充电电池的种类和特征

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通过物质的化学反应产生电能的电池(化学电池)包括一次性使用的一次性电池,能够重复充电与放电的充电电池(蓄电池,充电电池)还有燃料电池。充电电池从手机到应急蓄电池等多种场合被广泛使用。以下是具有代表性的充电电池以及其特征的归纳。

  • 铅蓄电池
  • 铅蓄电池在历史上的使用实例主要应用于汽车。在沃尔特(Alessandro Giuseppe Volta,1745-1827,意)发表化学电池60年后的1859年,由普兰特(Gaston Planté,1834-1889,法)发明了铅蓄电池。铅蓄电池作为产品不断地被改良并使用至今。例如,安装在所有的汽油动力汽车中,在启动发动机时使用。以及在一部分电力汽车的供电系统中使用。

  • 镍铬电池
  • 在铅蓄电池之后登场的充电电池是1899年由尤格那(Waldemar Jungner,1869-1924,瑞典)发明的镍铬电池。实际上作为产品得到广泛普及是进入1960年代以后的事情,由于可以大电流的充放电,因此在电话以及电器工具等的无线化普及方面发挥威力。有害金属镉作为负极的使用材料一直被重视,直到1990年松下电器与三洋电器将储氢合金作为负极的镍铬充电电池产品化后,才促进了镍铬电池的替换。

  • 金属锂电池
  • 在镍铬电池开始得到普及的同时,Robert A. Rightmire等人获得了金属锂电池的专利权。由于容量大,不使用有害金属镉,最初作为替代镍铬电池而备受期待。但是,这种电池的负极用了锂合金,因此在充放电反应过程中负极表面析出树状金属锂,容易导致短路或起火等严重问题。虽然锂合金充电电池因理论容量大而非常具有魅力,但是由于金属析出的问题非常难以解决,因此并没有得到普及。而作为同期研究的:以碳作为负极使用的锂离子充电电池得到了关注。锂离子电池在镍氢充电电池的次年由索尼与旭化成发展成为产品,随着这二者的登场,电动汽车与混合动力汽车得到了急速发展。

  • 锂离子充电电池
  • 锂离子充电电池的负极采用石墨等碳材料吸留锂离子,并且正极使用锂和过渡金属的氧化物,从而在充放电的同时抑制金属的析出。虽然理论容量逐渐减少到锂负极的十分之一程度,但是提升反复耐久性与安全性才是实现产品化的重点。由于锂离子充电电池比镍铬/镍氢电池在电压以及能量密度方面性能更高,因此拿身边的例子来说,在手机的小型轻量化方面被寄予了很大期望。并且,很少发生充电电池自身放电的问题(通过电池物质和电解液放电),容量损耗(重复充电不足造成的容量减少)也在实际应用上作为优点列举出来。难点是由于电解液使用了可燃性溶剂,因此万一出现情况需要了解安全对策。作为产品化时日尚浅的新种类电池,目前也以追求更好的材料进行研究开发。

  • 锂聚合物充电电池
  • 锂聚合物充电电池虽然与锂离子充电电池的化学反应系一样,但是出于安全性考虑,在电解质方面运用了聚合物凝胶。由于不用担心漏液,锂离子充电电池一般不用结实的金属外包装,而是用薄铝等材料。因此,节省了不必要的外包装,相同的体积可以装更多的电池。无须担心漏液担心,只需将电解液与聚合物凝胶相混合就可以从本质上做到与锂离子充电电池一样,性能也相同。

  • 钠离子电池
  • 锂离子充电电池属于价格高的电池,多数情况下,正极采用钴等稀有金属。除了推进减少稀有金属的使用量以及有效循环技术的开发以外,无稀有金属充电电池也在积极地开发,其中之一就是钠离子充电电池。钠离子电池通过移动正负极间的钠离子进行充放电,是取代锂离子电池的新型电池。2012年4月东京理科大学的薮内直明与驹场慎一副教授共同发表的《钠离子电池正极材料为无稀有金属的新合成的层状铁氧化物》备受世界瞩目。

充电电池的特征与用途

铅蓄电池与镍钴蓄电池在汽车的发动机启动以及应急方面得到广泛使用。如果用于高容量的PC和智能手机等便携式电子设备时,锂离子充电电池常被使用。伴随着智能手机等电子器械的普及和发展,人们开始注重提高锂离子电池的容量,寿命以及安全性等。除了对高性能锂离子电池的开发,同时也大力挖掘和开发可取代锂离子电池的新型电池。各种充电电池的主要特征与用途如下表所示:

名称 正极 / 负极 电压 特征以及主要用途
铅蓄电池 二氧化铅 / 铅 2V 单颗电池电压高,材料便宜。短时间×大电流放电或长时间×少量放电,任何一种都可以安全使用。
用途:汽车电池,备用电源用电池等。
镍铬蓄电池 羟化Ni / 羟化Cd 1.2V 可以进行大电流的充放电,耗电量小。
用途:电动工具,应急电源等。
镍氢电池 羟化Ni / 储氢合金 1.2V 相同电压下的电容是镍铬蓄电池的2倍。并且由于不使用镉,因此作为其替换品被广泛使用。
用途:便携式电子设备,混合动力汽车的应用等。
金属锂电池 过渡金属氧化物 / 金属锂 3V 作为无镉充电电池备受期待,但是伴随反复充电负极表面有金属析出。由于短路原因带来的安全问题,并没有得到普及。
锂离子充电电池 镉过渡金属氧化物 / 石墨 3.7V 通过在镉的合金与负极使用石墨来解决金属镉电池的问题。电压高,轻量小巧。
用途:便携式电子设备,混合动力汽车应用等。
锂离子聚合物充电电池 镉过渡金属氧化物 / 石墨 3.7V 通过将电解液融入聚合物凝胶,改善电解液可燃性溶剂的漏液情况。其化学反应与锂离子充电电池相同。由于外壳采用薄铝材料,可以实现轻薄,小巧。
用途:便携式电子设备等。
钠硫电池 硫磺 / 钠 2V 在300℃高温下运作的蓄电池。比铅蓄电池轻巧1/3。不会发生自放电,因此充放电效率高。
用途:大规模的电力储备。
钠离子电池 钠过渡金属氧化物 / 碳素 与锂离子电池同等水平 替代锂离子,通过钠离子移动进行充放电的充电电池。目前还处于研发阶段,但是钠离子作为丰富的材料备受期待。
用途:智能电网用大型电池,电动汽车用电池。