电池基本原理：一次电池与二次电池的异同点及特点解析

电池基本原理：一次电池与二次电池的异同点及特点解析

电池基础知识

什么是电池？

电池是一种能量转换和储存的装置，主要通过化学反应将化学能或物理能转换成电能。电池是一种化学电源，由两个不同成分的电化学活性电极组成，一个正极，一个负极，两个电极浸没在能提供介质导电的电解质中，当与外部载体连接时，通过将其内部的化学能转换成电能来提供电能。

一次电池和二次电池有哪些相同点和不同点？

一次电池只能放电一次，而二次电池（又称充电电池）则可以反复充放电，循环使用。充电电池在放电时，电极的体积和结构会发生可逆变化，因此在设计时必须调整这些变化。一次电池的内部结构要简单得多，因为它不需要调整这些可逆变化。一次电池的质量容量比和体积容量比都大于一般充电电池，但内阻却比二次电池大得多，因此负载能力较低。此外，一次电池的自放电也比二次电池小得多。

什么是 IEC 标准？

IEC标准即国际电工委员会（IEC），是由各国电工委员会组成的全球性标准化组织，其宗旨是推动世界电气电子工程领域的标准化。镍镉电池的标准是 ，镍氢电池的标准是 ，锂离子电池的标准是 。一般电池行业遵循SANYO或其他公司的标准。

电池常用的标准有哪些？

电池常见的IEC标准有：

镍镉电池的标准是；

镍氢电池的标准是.1；

锂电池的标准是.11。

常见的电池国家标准有：

镍镉电池的标准有GB/T、GB/T；

镍氢电池的标准有GB/T、GB/T；

锂电池的标准有GB/T、YD/T、

GB/T.

此外，电池标准还有日本工业标准（JIS C）。

以及三洋和该公司制定的电池企业标准。

镍镉电池的电化学原理是什么？

镍镉电池以Ni(OH)2为正极，CdO为负极，以碱性溶液（主要是KOH）为电解液。镍镉电池充电时，在正极发生以下反应

Ni(OH)2 –e + OH- → NiOOH + H2O

负极处的反应：

Cd(OH)2 + 2e → Cd + 2OH-

总反应为：2Ni(OH)2 + Cd(OH)2→ + Cd+ 2H2O

放电过程中，反应逆向：NiOOH + H2O + e → Ni(OH)2 + OH-

镉 + 2OH- + 2e→ 镉（OH）2

充电时，随着NiOOH浓度的增加、Ni(OH)2浓度的降低，正极电位逐渐上升，随着Cd浓度的增加、Cd(OH)2浓度的降低，负极电位逐渐下降。当电池充满电时，正负极电位达到一个平衡值，两电位之差就是电池的充电电压。

镍氢电池的电化学原理是什么？

镍氢电池采用与镍镉电池相同的镍氧化物作为正极，储氢金属作为负极，碱性溶液（主要是KOH）作为电解液。镍氢电池充电时，在正极处的反应如下：

Ni(OH)2 –e + OH- → NiOOH + H2O

负极反应：MHn + ne → M + n/2H2

放电时，正极：NiOOH + H2O + e → Ni(OH)2 + OH-

负极：M+n/2H2→MHn+ne。

锂离子电池的电化学原理是什么？

锂离子电池正极的主要成分是C，负极的主要成分也是C。

阴极反应：-> Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

负极反应：C + xLi+ + xe- -> CLix

总体电池反应：+ C -> Li1-xCoO2 + CLix

放电时发生上述反应的逆反应。

电池的主要结构部件有哪些？

电池的主要部件有：正极板、负极板、隔膜纸、盖帽、外壳、绝缘层。

手机锂电池由哪些部分组成，各部分的作用是什么？

手机锂电池主要由塑胶壳、上下盖、锂电池电芯、保护电路板（PCB）及自恢复保险丝（）组成，部分厂商还会配置NTC、识别电阻、震动马达或充电电路等元器件。

各部分功能如下：

（1）锂电池：提供可充电电源。

（2）保护电路板（PCB）：防止电池过度充电、过度放电和短路。

（3）自恢复保险丝（PTC）：正热敏电阻提供高温保护，也可作为电路板故障的双重保护。

（4）自恢复保险丝（NTC）：负热敏电阻，感应电池内部温度，提供低温保护。

（5）识别电阻：识别原装电池，非原装电池不能使用。

电池的包装材质有哪些？

（1）不干性纸张（如纤维纸双面胶带）

（2）PVC薄膜商标管

（3）连接件（不锈钢件、纯镍件、镀镍钢件）

（4）引出片（不锈钢片---容易焊接，纯镍片---点焊牢固）

（5）插头

（6）保护元件（如温控开关、过流保护器、限流电阻）

（7）纸箱

（8）塑料外壳

电池包装组合与设计的目的是什么？

（1）精美的品牌标志设计

（2）电池电压限制（要获得更高的电压，必须将多个电池串联起来）

（3）保护电池，防止短路，延长电池寿命

（4）尺寸限制

（5）便于运输（如纸箱、纸盒设计等）

（6）特殊功能设计（如防水、特殊外观设计等）

使用电池时应采取哪些预防措施？

（1）仔细阅读电池说明并使用推荐的电池。

（2）检查电器及电池的接触点是否清洁，必要时可用湿布擦拭干净，干燥后按照正确的极性方向安装。

（3）请勿让儿童在没有成人监督的情况下更换电池。AAA 等小型电池应存放在儿童接触不到的地方。

（4）不要将新旧电池或不同型号的电池混用。

（5）请勿尝试通过加热、充电或其他方法再生原电池。

（6）请勿使电池短路。

（7）请勿加热电池或者将其掉入水中。

（8）请勿拆卸电池。

（9）电器使用完毕后应断开电源。

（10）长期不使用的电器，应将电池取出。

（11）电池应存放在阴凉干燥处，避免阳光直射。

电池对环境有何影响？

如今几乎所有的电池都不含汞，但重金属仍然是汞电池、可充电镍镉电池和铅酸电池的重要组成部分。如果处理不当且数量庞大，这些重金属将对环境造成有害影响。目前，世界上有专门的组织回收镍镉锰酸电池和铅酸电池。例如，非营利组织RBRC。

海尚一直致力于生产环保电池（NiMH、Li-ion）来替代NiCd电池。

环境温度如何影响电池性能？

在所有环境因素中，温度对电池充放电性能影响最大。电极/电解液界面的电化学反应与环境温度有关，电极/电解液界面被视为电池的心脏。如果温度下降，电极的反应速度也会下降，假设电池电压不变，放电电流减小，电池功率输出也会减小。如果温度上升，则相反，即电池输出功率会增加。温度还影响电解液的传输速度，温度上升时传输速度加快，温度下降时传输速度减慢，电池的充放电性能也会受到影响。但如果温度过高，超过45℃，则会破坏电池内的化学平衡，引起副反应。

镍镉、镍氢电池在低温下（如-15℃以下）放电效率会明显降低，而在-20℃时碱溶液达到凝固点，电池充电速度也会大大降低。在0℃以下的低温下充电，电池内压会升高，可能使安全阀打开。为了有效充电，环境温度范围应在5-30℃之间。一般情况下，充电效率会随着温度的升高而提高，但当温度升至45℃以上时，充电电池材料的性能在高温下会下降，电池循环寿命会大大缩短。

充电控制方式有哪些？

为了防止电池过充，需要对充电终点进行控制。当电池充满电后，会有一些特殊的信息来判断充电是否到达终点。一般来说，防止电池过充有六种方法：

（1）峰值电压控制：通过检测电池的峰值电压来确定充电终点

（2）dT/dt控制：通过检测电池峰值温度的变化率来确定充电终点

（3）T控制：当电池充满电时，温度与环境温度的差值将达到最大

（4）-V控制：当电池充满电并达到峰值电压时，电压会下降到某一值。

（5）时序控制：通过设定一定的充电时间来控制充电终点。一般设定充电至标称容量的130%所需的时间来控制充电终点。

（6）TCO控制：考虑到电池的安全性和特性，应避免在高温下充电（高温电池除外）。因此，当电池温度上升60°C时，应停止充电。

过度充电对电池性能有何影响？

过充电是指电池通过一定的充电过程充满电后继续充电的行为。对于镍镉电池，过充电会产生以下反应：

正极：4OH--4e→2H2O+O2↑

负极：2Cd + O2 → 2CdO

由于设计时负极容量大于正极容量，正极产生的氧气可以透过隔膜纸与负极产生的镉复合，因此在正常情况下，电池内压不会明显升高。但如果充电电流过大或充电时间过长，产生的氧气来不及消耗，就可能造成内压升高，电池变形、漏液等不良现象，同时其电气性能也会明显下降。

什么是过度放电？它对电池性能有什么影响？

当电池将内部储存的电量全部放完，电压达到一定值时，继续放电就会造成过放电。放电截止电压通常根据放电电流大小确定，0.2C-2C放电一般设定为1.0V/cell，3C以上如5C、10C则设定为0.8V/cell。电池的过放电可能会给电池带来灾难性的后果，特别是大电流过放电或者反复过放电。一般来说，过放电会使电池内压升高，正负极活性物质的可逆性会遭到破坏，即使充电也只能部分恢复，容量也会明显衰减。

电池组放电时间短的可能原因有哪些？

（1）电池没有充满电，比如充电时间不足，或充电效率低。

（2）放电电流太大，降低放电效率，缩短放电时间。

（3）电池放电时环境温度过低，放电效率下降

电池寿命短的可能原因有哪些？

（1）充电器或充电电路与电池类型不匹配。

（2）过充电和过放电

（3）电池类型与用电器要求不匹配

不同容量的电池一起使用会出现什么问题？

如果将不同容量的电池或新旧电池混在一起使用，可能会出现漏液或零电压的情况。这是因为在充电过程中，容量差异导致有的电池过充，有的电池欠充。放电时，有的容量大的电池放电不充分，有的容量小的电池放电过度。如此恶性循环，导致电池损坏而漏液或电压低（零）。

电池使用后或长期不使用时，可以存放在电器中吗？

若电器长时间不使用，最好将电池取出，放置于低温、干燥的地方，否则即使电器关闭，系统仍会导致电池电流输出低，缩短电池寿命。

每次使用后都应将无绳电话放回支架上吗？

按照惯例和无绳电话的设计，每次使用后都应将其放回底座上。这样可以激活电池，补充放电容量和因自放电而损失的容量。但我们建议不时将电池完全放电，以恢复电池的初始容量和放电性能。当然，如果长时间不使用电话，最好将无绳电话取下，以避免电池长期过充。另外，由于无绳电话系统即使在关闭后仍会有小电流放电，因此长时间不使用时应将电池取下并置于开路状态，使用时再充电。

存储电池的最佳条件是什么？

根据IEC标准，电池应在温度为20±5℃、湿度为（65±20）%的环境中储存。一般来说，电池储存温度越高，剩余容量越低。反之亦然。冰箱是储存电池的最佳场所，温度为0℃-10℃。对于一次电池尤其如此。即使二次电池在储存后损失了容量，也可以通过多次充电和放电来恢复。

电池可以保存多长时间？

理论上讲，电池在储存时总是有能量损失的。电池本身固有的电化学结构决定了电池容量不可避免地会有损失，主要原因是自放电。通常自放电的大小与正极材料在电解液中的溶解度及其受热后的不稳定性（易自分解）有关。充电电池的自放电比一次电池高得多，而且不同的电池类型，电池的月自放电率也不尽相同，一般在10-35%之间不等。一次电池的自放电明显较低，常温下每年不超过2%。在储存过程中，自放电伴随电池内阻的增加，会造成电池负载能力下降。在放电电流较大的情况下，能量损失变化非常明显。下表列出了正常储存条件下自放电的近似值：

类型 自放电

碱性锰MnO2/Zn圆形电池2%

锌碳MnO2/Zn圆形电池<4%

锂离子圆形电池和纽扣电池约1%

镍镉/镍氢电池 <35%

什么是短路？它会对电池性能产生什么影响？

将电池的两端连接到任何导体都会引起外部短路。

短路对不同类型的电池可能带来不同的后果。例如，电解液温度升高，内部气压升高，如果气压值超过电池盖帽压力值，电池就会漏液。这种情况严重损害电池。如果安全阀失效，甚至可能引起爆炸。因此，不要对电池进行外部短路。

什么是记忆效应？如何消除？

记忆效应是镍镉电池特有的，由于传统工艺中负极烧结，镉颗粒较粗大，如果镍镉电池在未完全放电的情况下再次充电，镉颗粒容易聚集成块，在电池放电时形成二次放电平台。电池会把这个放电平台储存起来，作为下次循环的放电终点，尽管电池自身的容量可以将电池放电到更低的平台。在之后的放电过程中，电池只会记住这个低容量。而且在每次使用中，任何一次不完全放电都会加深这种效应，使电池容量更加低下。

消除这种影响的方法有两种，一是采用小电流深度放电（如0.1C至0V）；二是采用大电流多次充放电（如1C）。

电池电压为零或低的可能原因有哪些？

（1）电池受到外部短路、过充或反向充电（强制过放电）

（2）电池持续高倍率、大电流过充电，造成电池芯鼓胀、正极直接接触短路

（3）电池发生内部短路或微短路，如：正负极上的毛刺刺穿隔膜纸而短路、正负极安装不当导致电极短路，或正极接触钢壳短路、负极掉入隔膜纸、隔膜纸本身缺陷、正极极耳接触负极短路等。

电池电压为零或低的可能原因有哪些？

（1）单体电池电压是否为零？

（2）插头短路、断路、接触不良。

（3）引线与电池脱焊或焊接不良。

（4）电池内部连接不正确，连接件与电池之间出现漏焊、冷焊、脱焊等

（5）电池内部电子元件连接错误或损坏

电池组无法充电的可能原因有哪些？

（1）电池电压为零或电池组中有零电压电池

（2）电池组连接错误，内部电子元器件、保护电路异常。

（3）充电装置故障，无输出电流

（4）外界因素造成充电效率过低（如极低或极高的温度）

电池组无法放电的可能原因有哪些？

（1）电池寿命在储存和使用后会减少。

（2）充电不足或不充电

（3）环境温度太低

（4）放电效率低（例如普通电池在大电流放电时，由于内部物质的扩散速度跟不上反应速度，导致电压急剧下降，无法放出电力）。

电池充满电后温度为何会急剧上升？电压为何会突然下降？

当镍镉电池充满电后，再继续充电，就认为是过充电了。由于正极Ni(OH)2已基本转化为NiOOH，电池电位在此温度下达到平衡值（最大值）。此时外部恒流过充电使OH-氧化，产生氧气。

化学反应：4OH--e→O2+2H2O+热

产生的氧气穿过隔膜纸并与负极产生的镉结合：

2Cd + O2 →2CdO + 热

这个化学反应产生的热量非常大，整个电池系统的温度上升。所以，此时温度急剧上升。由于温度越高，电池平衡电位越低，温度上升必然导致电池平衡电位的下降，所以此时电池电压突然下降。

电池鼓胀甚至漏液的可能原因有哪些？

（1）电池过充，特别是高倍率、大电流持续过充

（2）电池被迫过度放电

什么是电池爆炸？如何防止电池爆炸？

电池内的任何固体物质瞬间放电并被推到距离电池25cm以上的地方，就称为爆炸。判断电池是否爆炸，实验采用以下条件进行。用网罩住实验电池，电池在中间，距离网的任何一边25cm。网的密度为6-7根/cm，网线采用直径0.25mm的软铝丝。如果实验中没有固体部分穿过网，证明电池没有爆炸。