐新电池在使用前进行慢速的24小时充电。慢速充电可以有助于电池组中的电池达到一个平均的荷

电水平，解决由于每个电池的自放电造成的容量的不同。在长期储存时，电解液由于重力的作用流向电池底部，开始的

涓流充电有助于将电解液重新分配，以补充隔膜上已经扩大了的干涸的地方。

一些电池生产商在电池发货前不完全的制成他们的电池。这些电池在消费者通过几次充放电循环之后才达到他们的

全部的能力，这些循环既可以用电池分析仪也可以通过正常使用。在许多情况下，需要50到100次的充放电来完全的

制成一个镍基电池。高品质的电池，像三洋和松下制作的，被认为在5到7次充放电循环之后能表现出全部的性能。早

期的资料可能不一致，但是一旦经过全循环的准备之后，它的容量就变的很稳定了。在100次到300次循环之间可以观

察到小的容量峰。

大多数的可充电电池都装有安全口以释放不正确充电造成的过高的压力。镍镉电池的安全口在1034千帕到1379

千帕的时候打开。相比较的，轮胎的压力一般是240千帕。可重新密封的安全口在释放压力时不会发生损坏，但是一些

电解液会损失掉，而且密封在随后会泄漏，当发生这种情况时，在安全口打开时会积累一定时间的白色粉末。

商品化的高速充电器通常不是设计的最有利于电池。特别是镍镉电池充电器只是单独的通过温度感应来检测电池的

荷电状态。尽管设计简单而且便宜，但是通过温度感应终止充电是不精确的。温度调节器通常表现出宽泛的公差，他们

和电池的相对位置也不协调。充电时的周围温度和在阳光下暴露同样会影响对充满电的检测的精确性。为了防止过早的

切断充电和确保大多数情况下满电，充电器生产商推荐用50℃作为切断温度。尽管在45℃以上的延长的温度对电池是

有害的，但是在此水平上的主要的温度峰通常是不能避免的。

更先进的镍镉电池充电器使用温度变化率或者充电时间内温度的变化作为对温度升高速率的感应，而不是以绝对温

度来感应（dT/dt指的是温度变化/时间变化）。这种充电器比固定温度切断的充电器对电池要好一些，但是电池依然需

要发热来引发检测。为了终止充电，在绝对切断温度60℃时每分钟增加1℃效果很好。由于相对大量的电池和缓慢的热

量的产生，如这种方法所说，温度的变化在满电检测之前将出现短暂的过充状况，温度变化率的方法只适合高速充电。

如果一个满电的电池反复的进行快充的话，有害的过充就会发生。要求每种使用的双同道无线电移动的汽车或者基

站充电器对电池的要求特别严格，因为每次重新连接都会导致高速充电循环。这也用在笔记本电脑上，立即断开连接和

重新连接以执行操作。同样的，技术人员可以简单的将笔记本电脑插进电源里以检查中继站或者给其他的装置提供服务。

笔记本电脑的问题在汽车生产厂有所报道，在这里工人将笔记本从一辆车搬到另一辆车，将它插入外部电源，检查它们

的性能。反复的与电源连接主要的影响“哑巴”镍基电池。所谓的“哑巴”电池是不含有电子电路与充电器联系。锂离子充电

器只是通过电压检测单晶片系统，而且多次的重新连接也不会干扰充电制度。

更加精密的镍基电池的满电检测可以使用一个微控制器完成，这个微控制器可以控制电池电压，而且当特定的电压

信号发生时可以终止充电，电压的下降意味着电池已经达到满电状态，也就是所谓的－△V。

－△V被推荐用作“open－lead”镍镉电池充电器的满电检测方法，因为它具有快的相应时间。－△V充电检测同样

的可以很好的用在部分充电或者满电的电池上。如果一个满电电池被放入，终止电压很快升高，然后迅速下降，进入就

绪状态。这种充电只持续短短几分钟，而且电池依然温度比较低。镍镉电池充电器是基于－△V满电检测方式的，它对

电压降的响应值是10mV到30mV。那些能响应很小的电压降的充电器比要求较大电压降的要好。

为了获得足够的电压降，充电倍率必须在0.5C或者更高。低于0.5C的充电倍率产生的电压降很小，以至于通常很

难测出来，特别是电池不是很匹配的时候。在电池组里有不匹配的电池的时候，每个电池达到满电的时间不同，而且充

电曲线也失真了。没有达到足够负的斜率，从而使高速充电继续进行，引起了过充，导致产生过多的热量。使用－△V

的充电器必须包含其他的充电终止方式，从而提供所有情况下的安全充电，大多数的充电器都是检测电池温度的。

标准的镍镉电池充电效率在高速充电时比慢速充电要好的多，1C充电倍率下，典型的充电效率是1.1或者91％，

在通宵充电的方式下（0.1C），充电效率降到1.4或者71％。

在1C倍率下，镍镉电池的充电时间比60分钟稍多一些（假定充电效率1.1要66分钟）。部分放电或者是由于记

忆效应不能完全达到容量的或者其他退化的电池的充电时间要更短一点。0.1C的充电倍率下，对一个完全没有电的镍镉

电池充电的时间大约是14小时，相对应的充电效率是1.4。

在第一次70％的充电循环时，镍镉电池的充电效率接近100％。几乎所有的能量都被吸收，而且电池依然不发热。

高倍率充电电流可以用在专门设计成高速充电的镍镉电池上，不会引起电池的发热。超高速充电器利用这种独特的现象

在几分钟之内给电池充到70%的荷电水平，然后用较低倍率，继续充到电池满电为止。

一旦70％的荷电极限被突破，电池就慢慢的损失接收充电的能力了。电池开始产生气体，压力也升高，而且温度

增加。当电池达到80％和90％时，充电接收能力进一步的下降。一旦达到满电，电池就进入过充了。在试图获得一些

额外的容量方面，一些充电器允许一定标准的过充量。

超高容量的镍镉电池在1C或者更高倍率充电时，往往比标准的镍镉电池产生更多的热量。这部分的是由于超高容

量电池的较大的内阻引起的。最佳的充电性能可以通过在初始充电阶段使用更高的电流，当充电接收能力降低时逐渐的

减少电流致更低的倍率这样的方式达到。这就避免了过高的温度升高和确保电池满电。

这些电池电压，压力和温度特性与镍氢电池类似。在充电脉冲中散布放电脉冲可以提高镍基电池的充电接收能力。

通常指“打嗝”或者“反转负载”充电，这种充电方式促进电极的高表面积，导致性能的增强和循环寿命的提高。反转负载也

改善了高速充电，因为它有助于重新结合充电过程中产生的气体。结果是比传统的直流充电更不易发热而且更有效率。

反转负载的方式充电使枝晶的形成最小化。位于美国新泽西的蒙默思边境的美军电子司令部，在这方面进行了广泛

的研究，并且已经公布了研究结果。在德国进行的研究显示，反转负载方式可以增加15％左右的镍镉电池的循环寿命。

充满电后，镍镉电池通过涓流充电的方式维护，以补偿自放电。镍镉电池的涓流充电的范围在0.05C和0.1C之间。

为了努力降低记忆现象，涓流充电电流趋向于更低。

镍氢电池的充电

镍氢电池的充电器与镍镉的非常相似，但是电子元件通常更加复杂。首先，镍氢电池的满电的电压降非常小，－△

V在低于0.5C的充电倍率下几乎不存在，而且温度升高，老化和电池不匹配在电压变化完成之前很早就发生了。由于

老化和循环次数的增加电池不匹配变得更严重，这也使－△V的使用更加困难。

镍氢电池的－△V必须响应16mV或者更低的电压降，增加充电器的灵敏度来响应更小的电压降，通常被充电循环

的中途错误终止高速充电。如果设置的太精确，电压的波动和电池与充电器信躁的降低能骗过－△V检测电路。

镍氢电池的流行引入了一些新的充电技术。现在使用的大多数镍氢电池高速充电器使用－△V，电压平台，温度增

加率，温度极限值和停止计时器的一个结合的控制，充电器利用第一个达到的限制来终止高速充电。

那些使用－△V方式或者热量其短控制的镍氢电池比那些通过被动方式充电的电池放出的容量有更高的趋势。这大

约是好电池的6％。这个容量的增加是由于对电池短暂的过充引起的。从另一方面看，则是更短的循环寿命。比起期望

的350到400次的循环，这个电池组在300次的时候就耗尽了。

类似与镍镉电池的充电方式，大多数的镍氢电池高速充电器与温度增加率有关系。每分钟温度增加1℃通常是用来

终止充电的。绝对切断温度是60℃。0.1C的顶端充电30分钟，以此使充电达到最大化。随后的持续涓流充电使电池保

持在满电状态。

使用1C初始高速充电运行良好，当特定的电压峰达到时，增加几分钟的冷却时间，然后以较低电流继续充电，当

再一次达到充电极限时，电流进一步下降。这个过程一直重复到电池完全充满电为止。

作为不同阶段充电，这种充电方式对镍氢和镍镉都很好。充电电流调整到单晶片系统，允许开始时高电流，充电即

将结束时的更适中的电流。这避免了当电池接收充电的能力更小时，充电循环即将结束时的产生温度过高的增加。

镍氢电池应该快速充电而不是慢速充电。用来维护满电的涓流充电量是特别重要的。因为镍氢电池不能很好的耐过

充，涓流充电必须比镍镉电池的更低。推荐镍氢电池的涓流充电用0.05C。这也是为什么原装镍镉充电器不能用在镍氢

上的原因了。而对于镍镉，更低的涓流充电倍率是可以接收的。

如果可能，给镍氢电池慢速充电是很困难的。0.1C和0.3C倍率下，电压温度分布图不能显示定义的特性，来准确

的测量满电状态，因此充电器必须依靠一颗计时器。如果部分的或者全部的充电的电池用一个固定计时器的充电器充电，

危害性的过充就会发生。如果电池由于老化损失了充电接受能力，仅能保持50%的荷电，那么相同的情形同样会发生。

不根据电池的实际情况每次放出100％的电量的固定计时器，可能最终应用太多的电荷，即使镍氢电池摸起来没有发热，

过充也会发生。

一些更低廉的充电器也许不适合完全饱和充电。这些经济的充电器，在达到给定的电压峰值或者温度极限被检测到

以后，满电检测会立刻发生。这些充电器通常在短的充电时间和适中的价格上更有优势。

铅酸电池充电

铅酸电池的充电规则不同于镍基物质，主要表现在使用电压限制而不是电流限制。密封铅酸电池的充电时间12致

16小时。用更高的充电电流和多种充电方式，充电时间能压缩到10小时或者更低。密封铅酸电池不能像镍基体系那样

很快的达到满电。

多级充电使用固定电流充电，顶端充电和浮充充电。在固定电流充电过程中，电池在大约5小时内充到70％；剩

余的30％通过较慢的顶端充电完成。顶端充电也要持续5小时左右，而且对电池的安全是必须的。这就好比饱餐一顿

之后在继续工作之前，需要休息一会。如果电池不能完全的达到饱和，密封铅酸电池将会最终损失接受满电的能力，而

且电池的性能也会降低。第三阶段是浮充充电，它可以补偿电池充满后的自放电。

多级充电器采用恒流充电，顶端充电和浮充充电。

正确的设定电池电压限制是很重要的，一个典型的电压限制是从2.30V到2.45V，如果慢速充电可以被采用，或者

室温超过30℃，推荐电压限制2.35V，如果要求高速充电，室温仍将维持在30℃以下，可以使用2.40V到2.45V。

2.30V to 2.35V/cell

2.40V to 2.45V/cell

优点

最大的循环寿命，充电时电池不发热，环境温度会超过更快的充电时间；更高和更多的容量读数；欠充造成的

30℃。

危害更少。

缺点

慢的充电时间；容量读数可能较低而且不稳定。如果没充电时升高电池温度会降低电池寿命。发热的电池可能

有一定时间的顶端充电，欠充会发生（硫酸盐化），从达不到电池电压限制，从而引起有害的过充。

而导致不可逆的容量损失。

图：塑料外壳密封铅酸电池的充电电压的影响。

大型的阀控铅酸电池和圆柱型Hawker电池的要求也许不同。

在图中显示的充电电压限制是瞬间的电压峰，电池不能保持在这个水平上。这个电压峰只是当对一个已经放电了的

电池进行满电循环时才使用的。一旦完全充满电，操作准备就绪时，就使用浮充充电，这可以维持在较低的电压水平，

对大多数低压力铅酸电池的推荐的浮充充电电压在2.25到2.30V。折中在2.27V。

最佳的浮充充电电压随着温度变化，更高的温度要求稍低的电压，而更低的温度要求较高的电压。暴露在高的温度

波动下的充电器需要安装温度感应器以优化浮充电压。

不管浮充电压时如何的被补偿，总有一个安全威胁。电池研讨会的一篇论文的作者解释过，使用传统的浮充充电技

术给密封铅酸电池充电就像在热煎锅上跳舞。电池一方面想通过完全充满电避免负极硫酸盐化，而另一方面又不想过充

引起正极板栅的腐蚀。除了板栅腐蚀之外，太高的浮充电导致电解液损失。

电池老化的不同导致了另一个挑战，在寻找适合的浮充充电电压方面。随着电池里气囊的发展，一些电池展示了过

充电产生氢气的过程，另一些经历了在几乎贫瘠的地方的氧气的再结合，由于电池的串连，充电过充中控制单独的电池

电压实际上不可能，如果对给定的电池应用电池的电压太高或者太低，比较差的电池会进一步恶化，而且它的情况会随

着时间变得更明显。很多公司已经开发出了电池平衡设备，可以纠正这些问题，但是这些设备只能用在可以单独控制的

电池上。

影响充电电压的波动电压也会导致铅酸电池的问题，特别是大型的阀控铅酸电池。波动电压的峰值引起过充，导致

氢气产生，谷值导致主要的放电，引起匮乏。可能会导致电解液的消耗。

关于铅酸电池的脉冲充电已经有很多报道了。尽管对于降低电池腐蚀有明显的作用，但是生产商和技术支持人员不

赞成这种充电方式的作用。如果正确使用脉冲充电，一些优点是很明显的，但是结果不确定。

图中的电压设置用在低压力铅酸电池上，压力安全阀的设置大约34千帕，而Hawker圆柱的密封铅酸电池要求更

高的电压设置。这些电压限制应该根据生产上的规定进行设置。这些电池不能使用推荐的电压极限，会导致由于硫酸盐

化作用产生的容量逐渐损失，Hawker电池压力安全阀设置345千帕，这允许充电产生的气体的再结合。

密封铅酸电池必须以荷电状态储存，顶端充电应该每六个月进行一次，以避免电压降到2.10V以下，顶端充电的要

求不同的电池生产商有所不同，按照生产商推荐的时间间隔。

通过测量储存的电池的开路电压，可以得到大约的充电水平指示。如果室温下测量电压2.11V，则表示电池有50％

或者更高的荷电量，如果电压在极限值或者以上，电池处在良好状态，而且使用前只要一个全充电循环即可，如果电压

降到2.10V以下，要求几个充放电循环才能使电池达到完全的性能。当测量电池的终止电压时，应该测量储存温度，不

发热的电池稍微地增加电压，而发热地要稍低一些。

从买主来地电压低于2.10V的塑料外壳地密封铅酸电池在买主品质控制检查电池时，拒绝收获。低压表明电池可能

发生了微短路，这个缺点不能在循环时被纠正。尽管循环会增加电池地容量，但是多余地循环会影响电池的循环寿命。

此外，电池达到完全的能力所需要的时间和设备增加了操作成本。

Hawker电池可以在低于1.81V的电压下储存。然而，当重新激活电池时，需要比正常充电电压更高的电压来将大

的硫酸盐晶体转换成正常的活性物质。

当给铅酸电池过电压充电时，一旦电池开始电流下降，必须使用电流限制。总是设置电流限制到最低的实际设置，

并且观察这个过程的电池电压和温度。如果电压升高后的24小时电池不能接受正常的充电，电池恢复到正常状态就不

可能了。

Hawker电池的价格比相同的塑料壳的电池要高一些，但是比镍镉电池的要低。同样以“旋风”知名的电池与圆柱镍

镉电池相似。这种结构能提高电池的稳定性，而且与平板密封铅酸电池比起俩，提供更高的放电电流。由于相对低的自

放电，Hawker电池非常适合用于备用电击器

铅酸电池更适合UPS系统。在延长的浮充充电过程，作为一种补偿充电，一定时间的顶端充电可以将极片充满而

且组织硫酸盐化。补偿充电提高了电池电压到生产商规定的电压水平之上。如果补偿充电不能被正确的管理，会发生温

度的升高，并导致电解液的损失。由于密封铅酸电池和阀控铅酸电池不能添加电解液，所以电解液的减少将导致不能消

除的破坏。生产商和客服人员通常对补偿充电的好处是抵触的。

一些循环练习，或者短暂的定期放电，被认为是可以延长铅酸电池寿命的。如果每月一次的循环使用，放电深度应

该近仅仅是总能量的10％。不推荐全放电作为常规维护，因为每次深度放电循环会降低电池的循环寿命。

需要更多的试验来证明铅酸电池的循环练习的好处。生产商和服务技术人员同样又表示了对如何进行预防维护的不

同观点。一些专家更支持顶端充电，而其他的则推荐定期放电，目前还没有可用的科学数据证明经常性的浅放电的益处

作为深放或者脉冲放电的对立面。

当阀控铅酸电池备用时切断浮充充电是延长电池寿命的另一种方式。有时，顶端充电被用来补充自放电损失的能量。

据说可以降低电池腐蚀和延长电池寿命。实质上，电池好像储存一样被放置，这是为了电池备用时不放出负载电流的应

用，在许多应用上，电池想一个能量缓冲器，而且需要置于连续充电下。

重点：一旦发生破裂，电解液泄漏或者任何其他原因引起的电解液接触，立刻用水清洗。如果眼睛接触，马上用水

冲洗15分钟，而且立即就医。

锂离子电池充电

锂离子充电器是一个电压限制类似于铅酸电池充电器的设备。不同之处就在于更高的电压，更小的电压公差和达到

满电时不存在涓流或者浮充充电。

铅酸电池的切断电压有很大的灵活性，然而锂离子电池生产商对设置正确的电压是非常严格的。当锂离子第一次引

入时，石墨体系要求的充电电压限制4.10V。尽管更高的电压增加能量密度，但是在早期的石墨电池被充到4.10V极限

值以上时，电池的严重的氧化限制了循环寿命。这个影响已经通过化学添加剂得到了解决。大多数的商品化的锂离子电

池现在可以充到4.20V。所有锂离子电池的公差是+/-0.05V。

工业上用的和军用的锂离子电池为了得到最大的循环寿命，使用了大约3.90V的充电终止电压极限。这些电池的每

千克瓦时的比率是较低的，但是循环寿命优先于高能量密度和小尺寸。

锂离子用1C初始电流充电的充电时间大约是3小时。电池在充电过程中不会发热，在电压达到最高电压极限值以

及电流降到正常充电电流的3％并且稳定之后，达到了满电。

增加锂离子充电器的充电电流不能很多的缩短充电时间。尽管用更高的电流可以很快的达到电压峰值，但是顶端充

电的时间将更长了。

一些充电器声称可以在1小时或者更短时间高速充电锂离子电池。这种充电器不进行第二步的充电，只是在第一

步充电结束时一旦到达电压极限值就直接转到就绪状态。。这个时候的充电水平大约是70％左右。顶端充电的时间是初

始充电的两倍左右。

由于锂离子不能耐过充，所以不使用涓流充电。涓流充电可能引起金属锂的析出，导致电池不稳定。相反，短暂的

顶端充电用来补偿电池的少量的自放电和保护电路的消耗。

由于充电器的消耗和电池自放电，需要每500小时或者20天进行一次顶端充电。在开路电压降到4.05V时开始充

电，当达到4.20V时停止。

增加锂离子电池的充电电流，不能明显的减少充电时间。尽管更高的电流使电压峰值更快的达到，但是顶端充电将

持续更长时间。

如果电池无意间过充怎么办？锂离子电池设计成在他们的正常操作电压时操作是安全的，但是如果充到更高的电压

就明显的变得不稳定了。充电电压4.30V以上，电池会发生负极析锂。另外，正极材料变成了氧化剂，稳定性下降而且

放出氧气。过充引起电池的发热。

很多的注意力放在锂离子电池的安全性上。商品化的锂离子电池组包含一个保护电路防止充电时电池电压变得很

高。典型的安全极限值是4.30V。另外，如果内部温度接近90℃时，温度感应切断充电。许多电池有一个机械压力开关

在超过安全压力极限值时，永久切断电流回路，内部的电压控制电路在低压和高压时可以切断电路。

对于一些只含有一两只电池尖晶石电池组有一些例外。当过充时，由于大部分的金属锂在正常充电时已经从正极移

走了，所以负极上析出的锂最少。正极材料依然是稳定的而且除非电池变得很热，是不会产生氧气的。

重点：一旦破裂，电解液泄漏或者任何原因造成的电解液接触，立即用水冲洗。如果眼睛接触电解液，立即用水冲

洗15分钟，并马上就医。

锂聚合物电池充电

锂聚合物电池的充电过充类似于锂离子电池。锂聚合物使用固体电解液，充电时间3到5小时。另一方面，凝胶电

解液的锂离子聚合物与锂离子几乎一样。事实上，使用相同的充电制度，对于大多数充电器，用户不需要知道是锂离子

电池还是锂聚合物电池充电。

几乎所有以所谓的聚合物分类销售的商品化的电池，是一种用几种凝胶电解液的锂离子聚合物电池。在环境温度下

使用的低成本的干的聚合物电池依然需要几年的时间才能出现。

高温和低温充电

可充电电池可以用在合理的温度范围内。但是这并不意味着这些电池也能在这些温度条件下充电。然而电池在热的

或者冷的环境下使用是不可避免的，充电时间也是用户掌握的，应该尽可能的在室温下对电池充电。

总得说来，像镍镉电池这样老的电池技术比更先进的体系更加允许在高温和低温下充电。图4－6显示的是镍镉，

镍氢，密封铅酸和锂离子电池允许的慢速和高速充电温度。

慢速充电 (0.1)

0°C to 45°C (32°F to 113°F)

0°C to 45°C (32°F to 113°F)

0°C to 45°C (32°F to 113°F)

0°C to 45°C (32°F to 113°F)

高速充电 (0.5-1C)

5°C to 45°C (41°F to 113°F)

10C° to 45°C (50°F to 113°F)

5C° to 45°C (41°F to 113°F)

5C° to 45°C (41°F to 113°F)

镍镉电池

镍氢电池

铅酸电池

锂离子电池

图：各种电池允许的温度限制。

老的电池技术比新的更先进的体系对充电极限温度更宽容。

镍镉电池可以在一个小时高速充电，然而这种高速充电只能用在5℃到45℃，更适中的温度范围是10℃到30℃，

如果在5℃以下给镍镉电池充电，结合氧气和氢气的能力大幅的降低并产生气压。许多情况下，电池安全口打开释放氧

气和氢气，不仅是放出气体消耗电解液，而且氢气是极易燃烧的。

当低温下高速充电时，使用－△V终止满电的充电器可以提供一些水平的保护。由于电池在低温下的差的充电接受

能力，所以充电能量转化成了氧气和少量的氢气。这个反应导致了电池电压的下降，通过－△V检测终止了充电。当这

种情况发生时，电池没有完全充满，但是避免或者最小化了气体的排出。

为了抵消低于5℃的较慢的反应，必须使用0.1C的低充电倍率。寒冷温度下可以使用特殊的充电方式。工业上需

要在低温下高速充电的电池通常包含一个加热盖，能够使电池达到要求的温度。在商品化的电池中，镍镉电池是唯一的

能在极低温度下充电的。

高温充电减小了氧气的生成。这也降低了－△V效应，而且使用这种方式的精确的满电检测就变得困难了。为了避

免过充，通过温度测量终止充电就变得更实际了。

镍镉电池在较高温度下的充电接受能力急剧的下降。在适中的室温下充电能达到100％容量的电池，如果在45℃

充电时只能达到70％，60℃时只有45％。类似的情况也发生在镍氢电池上。这就证明了使用镍基电池的电动车在夏天

性能相当差。

电池性能差的另一个原因，特别是在高的环境温度下充电，就是充电切断。这对于那些使用绝对温度终止高速充电

的充电器是很普遍的。这些充电器单独读取单晶片系统的电池温度，当室温很高时就变得迟顿了。电池不会被完全的充

满电，但是及时的充电切断保护电池免受过热造成的危害。

在高温和低温充电时，镍氢电池不如镍镉电池更宽容。镍氢电池不能在低于10℃进行高速充电，也不能低于0℃慢

速充电。一些工业上的电池充电器调整倍率以适应温度。消费品充电器价格的敏感性不允许这么精密的温度控制器。

较高温度下，充电接收能力降低较多。镍氢电池也类似。

铅酸电池对极限温度有适度的容忍度，就像汽车电池。这种容忍部分的是由于铅酸电池的不活泼性。如果可能，

10小时也很难达到满电，低温下的推荐的充电倍率是0.3C。

下图显示的是在不同温度下对密封铅酸再充电和涓流充电时的最佳峰值电压。对充电器实行温度补偿，从而调整温

度极限延长电池寿命15％左右。特别时对较高温度下有效。

密封铅酸电池不允许降到冰点以下。如果这种情况发生，电池将会永久的受到破坏，当它再回到正常温度时，只能

提供较少的循环次数了。

0°C (32°F)

2.55V/cell

2.35V/cell or lower

25°C (77°F)

2.45V/cell

2.30V/cell or lower

40°C (104°F)

2.35V/cell

2.25V/cell or lower

再充电电压限制

持续涓流充电电压

这些电压限制用在极限温度下操作电池时。

为了提高寒冷温度下的密封铅酸电池的充电接受能力，避免较高温度下的热量散失，充电器的电压限制应该每摄氏

度每个电池补偿大约3mV。这个电压调整还有一个负系数，表明了电压极限值随温度升高而降低。例如，如果电压限制

在20℃时设置为2.40V，那么30℃时应该降到2.37V，而10℃时提高到2.43V，这表示每10摄氏度30mV的较正。

锂离子电池的高温和低温充电性能很好。一些电池允许在0℃到45℃1C充电。大多数锂离子电池在温度降到5℃

或者更低时，用更低的充电电流。冰点以下的充电必须避免，因为可能发生析锂。

超高速充电器

一些充电器生产商令人惊讶的声称充电时间短到30分钟甚者更短。平均很好的电池以及适中的室温下操作，设计

成高速充电的镍镉电池组确实能在非常短的时间内充电。只是通过在充电循环的第一个70％过程中，简单的用大电流充

电实现的。一些镍镉电池能以10C充电，或者10倍于额定电流，精密的单晶片系统和温度控制是非常重要的。

在充电循环的第二个阶段时高充电电流必须降到较低水平，因为当电池到了较高的单晶片系统时，吸收电荷的效率

逐渐的降低。如果在充电循环的最后一个阶段依然使用大电流，那么过多的能量就转化成了热量和压力。最终导致排气

发生，放出氢气。放出的气体不但消耗电解液，而且他们也是极易燃烧的。

本文标签： 电池充电电压使用