移动能量之源——电池技术全接触

　　几乎所有人都遇到过这样的情况：在需要随时保持联系的时候，移动电话突然提示电力不足，随后自动关机。此时你身边却没有任何可以替换的电池。当你正在处理关键文档和数字内容的时候，笔记本电脑的电量在快速降低，最终在你完成工作之前被告知电池用尽，无法继续运行……

　　经过几十年的发展，各种电子产品的功能和性能已经有了长足的进步。无所不在的移动电子产品也将我们带入了数字生活时代，而绝大部分可移动的计算设备都依赖于电池的电力运行。不幸的是，电池技术的发展却远远无法赶上移动设备对能源的需求。当今的许多笔记本电脑的硬件部分已经足够轻薄，可是要获得较高的续航能力这些轻薄笔记本电脑就不得不挂上沉重的充电电池。于是，电池成为了制约各种移动设备性能的瓶颈之一。

　　当然，技术总是在进步，从早期的镍镉电池到镍氢电池，再到当前应用最为广泛的锂电池，这类产品已变得越来越成熟。那么，我们曾经用过或正在使用的这些电池究竟有什么区别，它们各自又有什么特性呢？

　　记忆力超强的镍镉，善变的镍氢

　　可充电电池主要有铅酸蓄电池和碱性蓄电池两种。目前使用的镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li-Ion)电池都是碱性电池。许多人接触充电电池，恐怕都是从镍镉电池开始的。镍镉电池的广泛使用，也正式拉开了移动计算时代的序幕。

　　镍镉电池是在1899年由瑞典科学家W.Jungner发明的，到了上世纪70年代，镍镉电池凭借较铅酸蓄电池高能量、内阻小、循环寿命长、温度范围广等优点而逐渐被广泛使用。对于各种IT产品来说，镍镉电池是当时相同电量下体积最小的充电电池方案，镍镉电池因此在手机、笔记本电脑、随身听上的广泛使用也就不足为奇了。

　　1.逐渐退出舞台的镍镉电池

　　镍镉电池是以氢氧化镍为正极活性材料，并加进石墨以增加导电性，负极使用的活性材料是海绵状的镉，电解质为KOH，电解液为氢氧化钾溶液。电压值为1.2V，体积能量密度约为130～200Wh/l，重量能量密度则在40～50Wh/kg之间。因为发展已久，成本较低，再加上循环寿命长达2000～4000次，以及大电流放电的特性、适用温度范围广、自放电率小等优点，所以占有率颇高。不过受到记忆效应的影响，性能会随充放电次数增加而下降。

　　能量密度：指单位体积或单位质量所释放的能量，一般用体积能量密度(Wh/l)和质量能量密度(Wh/kg)表示。

　　就镍镉电池的极板形式而言，由于正极与负极使用的极板活性物质拟集力弱，且在充放电时的容积变化大，容易造成内阻的增加，因此为增加极板的强度，早期产业电池采用管式、袋式构造来充填极板活性物质，近年则均已改采用烧结式极板。

图1 镍镉电池结构

　　尽管镍镉电池有着种种优点，但是这种充电电池却有着2个不可克服的死穴。首先镍镉电池有极为严重的“记忆效应”—当每次充电时，在负极有氢氧化镉与电极作用，产生金属镉而沉积于负电极表面；放电时，负电极表面的金属镉反应形成氢氧化镉，这是溶解沉积的反应，当充放电不完全时，电极内的镉金属会慢慢地产生大结晶体而使以后的化学反应受到阻碍，导致电容量迅速减少。由于记忆效应的存在，使得镍镉电池的寿命远低于理论值。

　　记忆效应：电池的记忆效应是指未完全放电的电池在下一次充电时所能充电的百分比。为了消除电池的记忆效应，在下次充电之前，必须先完全放电，然后再充电。只有这样操作，才能百分之百的充满电池。电池的记忆效应给电池的快速充电带来了不便。镍镉电池在没有放完电的情况下进行充电，容量可能无法回到原有标准，但可以通过深度放电后大电流充电，容量可能会回复。而镍氢、锂电池的记忆效应表现均比较轻微。

图2 已经被淘汰的镍镉电池

　　镍镉电池的另一个死穴就是制造这种电池时需要大量采用镉金属。这种金属因为有毒，且难以回收处理，因此会对自然环境造成极大破坏。近几年随着世界各国的环保意识不断增强使得镍镉电池的生产和销售受到了严重的限制。欧盟出台的RoHS法令更是直接判了镍镉电池的死刑。

　　2.“善变”的镍氢电池

　　作为镍镉电池的替代者，镍氢电池开始成为当今许多数码产品电力之源。镍氢电池的设计源于镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应和环保性两大死穴上有着极大的进展。镍氢电池的主要改进就在于以锗氢合金取代原来负极使用的镉金属。1985年荷兰飞利浦公司解决了锗氢合金在充放电过程中容量衰减的问题，使得镍氢电池得以全面量产。随着材料科学的不断进步，当今的镍氢充电电池已经拥有极高的电容量，而许多专用充电器甚至能在15分钟内对4颗2500mAh容量的AA镍氢充电电池进行完全的充电。

图3 镍氢电池结构

　　mAh：mAh是二次电池的容量单位，电池容量是以电流(mA，毫安培)与时间(h，小时)的乘积所计算出来的。

图4 SANYO 2700mAh镍氢电池

　　可惜的是，随着容量的增加，镍氢电池的自放电效应也在不断加剧。许多镍氢电池在充满之后放置1个月，电量最多会减少至原有容量的60％甚至更低。在放置2个月后绝大部分镍氢电池的电量都不足以用来支撑各种数码设备的运行。与此同时，高电容量的镍氢电池在被短路之后也很容易发生过热爆炸。

　　自放电效应：电池在充满电之后，在与外电路没有接触和常温放置的条件下，其电容量会自然衰减。在储存过程中，电池蓄电容量会逐渐下降，其减少的容量与额定容量之比，称为自放电率(镍镉、镍氢电池与锂离子电池相比，自放电率较大)。通常，环境温度对其影响较大，过高温度会加速电池的自放电。电池容量衰减(自放电率)的表达方法和单位为：％/月。理论中镍镉、镍氢电池的自放电率为20～25％/月，锂电池的自放电率为2～5％/月。但在实际使用过程中，电池的自放电率往往高得多。

　　高效的锂电池，危险的锂电池

　　随着各种电子设备体积的不断缩小，镍氢电池臃肿的体积已经无法适合新一代移动设备的使用了。SONY在1972年便开始着手可充电锂电池的研究，到了1980年SONY率先全面量产锂电池，从而引发了二次电池新一轮的革命。