可充電的mp3播放器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（含外文翻譯）

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　題 目 ：可充電的MP3播放器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　英文并列題目：design of power supply system of rechargeable mp3 player</p><p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)</p>

2、<p>　　一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題 可充電的MP3播放器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作自 2013 年 3 月 5 日起至 2013 年 6 月 日止</p><p>　　三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)行地點(diǎn) </p>

3、;<p>　　四、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容要求 1、已知條件： </p><p>　　自選確定型號(hào)的可充電的MP3播放器。

4、 </p><p>　　2、設(shè)計(jì)要求： </p><p>　?。?）按要求寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告； </p>

5、<p>　?。?）收集國(guó)內(nèi)外有關(guān)情報(bào)資料，查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料15篇以上； </p><p>　?。?）翻譯不少于5000單詞的科技英語(yǔ)（英譯中）； </p><p>　　（4）在分析、計(jì)算、選擇和設(shè)

6、計(jì)的基礎(chǔ)上編寫(xiě)出不少于兩萬(wàn)字的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)； </p><p>　?。?）研究選擇正確的電池類型，設(shè)計(jì)電源管理電路，給出可充電的MP3播放器電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖和電路原理圖。 </

7、p><p>　　3、工作進(jìn)度： </p><p>　?。?）查閱資料，了解便攜設(shè)備電源系統(tǒng)的基本組成情況包括電池、電源管理電路等，寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告；

8、 </p><p>　　（2）外文翻譯； </p><p>　?。?）研究比較分析各種電池的特點(diǎn)，正確選擇MP3播放器的電池類型； </p>

9、<p>　?。?）研究設(shè)計(jì)可充電的MP3播放器電源管理電路（穩(wěn)壓電路、充放電電路等），比較分析各種電路的優(yōu)缺點(diǎn)； </p><p>　?。?）分析當(dāng)前可充電電源系統(tǒng)爆炸事故也就是電池爆炸事故的主要原因以及解決措施；

10、 （6）整理編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)； </p><p>　　（7）準(zhǔn)備和參加畢業(yè)答辯； </p><p>　　4、主要參考資料：

11、 </p><p>　?。?）電子工程專輯，http://www.eetchina.com </p><p>　?。?）陳英俊, 李潔, 黃平. 人體胃腸道窺視微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研制. 中國(guó)機(jī)械

12、工程, 2006, 17(9) </p><p>　?。?）陳英俊. 人體無(wú)線內(nèi)窺微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中若干關(guān)鍵問(wèn)題. 茂名學(xué)院學(xué)報(bào), 2009, 19(1) </p><p>　?。?）欒成強(qiáng). 便攜設(shè)備中供電電路的綜合考慮. ELECTRONIC PRODUCTS CHINA, 2009, 7

13、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　接受論文任務(wù)開(kāi)始執(zhí)行日期 2013 年 3 月 5 日</p><p>　　學(xué)生簽名 </p><p><

14、;b>　　摘要</b></p><p>　　隨著便攜設(shè)備（如：移動(dòng)手機(jī)、筆記本電腦、MP3、MP4、數(shù)碼相機(jī)等）的高速發(fā)展, 便攜設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。而便攜設(shè)備都離不開(kāi)可靠的電源，其性能的提升在很大程度上依賴于電源系統(tǒng)的好壞。</p><p>　　電池是電源系統(tǒng)的核心組成部分，電池的使用方法不正確，會(huì)使得電池的壽命縮短和性能降低，有時(shí)甚至?xí)l(fā)生爆炸，故在

15、可充電MP3的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)當(dāng)注意電池保護(hù)電路的設(shè)計(jì)（如：過(guò)充電保護(hù)電路設(shè)計(jì)、過(guò)放電電路設(shè)計(jì)、過(guò)電流保護(hù)電路設(shè)計(jì)）。而穩(wěn)壓電路是電源系統(tǒng)的重要部分，如果穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)和功率分配架構(gòu)等。</p><p>　　關(guān)鍵詞：可充電MP3 電源系統(tǒng) 電池 電池保護(hù)電路 穩(wěn)壓電路</p><p><b>　

16、　ABSTRACT</b></p><p>　　With portable devices (such as mobile phone, laptop computers, MP3, MP4,digital camera, etc) the high speed development, portable equipment and people's work and life is incr

17、easingly close relationship.And portable devices are inseparable from reliable power supply, the performance of the ascending depends largely on the stand or fall of power system. </p><p>　　The battery is a

18、core component of the power system, the incorrect use of the battery will shorten the battery life and performance, and sometimes even an explosion may occur，Therefore, in rechargeable MP3 of the power supply system desi

19、gn, we should pay attention to battery protection circuit design (such as: charging protection circuit design, discharging circuit design, over current protection in circuit design). Voltage power supply system and circu

20、it is the important part, if the circuit de</p><p>　　Keywords: Rechargeable MP3 Power-supply system Battery </p><p>　　Battery protectied circuit Voltage stabilizer circuit</p><

21、;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1便攜式設(shè)備1</p><p>　　1.2便攜

22、式設(shè)備的電源系統(tǒng)2</p><p>　　1.2.1便攜式設(shè)備電源系統(tǒng)的組成與工作原理2</p><p>　　1.2.2電源管理技術(shù)的發(fā)展3</p><p>　　1.2.3便攜式設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求4</p><p>　　1.3 可充電的MP3播放器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的和意義4</p><p>　　第二章 分

23、析比較便攜設(shè)備的電池5</p><p><b>　　2.1電池概述5</b></p><p>　　2.1.1電池的定義及發(fā)展歷史5</p><p>　　2.1.2電池的分類6</p><p>　　2.1.3 電池的工作原理7</p><p>　　2.1.4各類電池的特點(diǎn)9</p&

24、gt;<p>　　2.2常用于可充電便攜設(shè)備的幾種電池的特點(diǎn)及其性能的比較15</p><p>　　2.2.1可充電電池的主要參數(shù)15</p><p>　　2.2.2幾種常用于可充電便攜設(shè)備電池的特點(diǎn)及性能比較15</p><p>　　第三章用于便攜設(shè)備的各種電源電路的比較19</p><p>　　3.1低壓差線性穩(wěn)壓

25、器（LDO）20</p><p><b>　　3.2電荷泵21</b></p><p>　　3.3 電荷泵+LDO穩(wěn)壓器22</p><p>　　3.4 電荷泵穩(wěn)壓器22</p><p>　　3.5 DC-DC 轉(zhuǎn)換器23</p><p>　　3.5.1 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器23&l

26、t;/p><p>　　3.5.2 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器24</p><p>　　3.5.3 DC-DC 升降壓H-橋式轉(zhuǎn)換器24</p><p>　　第四章 LTC3455電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法25</p><p>　　4.1 LTC3455電源系統(tǒng)簡(jiǎn)介25</p><p>　　4.2 LTC3455內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理

27、29</p><p>　　4.3 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.4選好高效電源，保證長(zhǎng)久動(dòng)力支持31</p><p>　　4.5優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，減少電流損耗31</p><p>　　4.6科學(xué)管理電池，提高使用壽命31</p><p>　　第五章可充電鋰離子電池爆炸事故的主要原因以及解決措施33&l

28、t;/p><p>　　5.1鋰離子電池的爆炸的原因33</p><p>　　5.1.1熱沖擊引起的爆炸33</p><p>　　5.1.2過(guò)充引起的爆炸33</p><p>　　5.1.3短路引起的爆炸35</p><p>　　5.1.4其它情況下的爆炸35</p><p>　　5.2防止

29、鋰離子電池爆炸的措施36</p><p>　　5.2.1提高電池的熱穩(wěn)定性36</p><p>　　5.2.2提高電池的過(guò)充保護(hù)能力38</p><p>　　5.3結(jié)論與展望38</p><p><b>　　致謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</

30、b></p><p><b>　　科技英語(yǔ)文獻(xiàn)42</b></p><p><b>　　科技英語(yǔ)翻譯60</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1便攜式設(shè)備</b></p><

31、;p>　　以信息電器為代表的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)真正拉開(kāi)了嵌入式系統(tǒng)大發(fā)展的序幕，它極大的推支了IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，給人類的生產(chǎn)、生活帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且以軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其它設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能[1]。</p>

32、;<p>　　便攜式設(shè)備就是嵌入式系統(tǒng)的的典型應(yīng)用。便攜式設(shè)備就是便于攜帶的設(shè)備。55年前，Sony因推出全球第一款便攜式收音機(jī)而開(kāi)創(chuàng)了便攜式半導(dǎo)體產(chǎn)品的先河。20多年前，便攜式產(chǎn)呂的領(lǐng)軍代表移動(dòng)電話和筆記本電腦誕生，雖然它們的龐大體積還難以用便攜來(lái)形容，但20多0年后的今天，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，這兩類產(chǎn)品不便能便攜，而且能小到放進(jìn)口袋中了。同時(shí)便攜式家族也添加了許多新的成員。目前市場(chǎng)上計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子、汽車電

33、子、醫(yī)療儀器等產(chǎn)品中都有便攜式的身影[1]。</p><p>　　在便攜式設(shè)備這個(gè)大家族中，消費(fèi)類電子產(chǎn)品是推動(dòng)便攜式產(chǎn)品發(fā)展的動(dòng)力。從微型收音機(jī)、walkman、便攜式VCD/DVD到今天的MP3/MP4功能的多媒體手機(jī)，我們可以看到，消費(fèi)者的需求一直都在推動(dòng)便攜式產(chǎn)品的發(fā)展，而每一個(gè)新應(yīng)用的誕生，則驅(qū)動(dòng)便攜式產(chǎn)品發(fā)生革命性的變化。一方面，消費(fèi)者希望手中所拿的產(chǎn)品越來(lái)越小，于是便攜式產(chǎn)品一直在朝著輕、薄、小的方

34、向發(fā)展。同時(shí)，消費(fèi)者還希望手中的這個(gè)小東西具有盡可能多的功能，在這樣的需求下，便攜式產(chǎn)品一直在增加新的功能，而且多功能融合的趨勢(shì)也越來(lái)越明顯。舉例來(lái)說(shuō)，從最早期純粹的語(yǔ)音通信到MP3播放、視頻錄放、百萬(wàn)像素拍照、藍(lán)牙，再到目前流行的雙模/多模、GPS定位導(dǎo)航、移動(dòng)數(shù)字電視以及電容性觸摸屏輸入，如今人們隨身攜帶的小小手機(jī)幾乎包括了所有小型電子設(shè)備的主要功能。面世才幾年的便攜式多媒全播放器（PMP），也從音視頻向集成移動(dòng)通信、GPS、MTV

35、、電子游戲等功能的方向發(fā)展[1]。</p><p>　　1.2便攜式設(shè)備的電源系統(tǒng)</p><p>　　1.2.1便攜式設(shè)備電源系統(tǒng)的組成與工作原理</p><p>　　電源系統(tǒng)主要包括兩大部分：電池管理系統(tǒng)和電壓變換電路，如圖1-1 所示。電池管理系統(tǒng)由蓄電池組、充電電路、鋰電池保護(hù)電路、電池容量監(jiān)控電路組成。便攜電子設(shè)備中，常用的電池有鎳氫電池和鋰離子電池。采用

36、鋰離子電池時(shí)，還必須采用鋰電池保護(hù)電路，以防止鋰離子電池組因過(guò)充電、過(guò)放電、過(guò)電流、過(guò)熱而損壞。實(shí)際應(yīng)用中，還需要實(shí)時(shí)掌握電池組的現(xiàn)有容量，因此還必須通過(guò)電流取樣電阻取出蓄電池組的充放電電流，從而計(jì)算充入蓄電池的電量和蓄電池組放出的電量，根據(jù)二者之差即可估算電池組的現(xiàn)有容量[2]。</p><p>　　圖1-1電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　便攜設(shè)備的電源系統(tǒng)的工作原理都是大同小異

37、的，一般的電源系統(tǒng)都是把交流電通過(guò)交流供電設(shè)備、變壓電路、整流電路、穩(wěn)壓電路、濾波電路變成直流電的過(guò)程。其原理下圖1-2[2]。</p><p>　　圖1-2 電源系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　1.2.2電源管理技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源的原理已經(jīng)應(yīng)用100多年[1]，最早它主要應(yīng)用于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火系統(tǒng)，之后應(yīng)用于電視機(jī)高壓部分。但是常見(jiàn)的電

38、子設(shè)備最初都是用線性電源供電。直到20世紀(jì)60年代末，開(kāi)關(guān)電源三大主要元件（磁性元件、開(kāi)關(guān)期間和整流器）的發(fā)展改變了開(kāi)關(guān)電源僅用于電視機(jī)高壓部分的局面，開(kāi)關(guān)電源開(kāi)始廣泛應(yīng)用。1970年開(kāi)始，各種類型元件的發(fā)展促使開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，從此在很多領(lǐng)域，開(kāi)關(guān)電源因其比傳統(tǒng)線性電源體積小、重量輕逐漸代替了線性電源給電子設(shè)備供電。同時(shí)，三端線性調(diào)整器也促進(jìn)了線性穩(wěn)壓電源的發(fā)展，使其在某些領(lǐng)域繼續(xù)運(yùn)用。</p><p>

39、;　　最早出現(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源是串聯(lián)型的[1]，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但是晶體管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。1975年美國(guó)Silicon General公司開(kāi)發(fā)第一款集成PWM控制器，打開(kāi)了幾代開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器和開(kāi)關(guān)模式電源發(fā)展的大門。PWM開(kāi)關(guān)電源效率可達(dá)65-75%，而線性電源的效率只有30-40%，在發(fā)生世界性能危機(jī)的年代，用工作頻率不20KHz的PWM開(kāi)關(guān)電源代替線性電源，可在幅度節(jié)省能源，從而引起人們的廣泛關(guān)注，在電源技術(shù)發(fā)展史上被譽(yù)為20KH

40、z革命。20世紀(jì)80年代開(kāi)始，為了減小體積和重量，PWM開(kāi)關(guān)電源向高頻化發(fā)展，但是因此會(huì)引起更大的開(kāi)關(guān)損耗。進(jìn)入90年代，開(kāi)關(guān)電源零電壓（ZVS）和零電流（ZCS）軟開(kāi)關(guān)脈寬調(diào)制技術(shù)的發(fā)展，使開(kāi)關(guān)電源變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。PWM模式的DC/DC轉(zhuǎn)換器可以在全負(fù)載肉獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，但是在輕載時(shí)損耗相對(duì)很大，效率很低，而PFM模式在輕載時(shí)有很高的轉(zhuǎn)換效率。因此在90年代開(kāi)始，一般商用的DC/DC轉(zhuǎn)換器采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，?/p>

41、得重載時(shí)轉(zhuǎn)換器工作在PWM模式下，輕載時(shí)轉(zhuǎn)換器工作在PFM模式下，大大降低系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)電源效率。開(kāi)關(guān)電源技術(shù)發(fā)展到今天</p><p>　　線性穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，從調(diào)整管的變化可以看出線性電源的發(fā)展過(guò)程。從簡(jiǎn)單的晶體管、NPN達(dá)林頓管到PNP管的LDO，線性電壓一直在朝著功耗更小，體積更小的方向發(fā)展。線性穩(wěn)壓電源發(fā)展到今天，LDO使用MOSFET作為調(diào)整管，輸入輸出壓差已經(jīng)可以小到0.2

42、V，這樣轉(zhuǎn)換效率也可以達(dá)到90%以上，例如，當(dāng)鋰離子電池的電壓是3.5V，用LDO變換到3.3V時(shí)，效率為94%。 </p><p>　　目前，DC/DC和LDO各自的性能都已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)高的水平，但是它們固有的缺點(diǎn)使應(yīng)用的時(shí)侯總是有一些缺憾，于是產(chǎn)生了一種結(jié)合開(kāi)關(guān)式DC/DC調(diào)節(jié)器和LDO的新型電源管理IC，它們具有前者高效率，以及后者的小尺寸和易用性優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　當(dāng)今電

43、源管理產(chǎn)呂的發(fā)展將圍繞節(jié)能降耗展開(kāi)[1]。電源設(shè)計(jì)周期加快、低待機(jī)功耗、高能效以及減小占位面積的要求正在改變傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法。其發(fā)展將主要呈現(xiàn)五大特點(diǎn)：（1）電源壽命和效率最大化；（2）體積和成本最小化；（3）電壓提供多樣化；（4）設(shè)計(jì)時(shí)間最短化；（5）數(shù)字電源和模擬電源相結(jié)合。</p><p>　　1.2.3便攜式設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求</p><p>　　便攜產(chǎn)品電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要系統(tǒng)級(jí)

44、思維，在開(kāi)發(fā)由電池供電的設(shè)備時(shí)，諸如手機(jī)MP3、MP4、PMP、DSC等低耗產(chǎn)品，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，則會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)、產(chǎn)品的特性組合、元件的選擇、軟件的設(shè)計(jì)以及功率分配架構(gòu)等。同樣，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，也要從節(jié)省電池能量的角度出發(fā)多加考慮。例如，現(xiàn)在便攜產(chǎn)品的處理器一般都設(shè)有幾種不同的工作狀態(tài)，通過(guò)一系列不同的節(jié)能模式(空閑、睡眠、深度睡眠等)可減少對(duì)電池容量的消耗。當(dāng)用戶的系統(tǒng)不需要最大處理能力時(shí)，處理器就會(huì)進(jìn)入電源消耗較少的

45、低功耗模式。從便攜式產(chǎn)品電源管理的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，在便攜設(shè)備的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題[2]：</p><p>　　1. 電源設(shè)計(jì)必須要從成本、性能和產(chǎn)品上市時(shí)間等整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)考慮；</p><p>　　2. 便攜產(chǎn)品日趨小巧輕薄化，必需考慮電源系統(tǒng)體積小、重量輕的問(wèn)題；</p><p>　　3. 選用電源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪聲、抗干擾、

46、低功耗，突破散熱瓶頸，延長(zhǎng)電池壽命；</p><p>　　4. 選用具有新技術(shù)的新型電源芯片進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，這是保證產(chǎn)品先進(jìn)性的基本條件，也是便攜產(chǎn)品電源管理的永恒追求。</p><p>　　便攜產(chǎn)品常用電源管理芯片包括：低壓差穩(wěn)壓器(LDO)、非常低壓差穩(wěn)壓器(VLDO)、基于電感器儲(chǔ)能的DC/DC轉(zhuǎn)換器(降壓電路Buck、升壓電路Boost、降壓-升壓變換器)、基于電容器儲(chǔ)能的電荷泵、電

47、池充電管理芯片、鋰電池保護(hù)IC。在選用電源管理芯片時(shí)應(yīng)注意：</p><p>　　1.3 可充電的MP3播放器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目的和意義</p><p>　　通過(guò)對(duì)可充電的MP3播放器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，可以讓我們對(duì)便攜式設(shè)備的電源系統(tǒng)有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)及其基本的設(shè)計(jì)方法。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，首先通過(guò)查閱有關(guān)資料了解電源系統(tǒng)的基本組成。然后比較各種電池的優(yōu)缺點(diǎn)及各種穩(wěn)壓電路的優(yōu)缺點(diǎn)，為本設(shè)計(jì)做

48、好準(zhǔn)備。同時(shí)，我們還要注意電池爆炸事故的主要原因以及解決措施。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅能讓我們學(xué)習(xí)到了電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，還鍛煉了我們分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。</p><p>　　第二章 分析比較便攜設(shè)備的電池</p><p><b>　　2.1電池概述</b></p><p>　　2.1.1電池的定義及發(fā)展歷史</p><

49、p>　　電池是利用物質(zhì)變化所釋放出來(lái)的能量直接轉(zhuǎn)變成電能的裝置?；瘜W(xué)變化產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置為化學(xué)電源；物理變化產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換成電能的裝置為物理電源?；瘜W(xué)電源比物理更為得到廣泛應(yīng)用和常見(jiàn)，人們一般將化學(xué)電源就通俗地稱作電池，本設(shè)計(jì)所用的電池是化學(xué)電池所以只討論化學(xué)電源[3]。</p><p>　　人類研究與使用電池的時(shí)間至今有200多年，有關(guān)電池的一些重要事件如下所示。</p><

50、p>　　1800年Volta發(fā)明Zn/稀硫酸/Cu電堆，是科技史上最早出現(xiàn)的電池，人類第一次可以獲得持續(xù)電流，大大加快了電學(xué)及電化學(xué)等學(xué)科的發(fā)展。電磁效應(yīng)、鉀、鈉、鈣、鎂、鍶、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、電解、電鍍、電弧燈等都是直接應(yīng)用電池為電源而發(fā)現(xiàn)或發(fā)明的。</p><p>　　1802年Davy以碳為燃料，氧為氧化劑，硝酸為電解質(zhì)進(jìn)行碳氧電池實(shí)驗(yàn)，指出了制造燃料電池的可能性。</p><p&g

51、t;　　1836年Daniel對(duì)Volat電池改良為Zn/稀硫酸鋅溶液/硫酸銅溶液/CU，在正負(fù)極之間使用多孔隔板并改變電解質(zhì)，最早獲得能長(zhǎng)時(shí)間工作的實(shí)用電池。</p><p>　　1839年Grove發(fā)明H2（Pt）/硫酸溶液/O2（Pt）電池,這是人類史上第一個(gè)燃料電池。</p><p>　　1859年P(guān)lante改進(jìn)Sinsteden在1854年進(jìn)行的兩鉛板浸入稀硫酸中可以二次放電的

52、實(shí)驗(yàn)發(fā)明了實(shí)用化鉛酸蓄電池。</p><p>　　1868年Leclanche巧妙采用Zaniboni和Jacobi的提案，以Zn為負(fù)極，MnO2為正極，NH4Cl溶液為電解質(zhì)拌以細(xì)砂或木屑做成糊狀，制出實(shí)用化鋅錳干電池，此電池與當(dāng)今的普通鋅錳干電池結(jié)構(gòu)相同。</p><p>　　1882年堿性鋅錳電池研制成功，是性能最好的鋅錳電池類別，并于20世紀(jì)50年代中期得到商品化生產(chǎn)。</p

53、><p>　　1887年Duna和Hslacher發(fā)明以鋅為負(fù)極，NI（OH）2為正極是堿性鋅鎳蓄電池。</p><p>　　1889年Mond和Langer首次提出“燃燒電池（fuel cell）”名稱，并采用浸有電解質(zhì)的多孔材料為隔膜，以鉑黑為民催化劑，以鉆孔鉑或金片為電流收集器組裝出氫養(yǎng)燃料電池，此電池結(jié)構(gòu)已接近現(xiàn)代燃料電池。</p><p>　　1901年Eds

54、ison發(fā)明堿性電解質(zhì)Fe-Ni蓄電池，電池的負(fù)極材料為Fe粉，正極材料為Ni(OH)2。</p><p>　　1902年Jungner發(fā)明堿性電解質(zhì)Cd-Ni蓄電池，電池負(fù)極材料為Cdo,正極材料為Ni(OH)2。在蓄電池中，Cd-Ni電池生產(chǎn)量曾長(zhǎng)期只次于鉛酸電池。</p><p>　　1955年通用電氣公司Grubb第一個(gè)提出用離子交換膜作為電解質(zhì)的想法并與Niedrach首次開(kāi)發(fā)出

55、聚合物膜燃料電池。</p><p>　　1958年美國(guó)加州大學(xué)研究生Harris提出有機(jī)電解液鋰電池設(shè)想，引發(fā)了高能鋰電池的研究。</p><p>　　1959年Bacon開(kāi)發(fā)了多孔鎳電極并制備了KW級(jí)堿性燃料電池系統(tǒng)，這是第一個(gè)實(shí)用性燃料電池，奠定了現(xiàn)代燃料電池技術(shù)思想。</p><p>　　1971年松下電器公司的福田雅太朗發(fā)明氟化碳一次電池，電池開(kāi)始脫離預(yù)研階

56、段走向商品化與實(shí)用化。</p><p>　　1984年Willems采用Co和Si部分替化LaNi5中的Ni，解決了貯合金粉化和氧化腐蝕問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了利用貯氫合金為負(fù)極材料制造MH-Ni電池的可能。</p><p>　　1990年日本實(shí)現(xiàn)MH-Ni電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，MH-Ni電池可以取代Cd-Ni電池使用，比容量比Cd-Ni電池高且無(wú)Cd毒害，是新一代的綠色高能蓄電池。</p>

57、<p>　　1991年日本索尼公司成功開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)以碳材料為負(fù)極和LiCoO2為正極的有機(jī)電解質(zhì)鋰離子蓄電池。鋰離子電池是目前綜合性能最好的蓄電池，商品化后就逐漸取代Cd-Ni電池和MH-Ni電池。</p><p>　　1992年聚合物鋰離子蓄電池實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。</p><p>　　電池的發(fā)展不僅受其自身及相關(guān)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的影響，更是受社會(huì)發(fā)展外在需要推動(dòng)。社會(huì)的強(qiáng)勁需要給電池及

58、其材料的生產(chǎn)與研究提供了廣闊的空間和美好的前景；新電池及其材料的發(fā)明和應(yīng)用也不斷改變?nèi)祟惿睢?lt;/p><p>　　2.1.2電池的分類</p><p>　　電池的分類有不用的分類方法，按其分類方法大體上可分為四大類[4]。</p><p>　　第一類：按電解質(zhì)種類劃分，包括：</p><p>　　堿性電池，電解質(zhì)主要以氫氧化鉀溶液為主的電池

59、，如：堿性鋅錳電池（俗稱堿錳電池或堿性電池）、鎘鎳電池，鎳氫電池等；</p><p>　　酸性電池，主要以硫酸水溶液為介質(zhì)，如鉛酸蓄電池；</p><p>　　中性電池，以鹽溶液為介質(zhì)，如鋅錳干電池、海水電池等；</p><p>　　有機(jī)電解液電池，主要以有機(jī)溶液為介質(zhì)的電池，如鋰電池、鋰離子電池等。</p><p>　　第二類：按工作性質(zhì)和

60、貯存方式劃分，包括：</p><p>　　原電池，又稱為一次電池，即不能再充電的電池，如鋅錳干電池，鋰原電池等；</p><p>　　蓄電池，又稱為二次電池，即可充電電池，如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鎘鎳電池等；</p><p>　　燃料電池，即活性材料在電池工作時(shí)才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池等；</p><p>　　貯備

61、電池，即電池貯存時(shí)不直接接觸電解液，直到電池使用時(shí)，才加入電解液，如鎂化銀電池，又稱海水電池等。</p><p>　　第三類：按電池所用正、負(fù)極材料劃分，包括：</p><p>　　鋅系列電池，如鋅錳電池、鋅銀電池等；</p><p>　　鎳系列電池，如鎘鎳電池、氫鎳電池等；</p><p>　　鉛系列電池，如鉛酸電池等；</p>

62、<p>　　鋰系列電池，如鋰離子電池、鋰錳電池等；</p><p>　　二氧化錳系列電池，如鋅錳電池、堿錳電池等；</p><p>　　空氣（氧氣）系列電池，如鋅空電池等。</p><p>　　第四類：按活性物質(zhì)的保存方式分類，包括：</p><p>　　活性物質(zhì)保持在電極上分為非再生型一次電池和再生型二次電池（蓄電池）；<

63、;/p><p>　　活性物質(zhì)連續(xù)地供給電極，分為非再生型燃料電池和再生型燃料電池。</p><p>　　2.1.3 電池的工作原理</p><p>　　不管是一次電源，還是二次電源，其放電過(guò)程都是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，這一過(guò)程為自發(fā)過(guò)程。一次電池的反應(yīng)是不可逆的，而二次電池的電極反應(yīng)是可逆的。對(duì)于二次化學(xué)電源，充電過(guò)程是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，這—過(guò)程是非自發(fā)過(guò)程。雖然與能量

64、轉(zhuǎn)換有關(guān)的某些熱效應(yīng)是不可避免的，但是電化學(xué)過(guò)程則是直接的，不受年諾熱機(jī)效率的限制。如在中高溫燃料電池中，若實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)供，理論上能量轉(zhuǎn)化效率可以接近100％，侖的體系甚至大于loo％，這是因?yàn)殡娦蕦?duì)應(yīng)于化學(xué)反應(yīng)的自由能，而熱效率對(duì)應(yīng)于化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)，能量轉(zhuǎn)化效率是電效率和熱效率之和[ 5 ]。</p><p>　　電池使用過(guò)程電池放電過(guò)程，電池放電時(shí)在負(fù)極上進(jìn)行氧化反應(yīng)，向外提供電子，在正極上進(jìn)行還原反應(yīng)，從

65、外電路接受電子，電流經(jīng)外電路而從正極流向負(fù)極，電解質(zhì)是離子導(dǎo)體，離子在電池內(nèi)部的正負(fù)極之間的定向移動(dòng)而導(dǎo)電，陽(yáng)離子流向正極，陰離子流向負(fù)極。電池放電的負(fù)極為陽(yáng)極，放電的正極為陰極，在陽(yáng)極兩類導(dǎo)體界面上發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極的兩類導(dǎo)體界面上發(fā)生還原反應(yīng)。整個(gè)電池形成了一個(gè)由外電路的電子體系和電解質(zhì)液的離子體系構(gòu)成的完整放電體系，從而產(chǎn)生電能供電。下面以鋅錳干電池為例，來(lái)說(shuō)明電池的工作原理。

66、 </p><p>　　圖2-1 鋅錳電池工作示意圖</p><p>　　圖2-1是鋅錳電池工作示意圖[ 4 ]，正極活性物質(zhì)二氧化錳與負(fù)極活性物質(zhì)鋅在空間上是分隔開(kāi)的，當(dāng)二者都與氯化銨和氯化鋅的水溶液相接觸，電解液含有帶正電荷的陽(yáng)離子和帶負(fù)電荷的陰離子，是一種例子導(dǎo)體，但并不具有電子導(dǎo)電性。 </p

67、><p>　　鋅錳電池反應(yīng)，正極為陰極，錳由四價(jià)還原為三價(jià)，發(fā)生了還原反應(yīng)：　　2MnO2＋2H2O＋2e→2MnO(OH)＋2OH－</p><p>　　負(fù)極為陽(yáng)極，鋅氧化為二價(jià)鋅離子，發(fā)生了氧化反應(yīng)：</p><p>　　Zn＋2NH4Cl→Zn(NH3)2Cl2＋2H＋＋2e</p><p><b>　　總的電池反應(yīng)為： <

68、;/b></p><p>　　2MnO2＋Zn＋2NH4Cl→2MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2</p><p>　　當(dāng)鋅電極與溶液接觸時(shí)，金屬鋅上的鋅離子將自發(fā)的轉(zhuǎn)入到溶液中，發(fā)生鋅的氧化反應(yīng)。鋅電極上的鋅離子轉(zhuǎn)入溶液之后，將電子留在金屬上，結(jié)果鋅電極表面帶有負(fù)電荷，它將以庫(kù)倫力吸引溶液中的正電荷，使之停留在電極表面附近，因而在兩相間出現(xiàn)了電位差，這個(gè)電位差阻滯鋅離子繼續(xù)轉(zhuǎn)入

69、溶液，同時(shí)使鋅離子進(jìn)入溶液的速度逐漸減小，溶液中鋅離子返回電極的速度不斷增大，最后建立起兩個(gè)過(guò)程速度相等的動(dòng)態(tài)平衡，這時(shí)在兩相間形成了鋅電極上帶有負(fù)電荷而溶液一側(cè)帶有正電荷的離子雙層。二氧化錳電極中存在著相似的情況，只是電極在帶正電荷而形成的雙層溶液一側(cè)的離子是負(fù)離子[ 4 ]。</p><p>　　有些電池的反應(yīng)（ 如鋰電池），是以（嵌入—脫嵌）方式進(jìn)行的。鋰電池的負(fù)極一般是金屬鋰或含鋰物質(zhì)，正極主要由活性物質(zhì)

70、和集電極組成。電池在充電時(shí)，鋰離子從正極活性物質(zhì)中脫出進(jìn)入電介質(zhì)中，通過(guò)電解質(zhì)嵌入到負(fù)極活性材料中；相反，放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極活性材料中脫出進(jìn)入電解質(zhì)中，通過(guò)電解質(zhì)嵌入到正極活性材料中。例如，金屬鋰/二硫化鈦電池放電時(shí)，發(fā)生的反應(yīng)可表示[ 5]：</p><p>　　鋰離子電池充放電的反應(yīng)為：</p><p>　　正極反應(yīng) </p><p>　　負(fù)極反

71、應(yīng) </p><p>　　總反應(yīng) </p><p>　　發(fā)生還原反應(yīng)的一極為陰極，即負(fù)極，而發(fā)生氧化反應(yīng)的一極為陽(yáng)極，即正極。為了便于理解和記憶，歸納于表2-1中。</p><p>　　表2-1 化學(xué)電源充放電過(guò)程電極極性</p><p>　　2.1.4各類電池的特點(diǎn)</p><p>

72、　　2.1.4.1 原電池組</p><p>　　2.1.4.1.1錳鋅電池 </p><p>　　錳鋅電池是我們常見(jiàn)的干電池，價(jià)格最便宜，但性能較差。此種電池使用在大電流連續(xù)放電時(shí)的安培小時(shí)值低于小電流間歇放電的安培小時(shí)值，所以一般使用在小電流、間歇放電情況

73、。使用時(shí)溫度范圍應(yīng)在-10℃至+45℃以內(nèi)。 </p><p>　　2.1.4.1.2 堿性電池</p><p>　　堿性電池與錳鋅電池不同的是電解質(zhì)采用氫氧化鉀。因此性能要好得多，價(jià)格也貴些，約為前者的四倍。它的放電特性曲線平坦，連續(xù)放電或間歇放電在容量上差異不大。使用溫度應(yīng)在-20℃至+70℃以內(nèi)。從理論上講其放電量是錳

74、鋅電池的1.4倍，但實(shí)際使用時(shí)可達(dá)2-3倍的放電量。也可經(jīng)過(guò)充電后繼續(xù)使用，但充電時(shí)不要過(guò)熱。它的自泄漏電流很小，故使用壽命及貯存壽命都較長(zhǎng)。據(jù)資料上介紹，其自放電量每年為其容量的100%。</p><p>　　2.1.4.1.3 水銀電池</p><p>　　水銀電池的容量較前面兩種高，電壓平穩(wěn)性也較好，耐連續(xù)放電，保存時(shí)間較長(zhǎng)，耐70℃高溫使用，但低溫使用差。價(jià)格比錳電池高約8倍。&l

75、t;/p><p>　　2.1.4.1.4 氧化銀電池</p><p>　　氧化銀電池與水銀電池差不多，耐低溫，較前者好，但因?yàn)槌杀靖?，價(jià)格貴。圖2-2為以上四種電池的放電曲線圖。 </p><p>　　圖2-2 四種電池的放電曲線圖</p><p>　　2.1.4.1.5 鋰電池</p><p>　　鋰電池是新開(kāi)發(fā)

76、的一種優(yōu)良電池，現(xiàn)已使用較多。電壓為3V。漏電小，儲(chǔ)存壽命可達(dá)5年以上，其容量才降低5％。溫度特性好，價(jià)格比氧化銀電池便宜。如用于A級(jí)放電，使用時(shí)間可同儲(chǔ)存壽命。主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　高電壓：標(biāo)稱電壓為3V，用時(shí)方便；</p><p>　　高能量密度：是錳鋅電池的5～10倍；</p><p>　　耐長(zhǎng)期使用與貯存穩(wěn)定性好：由于它的化學(xué)性能，熱性能穩(wěn)定，

77、長(zhǎng)期自</p><p>　　放電小，放氣體效應(yīng)小，故泄漏溶液極少；</p><p>　　放電電壓曲線平坦：因它的內(nèi)阻很穩(wěn)定；</p><p>　　溫度性能好：鋰電池采用有機(jī)電解液，溫度范圍很寬，-40～+85℃。</p><p>　　(6)安全性：因正極采用氟化炭固體，遇熱化學(xué)穩(wěn)定性好、不分解、不腐蝕。圖2-3及圖2-4為鋰電池放電特性。&l

78、t;/p><p>　　圖2-3 鋰電池長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)放電特性 圖2-4 鋰電池放電時(shí)間與溫度的關(guān)系</p><p>　　2.1.4.2 充電電池組</p><p>　　可充性二次電池是一種儲(chǔ)能元件，也是一種最穩(wěn)定的直流電源，被移動(dòng)通信、手機(jī)、攝像機(jī)、筆記本電腦等便攜式儀器直流電源。目前廣泛應(yīng)用的二次性電池主要有五類，它們是：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、

79、鋰金屬電池及鋰離子電池。為便于對(duì)這些二次性電池性能有所了解，在表2-2中對(duì)它們的性能特點(diǎn)作了簡(jiǎn)單的比較。</p><p>　　表2-2 幾種二次電池性能比</p><p>　　以前有兩種普通充電電池，即鉛酸電池和鎳鎘電池，他們的能量密度與原電池差別非常大，同時(shí)又含有重金屬，因而受到環(huán)保法規(guī)的限制。正因?yàn)檫@些原因，從而刺激了其他技術(shù)的發(fā)展。其中主要有鎳金屬氫化物（NiMH）和鋰離子技術(shù)。

80、以下為一些可充電電池的特點(diǎn)。</p><p>　　2.1.4.2.1 鉛酸電池</p><p>　　鉛酸電池屬于酸性蓄電池類，已有百余年的歷史。由于它的制造工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、容量大，所以是目前使用量最多的二次性電池，廣泛應(yīng)用于交通、應(yīng)急燈、家用燈、家用逆變器及功率較大的移動(dòng)電子產(chǎn)品。</p><p>　　鉛酸電池基本工作原理如圖2-5所示。鉛酸電池主要有正負(fù)極板、

81、點(diǎn)解質(zhì)以及電池槽等組成，電解質(zhì)是稀硫酸液。當(dāng)兩極間放入稀硫酸電解液時(shí)，正極板活性物二氧化鉛（PbO2）與負(fù)極板上的活性物質(zhì)海綿狀鉛（Pb）將發(fā)生充放電的化學(xué)反應(yīng)，使兩極板間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。其化學(xué)反應(yīng)式如下[6]：</p><p>　　在放電過(guò)程中，電解液比重下降，電池內(nèi)阻增大，電動(dòng)勢(shì)降低，放電終了時(shí)，電動(dòng)勢(shì)可下降到1.8V左右。</p><p>　　在充電過(guò)程中外接直流電源。當(dāng)外接直流電源的電

82、壓高于電池的電動(dòng)勢(shì)時(shí)，電流從正極板流入電池，經(jīng)過(guò)電解液從負(fù)極板流出，這樣負(fù)極板會(huì)出現(xiàn)過(guò)剩的負(fù)電荷，而正極板會(huì)出現(xiàn)過(guò)剩的正電荷，使電池的電動(dòng)勢(shì)增加，極板上的活性物質(zhì)被還原。</p><p>　　圖2-5 鉛酸電池基本工作原理</p><p>　　鉛酸電池放電完后應(yīng)立即充電。比較常用的方法為分級(jí)定流充電法，第一段用10小時(shí)率電流充電6～7小時(shí)，使電池電壓達(dá)到2.4V/只。第二階段用20小時(shí)率

83、電流充電14～17小時(shí)。充電電流及充電時(shí)間之間的關(guān)系為：</p><p>　　式中：C——鉛酸電池的標(biāo)稱容量Ah；</p><p>　　10——電流常數(shù)，20小時(shí)率充電時(shí)取20（h）；</p><p>　　K——所需充入標(biāo)稱容量的倍數(shù)，取1.3C。</p><p>　　這種充電方法所用的充電時(shí)間很長(zhǎng)，于是又出現(xiàn)了快速充電法?？焖俪潆姺ㄊ且环N脈

84、沖電流充電，采用充電—停止—放電—充電的工作模式，可使充電時(shí)間減小到1~2小時(shí)。</p><p>　　正因?yàn)槿绱?，鎳鎘電池在飛機(jī)啟動(dòng)、衛(wèi)星通信、計(jì)算機(jī)、電子儀器及各類電子產(chǎn)品中到了廣泛的應(yīng)用。但由于鎳鎘電池對(duì)環(huán)境存在污染，今后會(huì)逐漸被鎳氫電池和鋰離子電池所取代。</p><p>　　2.1.4.2.2 鎳氫電池</p><p>　　鎳氫電池與鎳鎘電池相似，也可分為圓

85、柱形和矩形結(jié)構(gòu)。鎳氫電極的正極板材料為鎳化合物，負(fù)極極板材料為吸氫的合金，電解液為30%的KOH水溶液，隔膜采用多孔維尼龍無(wú)紡布或尼龍無(wú)紡布，鎳氫電池與鎳鎘電池的不同之處在于它用吸氫合金代替了鎳鎘電池中的鎘，解決了鎘對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題。鎳氫電池具有以下特點(diǎn)[7]：</p><p>　　鎳氫電池能量密度高、容量大，是鎳鎘電池的1.5～2倍。</p><p>　　鎳氫電池電壓1.2V，可與鎳鎘電

86、池互換。</p><p>　　內(nèi)阻低，可快速放電。</p><p>　　可快速充電，使用安全。</p><p>　　壽命長(zhǎng)、可靠性高、性能好，不污染環(huán)境。</p><p><b>　　價(jià)格低。</b></p><p>　　鎳氫電池放電電流對(duì)放電電壓和放電容量的關(guān)系如圖2-6所示。曲線表明，放電電流

87、越大，在相同的放電容量事，放電電壓越低，在相同的放電電壓下，放電容量越低。</p><p>　　圖2-6 鎳氫電池的放電特性</p><p>　　2.1.4.2.3 鋰離子電池</p><p>　　雖然鋰金屬電池能量高、自放電率低，但由于采用金屬鋰做負(fù)極材料，使電池存在著安全方面的問(wèn)題，所以，鋰金屬電池一直沒(méi)有得到大量的應(yīng)用。后來(lái)人們又研制成功了鋰離子電池，取代了

88、鋰金屬電池。</p><p>　　鋰離子電池有圓柱形和矩形兩種基本結(jié)構(gòu)，如圖2-7所示。它的正電極包括由鋰(Li)和二氧化鉆(CO2)組成的鋰離子收集極和由薄膜組成的電流收集極。它的負(fù)極則由片狀碳組成的鋰離子收集極和銅薄膜組成的電流收集極組成，在正負(fù)極問(wèn)采用一種非常精細(xì)而浸透性很強(qiáng)的聚乙烯薄膜做隔離材料。電池中充滿了LiPF6有機(jī)電解質(zhì)溶液。為了避免使用不當(dāng)造成電池的損壞，通常在鋰離子電池中設(shè)有三種安全機(jī)構(gòu)：一種

89、是正溫度系數(shù)的PTC元件，當(dāng)電池溫度升高時(shí)，PTC的阻值會(huì)增大，自動(dòng)將負(fù)極引線與負(fù)極之間的電路切斷；另一種是安全閥，當(dāng)鋰離子電池內(nèi)的壓力增高到一定數(shù)值時(shí)，安全閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)降壓；還有一種就是用特種材料制成隔板，當(dāng)鋰離子電池內(nèi)的溫度升高到一定數(shù)值時(shí)，隔板上的微孔會(huì)自動(dòng)溶解掉，從而使電池內(nèi)的反應(yīng)停止。</p><p>　　圖2-7 鋰離子電池結(jié)構(gòu)</p><p>　　充電時(shí)，正極中的鋰原

90、子電離成鋰離子和電子，通過(guò)電解質(zhì)由正極移向負(fù)極，并在負(fù)極和電子復(fù)合成鋰原子，嵌入到碳層中間。放電時(shí)，嵌入碳層中的鋰原子脫離負(fù)極，在負(fù)極表面電離成鋰離子及電子，分別通過(guò)電解質(zhì)及負(fù)載向正極流動(dòng)，在正極表面復(fù)合成鏗原子，然后嵌入到氧化鉆鏗品狀層中。從以上不難看出，鋰離子電池的充放電過(guò)程是鋰離子在正、負(fù)極問(wèn)的往返移動(dòng)。</p><p>　　鋰離子電池的額定電壓為3.6(有的產(chǎn)品為3.7)。充滿電時(shí)的終止充電電壓與電池的正

91、極材料有關(guān)，正極材料為石墨的為4.2V，正極材料為焦碳的為4.2V。</p><p>　　鋰離子電池有以下特點(diǎn)[ 7 ]。 ．</p><p>　　工作電壓高。單只鋰離子電池電壓為3.6V，這相當(dāng)于三只鎳鎬或鎳氫電池的串聯(lián)電壓；</p><p>　　不污染環(huán)境。鋰離子電池中不含鎘、鉛等污染環(huán)境的物質(zhì)材料；</p><p>　　能量密度高

92、、體積小、重量輕；</p><p>　　無(wú)記憶效應(yīng)，充電前不需要放電；</p><p>　　輸出容量大。鋰離子電池具有1.5C連續(xù)放電能力；</p><p>　　壽命長(zhǎng)。正常工作條件下，鋰離子電池充放電壽命次數(shù)比其他二次性電池高，為500~1000次；</p><p>　　可快速充電。但充電速率不能超過(guò)1C；</p><p

93、>　　價(jià)格高，且無(wú)法與鎳鎘以及鎳氫電池互換。</p><p>　　鋰離子電池的充電特性曲線如圖2-8所示。曲線表明了充電電壓、充電電流及充電時(shí)間之間關(guān)系。</p><p>　　鋰離子電池的放電特性曲線如圖2-9所示。開(kāi)始放電時(shí)的充電足電壓為4.2V，終止放電電壓為3.0V。對(duì)同一電池而言，放電電流大小不用，放電終止的時(shí)間也大小不相同。</p><p>　　圖2

94、-8　鋰離子電池充電特性曲線　 圖2-9 鋰離子電池放電特性曲線</p><p>　　使用鋰離子電池時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[ 7 ]。</p><p>　　鋰離子電池不適合大電流放電，使用時(shí)放電電流應(yīng)小于生產(chǎn)廠給出的最大放電電流；</p><p>　　鋰離子電池的終止放電電壓一般規(guī)定為2.55～2.75V，使用時(shí)，放電終止電壓不應(yīng)低于規(guī)定值，否則會(huì)影響電池

95、的使用壽命；</p><p>　　鋰離子電池對(duì)充電條件的要求是很高的。它要求有精密的充電電路，可保證充電電壓為4.20.042V，過(guò)壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性的損壞；</p><p>　　鋰離子電池一般使用的充電率為（0.25～1）C，充電時(shí)要有限流電流，以免發(fā)生過(guò)流充電。在大電流時(shí)要檢測(cè)電池的溫度，以防過(guò)熱損壞電池或發(fā)生爆炸。</p><p>　　2.2常用于可

96、充電便攜設(shè)備的幾種電池的特點(diǎn)及其性能的比較</p><p>　　2.2.1可充電電池的主要參數(shù)</p><p>　　可充電電池有5個(gè)主要參數(shù): 電池的容量、標(biāo)稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。電池的容量由電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定, 通常用毫安時(shí)mAh表示, 1000mAh 就是能以1A的電流放電1h, 換算為所含電荷量大約為3600C。電池正負(fù)極之間的電勢(shì)差稱為電池的標(biāo)稱電壓. 標(biāo)

97、稱電壓由極板材料的電極電位和內(nèi)部電解液的濃度決定。當(dāng)環(huán)境溫度、工作狀態(tài)變化時(shí)，電池的輸出電壓略有變化；此外,電池的輸出電壓與電池的剩余電荷量也有一定關(guān)系。一般情況下單元鎳鎘電池的標(biāo)稱電壓約為1.3V(一般認(rèn)為大約是1.25V),單元鎳氫電池為1.25V,單元鋰離子電池為3.6V。電池的內(nèi)阻由極板的電阻和離子流的阻抗決定，在充放電過(guò)程中,極板的電阻是不變的,但離子流的阻抗將隨電解液濃度和帶電離子的增減而變化。一般來(lái)講單元鎳鎘電池的內(nèi)阻為7

98、～19mΩ ,單元鎳氫電池的內(nèi)阻為18～35mΩ ,單元鋰離子電池的內(nèi)阻為80～100mΩ[ 8 ]。</p><p>　　可充電電池充足電時(shí),極板上的活性物質(zhì)已達(dá)到飽和狀態(tài),再繼續(xù)充電,蓄電池的電壓也不會(huì)上升,此時(shí)的電壓稱為充電終止電壓.單元鎳鎘電池的充電終止電壓為1.75-1.8 V, 鎳氫電池為1.5 V, 鋰離子電池為4.2 V。放電終止電壓是指蓄電池放電時(shí)允許的最低電壓。如果電壓低于放電終止電壓后蓄電池

99、繼續(xù)放電, 電池兩端電壓會(huì)迅速下降,形成深度放電,這樣,極板上形成的生成物在正常充電時(shí)就不易再恢復(fù),從而影響電池的壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān),一般來(lái)講單元鎳鎘電池的放電終止電壓為1.1V,鎳氫電池為1V, 鋰離子電池為2.7V。</p><p>　　2.2.2幾種常用于可充電便攜設(shè)備電池的特點(diǎn)及性能比較</p><p>　　隨著便攜設(shè)備的普及,可充電電池在人們的日常生活中已隨處可見(jiàn),成

100、為必不可少的日常生活用品之一。當(dāng)前，便攜式充電電池主要有鎳鎘電池(Ni-Cd)、鎳氫電池(Ni-H)及鋰離子電池（包括液態(tài)電解質(zhì)的LIB及聚合物電解質(zhì)LPB）。下面列出三種電池的特點(diǎn)及性能比較：</p><p>　　2.2.2.1鎳鎘電池(Ni-Cd)</p><p>　　鎳鎘電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物,負(fù)極材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉,電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。值

101、得注意的是鎳鎘蓄電池過(guò)充電時(shí),將使電池內(nèi)發(fā)生分解水的反應(yīng),在正、負(fù)極板上將分別有氧氣和氫氣析出。氣泡聚集在極板表面,將減小極板表面參與化學(xué)反應(yīng)的面積并且增加電池的內(nèi)阻。這些氣體,如果不能很快復(fù)合為水,電池內(nèi)部的壓力就會(huì)顯著增加,這樣將損傷電池,所以壓力過(guò)大時(shí),密封電池將打開(kāi)放氣孔,從而使電解液逸散；但若反復(fù)通過(guò)放氣孔逸散氣體, 電解液的粘稠性將增大,極板間離子的傳輸變得困難, 電池的內(nèi)阻將顯著增加,電池容量下降。</p>

102、<p>　　鎳鎘電池使用過(guò)程中, 如果電量沒(méi)有全部放完就開(kāi)始充電,下次再放電時(shí), 就不能放出全部電荷量。比如, 鎳鎘電池只放出80%的電荷量后就開(kāi)始充電, 充足電后,該電池也只能放出原來(lái)80%的電量,這種現(xiàn)象稱為“記憶效應(yīng)”。其主要出現(xiàn)在一些放電終止電壓被設(shè)定得較高的設(shè)備中,每次電池沒(méi)有完全放電,設(shè)備就自動(dòng)關(guān)機(jī)了,長(zhǎng)期如此電池就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”, 可用電容量越來(lái)越少. “記憶效應(yīng)”出現(xiàn)的主要原因是電池部分放電后, 氫氧

103、化亞鎳沒(méi)有完全變?yōu)闅溲趸? 剩余的氫氧化亞鎳將結(jié)合在一起, 形成較大的結(jié)晶體,變大的結(jié)晶體一般難以還原, 造成了電池內(nèi)活性物質(zhì)減少。</p><p>　　鎳鎘電池是最早應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備的電池種類, 它耐過(guò)充放電能力強(qiáng)、維護(hù)簡(jiǎn)單. 但其相比鎳氫電池和鋰離子電池而言有很多缺點(diǎn), 如: 在充放電過(guò)程中如果處理不當(dāng), 會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的“記憶效應(yīng)”, 使用壽命大大縮短; 鎘是有毒的, 因而鎳鎘電池不利于生態(tài)環(huán)境施

104、保護(hù)等等. 眾多的缺點(diǎn)使得鎳鎘電池現(xiàn)已基本被淘汰出數(shù)碼設(shè)備的應(yīng)用范圍[8]。</p><p>　　2.2.2.2鎳氫電池(Ni-H)</p><p>　　鎳氫電池的容量比鎳鎘電池大,一般為兩倍左右,其正極的主要成分為氫氧化鎳,負(fù)極主要為無(wú)污染物質(zhì)的合金粉,電解液是30% 氫氧化鉀水溶液。鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似,過(guò)充電時(shí), 正極板析出氧氣,負(fù)極板析出氫氣。但由于有催化劑的氫電極面積大,

105、氫氣能夠隨時(shí)擴(kuò)散到氫電極表面, 所以氫氣和氧氣能夠相對(duì)容易的在蓄電池內(nèi)部再化合生成水,使容器內(nèi)的氣體壓力基本保持不變。雖然如此,長(zhǎng)時(shí)間過(guò)充后,電池內(nèi)氣壓過(guò)高,就可能會(huì)爆炸。</p><p>　　鎳氫電池也有記憶效應(yīng),但相對(duì)鎳鎘電池較小。鎳氫電池或鎳鎘電池的記憶效應(yīng)一般可以通過(guò)幾次深充深放來(lái)緩解。深放電一般要把電池的電壓放到放電終止電壓以下,對(duì)于單個(gè)電池一般為1V以下,但不可過(guò)低,否則將造成較大的永久性損害。最好不

106、要用自制的設(shè)備進(jìn)行深度放電,尤其是用一根導(dǎo)線和一個(gè)小燈泡將電池正負(fù)極相連進(jìn)行放電的手段更不可取,因?yàn)檫@樣無(wú)法控制放電電壓,電壓過(guò)低會(huì)嚴(yán)重的損害電池。建議使用帶有放電功能和過(guò)充保護(hù)功能的設(shè)備來(lái)進(jìn)行深充和深放。</p><p>　　鎳氫電池內(nèi)阻小,可供大電流的放電,放電時(shí)電壓的變化很小;并且廢舊電池易于回收再利用,對(duì)環(huán)境的破壞也最小;其成本和價(jià)格較低,作為直流電源是一種質(zhì)量極佳的電池。鎳氫電池主要可以用于制作柱式可充

107、電電池,在時(shí)鐘、電子游戲機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)和部分筆記本電腦中有所應(yīng)用[8]。</p><p>　　2.2.2.3鋰電池(Li)</p><p>　　鋰電池分成兩大類:不可充電的和可充電的。不可充電的電池稱為一次性電池,它只能將化學(xué)能一次性地轉(zhuǎn)化為電能,不能將電能還原回化學(xué)能, 如鋰二氧化錳電池等?？沙潆姷姆Q為二次性電池,也就是俗稱的鋰離子電池(Li-Ion)。鋰離子電池的正極是含鋰的過(guò)渡

108、金屬氧化物,負(fù)極是碳素材料,如石墨等,電解質(zhì)是含鋰鹽的有機(jī)溶液. 電池中無(wú)論在正負(fù)極還是在電池隔膜中,鋰都是以離子形式存在的。電池在工作時(shí),鋰離子在正負(fù)極及電解質(zhì)隔膜中定向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)電池充電時(shí),正極釋放出鋰離子到電解質(zhì)中,這個(gè)過(guò)程是脫嵌；負(fù)極從電解質(zhì)中吸入鋰離子, 這個(gè)過(guò)程是嵌入。而電池放電過(guò)程和上述情況正好相反,這種充放電時(shí)鋰離子往返的嵌入和脫嵌的過(guò)程就好像搖椅一樣搖來(lái)?yè)u去, 故有人形象的稱鋰離子電池為“搖椅電池” 。</p>

109、;<p>　　鋰離子電池與鎳鎘電池和鎳氫電池相比,有很多優(yōu)點(diǎn)。鋰離子電池不存在記憶效應(yīng)；相同的電容量下,體積非常??；使用電壓為3.6V,是鎳鎘電池、鎳氫電池的3倍；可使用的溫度范圍廣( - 20℃～60℃) ,而鎳氫電池為( 0℃～50℃)。同時(shí)鋰離子電池的自放電率也比較低。自放電率,是指在一段時(shí)間內(nèi),電池在沒(méi)有使用的情況下,自動(dòng)損失的電量占總?cè)萘康陌俜直?。一般在常溫?鎳鎘電池的自放電率為每月13% ～15%, 鎳氫電池