走进电池世界

邱元阳

编者按：随着科技的发展，电子产品的使用越来越频繁，也越来越便利了。很难想象，在现代社会，有谁会不用电子产品。说到电子产品，必然会涉及充电的问题，可是，您了解自己手中的电池吗？我们该如何合理应用呢？在此，主持人和嘉宾将分两期对这一问题进行深入探讨。

无论是手机、平板电脑等通讯设备，还是MP4、PSP等娱乐设备，抑或是数码相机、录像机等记录设备，各种数码产品都有一个共同特点，那就是需要电池供电。

随着设备应用复杂性的提升，功耗也同步提升，电池续航能力已成为移动设备发展的制约因素之一。

● 电池的历史──前世今生

也许在古代，人类文明就已经在使用类似电池的东西了。在伊拉克的巴格达附近，曾发现过被认为有数千年历史的黏土瓶，它有一根插在铜制圆筒里的铁条，这似乎是远古时代电池的原型，与1746年的莱顿瓶倒有些神似。

虽然人类对“电”早就有了认识，也一直想方设法把电储存起来，但是真正的电池直到1800年才出现，那就是意大利人伏打发明的人类历史上第一套电源装置——伏打电堆。

此后，在经典的伏打电池基础上，又出现了丹尼尔电池、本生电池、格罗夫电池等，解决了电池极化问题。

1860年，铅酸电池诞生并得到应用。同时出现的还有雷克兰士发明的湿电池。

1868年，赫勒森发明了最早的干电池，其电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，取代湿电池获得了广泛应用。

这期间，还有氢-氧燃料电池、空气电池、氧化银电池、锌锰电池、锌银电池、糊式勒克谢电池等多种电池形式，各种新的电池技术遍地开花。之后，镍镉电池、镍铁电池、镍锌电池等碱性蓄电池相继诞生。

进入20世纪后，电池理论和技术一度停滞，直到二战之后，电池技术才又进入快速发展期，密封式镍镉电池、烧结式镍镉电池开始生产，碱性锰电池亦进入商品化，太阳能电池也研制成功。

1960年，镍氢电池研制成功，1984年飞利浦公司解决了LaNi5合金在充放电过程中的容量衰减问题，掀起了MH-Ni电池开发热潮。

1990年，索尼公司宣布制成了锂离子蓄电池并于1992年商品化。

1994年，美国Bellcore公司宣布研制成功聚合物锂离子电池。

此后，电池的应用也得到了不断发展，渗入到社会生活的各个方面。从家用的闹钟、手表、手电筒、收音机、CD唱机、移动电话的供电，到商用的宾馆、超市、医院、电话交换机等场合用的应急电源，从汽车、摩托车的启动电源，到电动工具、拖船、轮椅车、观光车、电动汽车、混合动力车等的动力电池，从电网调节、应急照明、网络设备不间断供电的储能，到导弹、潜艇和鱼雷等军需，各种电池无不担当着重要的角色。

● 形形色色的电池——电池种类

因为应用领域和方向不同，电池的种类也是五花八门，形形色色。

1.按工作原理划分

化学电池：通过化学反应形成电流，如干电池、铅蓄电池、锂离子电池、钮扣电池等。

物理电池：通过物理转换得到电流，一般指光能电池，如太阳能电池等。

燃料电池：如氢氧燃料电池、微生物燃料电池等。

2.按电解液种类划分

碱性电池：电解质主要以氢氧化钾溶液为主的电池，如碱性锌锰电池（碱锰电池、碱性电池）、镉镍电池、镍氢电池等。

酸性电池：主要以硫酸溶液为介质，如锌锰干电池（酸性电池）、海水电池等。

有机电解液电池：主要以有机溶液为介质的电池，如锂电池、锂离子电池等。

3.按工作性质和贮存方式划分

一次电池：又称原电池，即不能再充电的电池，如锌锰干电池，锂原电池等。

二次电池：即可充电电池，如镍氢电池、锂离子电池、镉镍电池等。

蓄电池：习惯上指铅酸蓄电池，也是二次电池。

燃料电池：即活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池，如氢氧燃料电池等。

贮备电池：电池贮存时不直接接触电解液，直到电池使用时，才加入电解液，如镁化银电池（又称海水电池）等。

4.按电池正负极材料划分

锌系列电池：锌锰电池、锌银电池等。

镍系列电池：镉镍电池、氢镍电池等。

铅系列电池：铅酸电池等。

锂系列电池：锂离子电池、锂聚合物电池、锂锰电池等。

二氧化锰系列电池：锌锰电池、碱锰电池等。

空气（氧气）系列电池：锌空电池等。

表1是常见的各种电池的相关参数。

值得一提的是，太阳能作为一种低成本无污染的新型能源正在被大力推广，太阳能电池也有了越来越多的用武之地。

从1839年法国科学家E. Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳能电池已经经过了160多年的漫长发展。贝尔实验室三位科学家研制单晶硅太阳电池成功，是太阳能电池发展史上的里程碑，到目前为止，太阳能电池的基本结构和机理仍没有改变。

从材料上划分，太阳能电池分为单晶硅（光电转换效率为15%～24%）、多晶硅（光电转换效率约12%）、非晶硅（光电转换效率为10%）、多元化合物几种。

基于植物的可回收太阳能电池，基于纳米技术的纳米太阳能电池，以及基于有机聚合体的“塑料”太阳能电池等的研究都取得了很大进展。微型的太阳能电池已经在计算器和充电器上使用了。

用细菌制成的电池很快也将会为我们的电子产品供电。把细菌体表蛋白生成的能量收集起来作为电能，将会出现由细菌产生清洁电流的“生物电池”。

微生物燃料电池也不是一个新概念。宾夕法尼亚州立大学的研究小组正尝试开发微生物燃料电池，试图将未经处理的污水转变成干净的水，同时发电，甚至实现海水淡化。

未来电池的发展已经给我们展现出了一幅美好的画卷，各式电池的应用也将进一步丰富人类的社会生活。

● 生命的轮回──充电电池

由于原电池的一次性使用造成了很大的浪费，人们迫切需要使电池可以重复使用的方法，实现电池生命的轮回。如今，可以实现循环使用的充电电池有很多种，如铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。

1860年，普朗泰发明了用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是，当电池使用一段时间后电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。10年后，采用西门子发电机将铅酸电池改为二次电池。1882年，铅酸电池实现商品化，成为最先得到应用的充电电池体系。

随后，镍镉电池、镍铁电池、镍氢电池诞生，在20世纪80年代得到迅速发展。

1970年，采用硫化钛作为正极材料、金属锂作为负极材料的首个锂离子电池研制成功。

1991—1992年，锂离子电池实现商品化，革新了消费电子产品的面貌。目前在数码产品上最常用到的充电电池，就是镍氢电池和锂离子电池，镍镉电池因为记忆效应的缘故使用越来越少，主要用于电动工具等短时大电流的场合。

记忆效应是指电池长时间经受特定的工作循环后，充放电深度自动保持这一特定倾向的现象。记忆效应一般只发生在镍镉电池上，镍氢电池较少，锂电池则无此现象。发生的原因是由于电池重复的部分充电和放电不完全，使电池暂时性的容量减小，导致使用时间缩短。为防止镍镉电池记忆效应产生，应将电池使用到没电再充电，或在有放电功能的充电器上先行放电。记忆效应是可逆的容量损失，消除方法有严格的规范和操作流程，用定期深放电到规定电压来实现。

镍镉的袋式电池不存在记忆效应，烧结式电池有记忆效应，而镍氢电池是否有记忆效应则有不同说法，因为实际上它还涉及了另一种影响电池充放电性能的因素，就是镍基电池的“晶格化”（电池内容物产生结晶）。通常情况，镍镉电池受这两种效应的综合影响，而镍氢电池则只受“晶格化”记忆效应的影响，而且影响较镍镉电池而言很小。

锂离子电池是没有记忆效应的，新的锂离子电池也不需要深充深放来“激活”。

锂离子电池具有能量密度高（可达150～200Wh/kg）、开路电压高（3.3～4.2V）、循环寿命长（1000次以上）、输出功率大（300～1500W/kg@20s）、无记忆效应、充放电速度快以及低自放电（小于5%～10%/月）、工作温度范围宽（-20℃～60℃）、无环境污染等优点，广泛应用于消费电子产品、军用产品、航空产品等。目前手机、笔记本电脑上使用的几乎都是锂离子电池。

锂离子电池多年来一直集中在3C产业，较少应用在规模更大的储能和动力电池市场，主要原因之一是过去锂电池采用的钴酸锂正极材料（LiCoO2）成本较高，并且难以应用在耐受穿刺、冲撞和高低温等特殊环境，并且不能满足对安全的绝对要求。各国都曾投入大量的研发人力与资源，寻找能够取代或解决LiCoO2问题的新材料，并取得了很大进展。当前锂电池正极材料正在经历着从消费电子的钴酸锂正极材料向动力型锂电池演变的过程，沿着正极去钴化的方向发展，形成锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂三条技术路线。

与其他充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的原因是内阻逐渐升高，所以在工作电流高的电子产品的应用上更容易体现这一点。

锂离子电池储存温度与容量永久损失速度的关系见下页表2。

由此可知，锂离子电池长时间过热会导致容量减小甚至失效。

另外，锂离子电池也不耐受过充过放。过充电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命；过放电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，也导致电池寿命缩短。过热时，电池内部还会释放气体，形成较大压强，压力继续增大就会破裂，并因为含可燃物而形成爆炸。

正因如此，锂离子电池在设计时需要采取多重保护机制，利用保护电路，防止过充、过放、过载、过热；利用排气孔，避免电池内部压强过大；利用隔膜，提高抗穿刺强度，防止内部短路，并在电池内部温度过高时融化，阻止锂离子通过，阻滞电池反应，升高内阻至2kΩ。由于保护性的排气孔和隔膜是一次性的，一旦激活，将使电池永久失效。

手机上的锂离子电池常常是扁平的四方块，实际上锂离子电池可做成各种形状，其中圆柱形的就有很多固定规格。比较有名的是18650电池，常用于笔记本电池和移动电源（充电宝）的电芯中。所谓18650，是指这类圆柱电池的直径是18mm，高度是65mm。这个大小比5号电池要大，与5号电池大小对应的锂电池型号是14500（直径14mm，高度50mm）。

充电电池都有一定的充电次数，即循环寿命。而且设计寿命与实际寿命往往差距较大，使用方法不同更是造成寿命相去甚远。以锂离子电池为例，设计寿命约为1000次充电循环，产品实际使用时约能充放电500次左右，手机上使用大约三年。从容量损失速度表上看，半饱状态下比充满状态下损失更小。如果使用时注意避免过充过放，寿命会大大延长，不少电池使用5年还没有问题。

● 聚合物电池──电池新秀

锂离子电池实际上有两种，即液态锂离子电池（Liquified Lithium-Ion Battery，简称LIB）和聚合物锂离子电池（Polymer Lithium-Ion Battery，简称PLB）。后者也称为高分子锂电池、塑料锂离子电池（Plastic Lithium Ion Batteries，简称PLB），有时也直接称为聚合物电池、锂聚合物电池、聚合物锂电池等。

聚合物锂电池使用的电解质是“固态”的，目前大部分采用聚合物凝胶电解质。相对于普通的锂离子电池，具有外形可塑和不会爆炸等优点。

一般锂离子电池使用液体或胶体电解液，因此需要坚固的二次包装来容纳可燃的活性成分，这就增加了重量，也限制了尺寸的灵活性。而聚合物锂电池在形状上可做到薄形化，能做成任何形状与容量的电池，为设备开发商在电源解决方案上提供了灵活性和适应性，能最大化地优化产品性能。由于使用了胶体电解质，在电池活化时不会产生气体，即使在过充过热的情况下，也只会膨胀而一般不会发生爆炸。不过由于聚合物锂电池一般采用铝箔软包装封装，容易受到外力破坏。

聚合物锂电池的单位能量比传统锂离子电池提高了20%，3倍于镍氢电池，并且具有更长的循环寿命。

目前在市场上已有将聚合物锂电池做成5号镍氢电池外形（实际上是14500电池规格）进行销售的情况，用来替代镍氢电池使用，解决老式设备电池充电时间太长的遗憾。但需注意的是，由于两种电池电压不同，替换使用时需要借助“电池假体”的配合，才能提供正常的电压，充电也是如此，或者使用专用的充电器。因为镍氢电池的电压是1.2V，一般使用它的数码相机等设备是同时使用两节，用相同形状的聚合物锂电池代替时，只用一节即可（磷酸锂铁聚合物电池电压为3.2V），再配上一节假体电池（占位筒），分担电压。为了避免错用造成设备损坏，有的厂家直接把5号聚合物锂电池设计成1.5V电压，这样就能完全兼容使用镍氢电池的设备了，但充电仍需专用充电器。

在一些新上市的手机和笔记本中，有的已经开始使用聚合物锂电池了。一些移动电源，也开始采用聚合物锂电芯，性能和安全性都要优于18650的锂离子电芯。

实际上，锂电池正朝着不同方向发展着。与聚合物锂电池同时期发明的，还有水溶液可充锂电池（简称“水锂电”），后来又出现了以掺杂化合物为负极、嵌入化合物为正极的新型水锂电以及采用Lisicon陶瓷—玻璃膜的充电式锂—空气电池。

丰田公司大力研发的“革命性电池”，就是有着“后锂离子充电电池”之称的锂空气电池和全固体电池。理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能达到11.14kWh/kg（不包括氧气），非常具有吸引力。

● 电池也疯狂──安全问题

2005年底，戴尔笔记本电脑产品连续传出爆炸意外，并于2006年8月进行了电子产业史上最大规模的全球性电池召回，召回范围包含约410万颗由索尼公司制造的戴尔锂离子电池。此后，苹果电脑、东芝的Dynabook、联想的IBM-ThinkPad、富士通、日立、夏普、捷威陆续宣布召回笔记本电脑电池。同年10月，索尼公司在全球大规模启用“锂电池自主更换计划”，回收在全球生产的960万颗笔记本电脑用锂电池。

这一事件让人们不禁担心，自己正在使用的各种锂电池会不会意外爆炸。

锂的化学性质非常活跃，很容易燃烧，普通锂离子电池在过充、短路等情况发生时，电池内部可能出现升温、正极材料分解、负极和电解液材料被氧化等现象，所产生的气体膨胀，导致电池内压加大，当压力达到一定程度后即会破裂，引起漏液、起火，甚至爆炸。

索尼锂离子电池爆炸事件的原因，是在极度罕见的情况下，相关电池芯中不该有的微小金属屑会接触到电池芯的其他部位，从而产生短路。这个概率只有几百万分之一，但仍让人们放心不下电池的安全性问题，手机电池爆炸、电动车电池爆炸的事件也时有发生。苹果iPhone 4、三星Galaxy SII、HTC Evo3D、索尼爱立信MT15i也都发生过手机电池爆炸事件，而2007年摩托罗拉手机电池在胸前口袋爆炸更是引起当事人死亡。

实际上，锂离子电池中有多种措施和电路来防止电池爆炸，前文已经述及。在笔记本电池中，智能的IC电路甚至会保护电池不致过充和不当充放电，大可以放心使用。新型的聚合物锂电池则不会爆炸，但是因为其包装简单，出问题的概率反而高于普通锂电池。

除了爆炸问题，电池在使用中也有一些安全问题，如充电或使用过程中短路引起失火，不当接触电极引起电击伤等。电动车的电池，其输入与输出有时是同一接口，在充电时摸索插线常常会造成电击。而因为充电的同时使用手机接电话造成伤害的情形也时有报道。

此外，电池的污染和环保问题，也有待解决，因为环境污染归根到底还是一种安全威胁。

● 电池的烦恼──续航能力

智能手机充满电的电池一般只能使用一两天，这就使得手机几乎要每天充电，不能不说是使用手机的一个烦恼。

同样，在电动汽车的发展上，也面临这样的问题，汽车电池的续航能力严重制约着新能源汽车的推广。

续航能力不足，或者说续航能力的要求不断提高，正是各类充电电池努力弥补的短板。尤其对于锂离子电池来说，几乎每个人都要用到，频繁的充电让使用者颇为烦恼。

衡量电池的续航能力，一般用电池标注的充满电后的容量来参考。

电池容量的物理意思就是指该电池能够容纳或释放多少电荷，常用Ah（安时）或mAh（毫安时）来表示。

根据电流的定义公式（单位时间内通过的电荷数）：I=Q/t，可知Q=It。电池放电电流I的单位一般用mA（毫安），时间t的单位一般用h（小时），因此电池容量单位就是mAh。

一块电池容量标为1200mAh，如果它工作时的电流是100mA，则理论上可以供电12小时。

注意，仅仅从mAh的大小还不能比较两块电池谁的容量更大。最常见的困惑就是，一个大块头的录像机电池，标称容量不足2000mAh，跟小小的一块手机电池的容量好像不相上下。

从公式中我们可以看到，Q=It，并未涉及电压，因此这一单位只能说明电池内部能够容纳多少库仑的电荷，但不能说明这个电池能够做多少功，也不能表达电池的最大功率是多少。不同产品的工作电压是不同的，同样在放电电流下，功率和所做的功也不相同。为了更科学地表达电池容量，我们常会看到在mAh的旁边还会有一个以Wh（瓦时）为单位的容量数字。

电池可做的功=UIt=UQ，电压U×电流I即是功率，单位为W（瓦），因此电池容量用Wh来表示，就能表示电池可以做多少功。

随便拿来一块笔记本电脑的电池，上面标注着3400mAh，36.72Wh（电压10.8V），再拿一块手机电池，标称容量1500mAh，似乎不到笔记本电池的一半，但是它的电压是3.7V，1500mAh×3.7V=5.55Wh。可见它们的电量相差六七倍。

特别说明一下，这块笔记本电池是6芯锂电池，6个电芯一般是三串两并，即每三块电芯串联起来，两组串联的三块电芯再进行并联。每个电芯的电压是3.6V，三块串联后的电压是10.8V，再并联时电压不变，因而最终的电压是10.8V。而4芯的笔记本电池，一般是四块串联，电压14.4V。

虽然电池的容量在不断提升，但设备的功耗也在增加，频繁的充电仍让用户不胜其烦。

以手机为例，屏幕越来越大，应用越来越多，WiFi或数据流量几乎一直保持连接状态，而电池容量一般在2000mAh左右，这样充满电后使用一两天，就得再次充电。

电池方面的研究人员正在努力寻找充电迅速而续航时间又长的新的电池技术。

复旦大学吴宇平教授领导的课题组突破传统旧制，首次提出“电位穿越”理论，并制成了平均充电电压为2.4伏、放电电压为4.0伏的新型“水锂电”，使电池充电时间更短，储存电量更多，耐用时间更久，电动车充电10秒可跑100公里，而其成本仅是传统车用锂电池的一半。

科技的发展令许多曾经的梦想照进现实。我们期待着某一天，手机电池充电一次可以使用一个月的梦想也变为现实。