電池培訓文檔：所有電池資料（全）
第一篇 大力將軍鎳鎘 橫刀立馬于此
鎳鎘電池工作原理
電池正極活性物質(zhì)為氫氧化鎳，負極活性物質(zhì)為氧化鎘粉，電解液為氫氧化鉀的水溶液。
正極反應(yīng)（陰極） 負極反應(yīng)（陽極）
充電 Ni(OH)2 +OH- →NiOOH+H2O+e Cd(OH)2+2e→Cd+2OH-
過充電 4OH- -→2H2O + O2 + 4e 2Cd+O2+2H2O+4e→2Cd(OH)2
放電 NiOOH+H2O +e→Ni(OH)2+OH- Cd+2OH- →Cd(OH)2+2e
過放電 Cd(OH)2+2e→Cd+2OH- H2+2OH- →2H2O +2e
2H2O+2e→H2+2OH
總反應(yīng)式:
2Ni ( OH )2 + Cd ( OH )2 2 NiOOH + Cd + 2H2O ± Q
鎳鎘/鎳氫電池的發(fā)展
1899年，Waldmar Jungner在開口型鎳鎘電池中，首先使用了鎳極板，幾乎與此同時，Thomas Edison 發(fā)明了用于電動車的鎳鐵電池。遺憾的是，由于當時這些堿性蓄電池的極板材料比其它蓄電池的村料貴得多，因此實際應(yīng)用受到了極大的限制。
后來，Jungner的鎳鎘電池經(jīng)過幾次重要改進，性能明顯改善。其中最重要的改進是在1932年，科學家在鎳電池中開始使用了活性物質(zhì)。他們將活性物質(zhì)放入多孔的鎳極板中，然后再將鎳極板裝入金屬殼內(nèi)。鎳鎘電池發(fā)展史上另一個重要的里程碑是1947年密封型鎳鎘電池研制成功。在這種電池中，化學反應(yīng)產(chǎn)生的各種氣體不用排出，可以在電池內(nèi)部化合。密封鎳鎘電池的研制成功，使鎳鎘電池的應(yīng)用范圍大大增加。
密封鎳鎘電池效率高、循環(huán)壽命長、能量密度大、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，并且不需要維護，因此在工業(yè)和消費產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。
蓄電池參數(shù)
蓄電池的五個主要參數(shù)為：電池的容量、標稱電壓、內(nèi)阻、放電終止電壓和充電終止電壓。電池的容量通常用Ah(安時)表示，1Ah就是能在1A的電流下放電1小時。單元電池內(nèi)活性物質(zhì)的數(shù)量決定單元電池含有的電荷量，而活性物質(zhì)的含量則由電池使用的材料和體積決定，因此，通常電池體積越大，容量越高。與電池容量相關(guān)的一個參數(shù)是蓄電池的充電電流。蓄電池的充電電流通常用充電速率C表示，C為蓄電池的額定容量。例如，用2A電流對1Ah電池充電，充電速率就是2C；同樣地，用2A電流對500mAh電池充電，充電速率就是4C。
電池剛出廠時，正負極之間的電勢差稱為電池的標稱電壓。標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。當環(huán)境溫度、使用時間和工作狀態(tài)變化時，單元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量也有一定關(guān)系。單元鎳鎘電池的標稱電壓約為1.3V（但一般認為是1.25V），單元鎳氫電池的標稱電壓為1.25V。
電池的內(nèi)阻決定于極板的電阻和離子流的阻抗。在充放電過程中，極板的電阻是不變的，但是，離子流的阻抗將隨電解液濃度的變化和帶電離子的增減而變化。
蓄電池充足電時，極板上的活性物質(zhì)已達到飽和狀態(tài)，再繼續(xù)充電，蓄電池的電壓也不會上升，此時的電壓稱為充電終止電壓。鎳鎘電池的充電終止電壓為1.75~1.8V，鎳氫電池的充電終止電壓為1.5V。
表1-1 鎳鎘電池不同放電率時的放電終止電壓
放電率 放電終止電壓
8小時率 1.10V
5小時率 1.00V
3小時率 0.8V
1小時率 0.5V
放電終止電壓是指蓄電池放電時允許的最低電壓。如果電壓低于放電終止電壓后蓄電池繼續(xù)放電，電池兩端電壓會迅速下降，形成深度放電，這樣，極板上形成的生成物在正常充電時就不易再恢復，從而影響電池的壽命。放電終止電壓和放電率有關(guān)。鎳鎘電池的放電終止電壓和放電速率的關(guān)系如表1-1所列，鎳氫電池的放電終止電壓一般規(guī)定為1V。
鎳鎘蓄電池的工作原理
鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負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。當環(huán)境溫度較高時，使用密度為1.17～1.19（15℃時）的氫氧化鈉溶液。當環(huán)境溫度較低時，使用密度為1.19～1.21（15℃時）的氫氧化鉀溶液。在-15℃以下時，使用密度為1.25~1.27（15℃時）的氫氧化鉀溶液。為兼顧低溫性能和荷電保持能力，密封鎳鎘蓄電池采用密度為1.40（15℃時）的氫氧化鉀溶液。為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中加入少量的氫氧化鋰（大約每升電解液加15~20g）。
鎳鎘蓄電池充電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸嚒睳iOOH〕，負極板上的活性物質(zhì)變?yōu)榻饘冁k；鎳鎘電
池放電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸瘉嗘?，負極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸k。
1.放電過程中的電化學反應(yīng)
（1）負極反應(yīng)
負極上的鎘失去兩個電子后變成二價鎘離子Cd2+，然后立即與溶液中的兩個氫氧根離子OH-結(jié)合生成氫氧化鎘Cd(OH)2，沉積到負極板上。
（2）正極反應(yīng)
正極板上的活性物質(zhì)是氫氧化鎳（NiOOH）晶體。鎳為正三價離子（Ni3+），晶格中每兩個鎳離子可從外電路獲得負極轉(zhuǎn)移出的兩個電子，生成兩個二價離子2Ni2+。與此同時，溶液中每兩個水分子電離出的兩個氫離子進入正極板，與晶格上的兩個氧負離子結(jié)合，生成兩個氫氧根離子，然后與晶格上原有的兩個氫氧根離子一起，與兩個二價鎳離子生成兩個氫氧化亞鎳晶體。
2.充電過程中的化學反應(yīng)
充電時，將蓄電池的正、負極分別與充電機的正極和負極相連，電池內(nèi)部發(fā)生與放電時完全相反的電化學反應(yīng)，即負極發(fā)生還原反應(yīng)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)。
（1）負極反應(yīng)
充電時負極板上的氫氧化鎘，先電離成鎘離子和氫氧根離子，然后鎘離子從外電路獲得電子，生成鎘原子附著在極板上，而氫氧根離子進入溶液參與正極反應(yīng)。
(2) 正極反應(yīng)
在外電源的作用下，正極板上的氫氧化亞鎳晶格中，兩個二價鎳離子各失去一個電子生成三價鎳離子，同時，晶格中兩個氫氧根離子各釋放出一個氫離子，將氧負離子留在晶格上，釋出的氫離子與溶液中的氫氧根離子結(jié)合，生成水分子。然后，兩個三價鎳離子與兩個氧負離子和剩下的二個氫氧根離子結(jié)合，生成兩個氫氧化鎳晶體。
蓄電池充電終了時，充電電流將使電池內(nèi)發(fā)生分解水的反應(yīng)，在正、負極板上將分別有大量氧氣和氫氣析出。從上述電極反應(yīng)可以看出，氫摒化鈉或氫氧化鉀并不直接參與反應(yīng)，只起導電作用。從電池反應(yīng)來看，充電過程中生成水分子，放電過程中消耗水分子，因此充、放電過程中電解液濃度變化很小，不能用密度計檢測充放電程度。
3. 端電壓
充足電后，立即斷開充電電路，鎳鎘蓄電池的電動勢可達1.5V左右，但很快就下降到1.31-1.36V。 鎳鎘蓄電池的端電壓隨充放電過程而變化，可用下式表示：
U充=E充+I充R內(nèi)
U放=E放-I放R內(nèi)
從上式可以看出，充電時，電池的端電壓比放電時高，而且充電電流越大，端電壓越高；放電電流越大，端電壓越低。
當鎳鎘蓄電池以標準放電電流放電時，平均工作電壓為1.2V。采用8h率放電時，蓄電池的端電壓下降到1.1V后，電池即放完電。
4. 容量和影響容量的主要因素
蓄電池充足電后，在一定放電條件下，放至規(guī)定的終止電壓時，電池放出的總?cè)萘糠Q為電池的額定容量，容量Q用放電電流與放電時間的乘積來表示，表示式如下：
Q=I•t(Ah)
鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)：
① 活性物質(zhì)的數(shù)量；
② 放電率；
③ 電解液。
放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流越大，蓄電池的容量越小。
使用不同成分的電解液，對蓄電池的容量和壽命有一定的影響。通常，在高溫環(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組成混合溶液。實驗證明：每升電解液中加入15~20g含水氫氧化鋰，在常溫下，容量可提高4%~5%，在40℃時，容量可提高20%。然而，電解液中鋰離子的含量過多，不僅使電解液的電阻增大，還會使殘留在正極板上的鋰離子（Li+）慢慢滲入晶格內(nèi)部，對正極的化學變化產(chǎn)生有害影響。
電解液的溫度對蓄電池的容量影響較大。這是因為隨著電解液溫度升高，極板活性物質(zhì)的化學反應(yīng)也逐步改善。 電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。主要的有害雜質(zhì)是碳酸鹽和硫酸鹽。它們能使電解液的電阻增大，并且低溫時容易結(jié)晶，堵塞極板微孔，使蓄電池容量顯著下降。此外，碳酸根離子還能與負極板作用，生成碳酸鎘附著在負極板表面上，從而引起導電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大，容量下降。
5. 內(nèi)阻
鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻與電解液的導電率、極板結(jié)構(gòu)及其面積有關(guān)，而電解液的導電率又與密度和溫度有關(guān)。電池的內(nèi)阻主要由電解液的電阻決定。氫氧化鉀和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)隨密度而變。18℃時氫氧化鉀溶液和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)最小。
6. 效率與壽命
在正常使用的條件下，鎳鎘電池的容量效率ηAh為67%-75%，電能效率ηWh為55%~65%，循環(huán)壽命約為2000次。
容量效率ηAh和電能效率ηWh計算公式如下：
I放•t放
ηAh= ---------- X 100％
I充•t充
U放•I放•t放
ηAh= --------------- X 100%
U充•I充•t
（U充和U放應(yīng)取平均電壓）
7. 記憶效應(yīng)
鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電時，就不能放出全部電量。比如，鎳鎘電池只放出80%的電量后就開始充電，充足電后，該電池也只能放出80%的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)。
電池全部放完電后，極板上的結(jié)晶體很小。電池部分放電后，氫氧化亞鎳沒有完全變?yōu)闅溲趸嚕Ｓ嗟臍溲趸瘉嗘噷⒔Y(jié)合在一起，形成較大的結(jié)晶體。結(jié)晶體變大是鎳鎘電池產(chǎn)生記憶效應(yīng)的主要原因。
鎳氫電池的工作原理
鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長，并且無記憶效應(yīng)。鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH（放電時）和Ni(OH)2(充電時)，負極板的活性物質(zhì)為H2（放電時）和H2O（充電時），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，充電時，負極析出氫氣，貯存在容器中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳（NiOOH）和H2O；放電時氫氣在負極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。蓄電池過量充電時，正極板析出氧氣，負極板析出氫氣。由于有催化劑的氫電極面積大，而且氫氣能夠隨時擴散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易在蓄電池內(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快，可以使蓄電池內(nèi)部氧氣的濃度，不超過千分之幾。
從以上各反應(yīng)式可以看出，鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，只是負極充放電過程中生成物不同，從后兩個反應(yīng)式可以看出，鎳氫電池也可以做成密封型結(jié)構(gòu)。鎳氫電池的電解液多采用KOH水溶液，并加入少量的LiOH。隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。為了防止充電過程后期電池內(nèi)壓過高，電池中裝有防爆裝置。
電池充電特性
當恒定電流剛充入放完電的電池時，由于電池內(nèi)阻產(chǎn)生壓降，所以電池電壓很快上升（A點）。此后，電池開始接受電荷，電池電壓以較低的速率持續(xù)上升。在這個范圍內(nèi)（AB之間），電化學反應(yīng)以一定的速率產(chǎn)生氧氣，同時氧氣也以同樣的速率與氫氣化合，因此，電池內(nèi)部的溫度和氣體壓力都很低。電池充電過程中，產(chǎn)生的氧氣高于復合的氧氣時，電池內(nèi)壓力升高。電池內(nèi)的正常壓力*大約為1磅力/英寸2。
過充電時，根據(jù)充電速率，電池內(nèi)部壓力將很快上升到100磅力/英寸2或者更高。研究蓄電池的各種充電方法時，鎳鎘電池內(nèi)產(chǎn)生的氣體是一個重要問題。氣泡聚集在極板表面，將減小極板表面參與化學反應(yīng)的面積并且增加電池的內(nèi)阻。過充電時，電池內(nèi)產(chǎn)生的大量氣體，如果不能很快復合，電池內(nèi)部的壓力就會顯著增加，這樣將損傷電池。此外，壓力過大時，密封電池將打開放氣孔，從而使電解液逸散。若電解液反復通過放氣孔逸散，電解液的粘稠性增大，極板間離子的傳輸變得困難，因此電池的內(nèi)阻增加，容量下降。
經(jīng)過一定時間后（C點），電解液中開始產(chǎn)生氣泡，這些氣泡聚集在極板表面，使極板的有效面積減小，所以電池的內(nèi)阻抗增加，電池電壓開始較快上升。這是接近充足電的信號。
充足電后，充入電池的電流不是轉(zhuǎn)換為電池的貯能，而是在正極板上產(chǎn)生氧氣超電位。氧氣是由于電解液電解而產(chǎn)生的，不是由于氫氧化鎘還原為鎘而產(chǎn)生的。在氫氧化鉀和水組成的電解液中，氫氧離子變成氧、水和自由電子，反應(yīng)式為
4OH―→O2↑+2H2O+4e―
雖然電解液產(chǎn)生的氧氣能很快在負極板表面的電解液中復合，但是電池的溫度仍顯著升高。此外由于充電電流用來產(chǎn)生氧氣，所以電池內(nèi)的壓力也升高。
由于從大量的氫氧離子中比從很少的氫氧化鎘中更容易分解出氧氣，所以電池內(nèi)的溫度急劇上升，這樣就使電池電壓下降。因此電池電壓曲線出現(xiàn)峰值（D點）。
電解液中，氧氣的產(chǎn)生和復合是放熱反應(yīng)，電池過充電時(E點)，不停地產(chǎn)生氧氣，從而使電池內(nèi)的溫度和壓力升高。如果強制排出氣體，將引起電解液減少、電池容量下降并損傷電池。若氣體不能很快排出，電池將會爆炸。
采用低速率恒流涓流充電時，電池內(nèi)將產(chǎn)生枝晶。這些枝晶能夠通過隔板在極板之間擴散。在擴散較嚴重的情況下，這些枝晶會造成電池部分或全部短路。
充電過程與充電方法
電池的充電過程通常可分為預充電、快速充電、補足充電、涓流充電四個階段。
對長期不用的或新電池充電時，一開始就采用快速充電，會影響電池的壽命。因此，這種電池應(yīng)先用小電流充電，使其滿足一定的充電條件，這個階段稱為預充電。
快速充電就是用大電流充電，迅速恢復電池電能?？焖俪潆娝俾室话阍?C以上，快速充時間由電池容量和充電速率決定。
為了避免過充電，一些充電器采用小電流充電。鎳鎘電池正常充電時，可以接受C/10或更低的充電速率，這樣充電時間要10h以上。采用小電流充電，電池內(nèi)不會產(chǎn)生過多的氣體，電池溫度也不會過高。只要電池接到充電器上，低速率恒流充電器就能對電池提供很小的涓流充電電流。電池采用小電流充電時，電池內(nèi)產(chǎn)生的熱量可以自然散去。
涓流充電器的主要問題是充電速度太慢，例如，容量為1Ah的電池，采用C/10充電速率時，充電時間要10h以上。此外，電池采用低充電速率反復充電時，還會產(chǎn)生枝晶。大部分涓流充電器中，都沒有任何電壓或溫度反饋控制，因而不能保證電池充足電后，立即關(guān)斷充電器。
快速充電分恒流充電和脈沖充電兩種，恒流充電就是以恒定電流對電流充電，脈沖充電則是首先用脈沖電流對電池充電。然后讓電池放電，如此循環(huán)。電池脈沖的幅值很大、寬度很窄。通常放電脈沖的幅值為充電脈沖的3倍左右。雖然放電脈沖的幅值與電池容量有關(guān)，但是，與充電電流幅值的比值保持不變，充電過程中，鎳鎘電池中的氫氧化鎳還原為氫氧化亞鎳，氫氧化鎘還原為鎘。在這個過程中產(chǎn)生的氣泡，聚集在極板兩邊，這樣就會減小極板的有效面積，使極板的內(nèi)阻增大。由于極板的有效面積變小，充入全部電量所需的時間增加。
加入放電脈沖后，氣泡離開極板并與負極板上的氧復合。這個去極化過程減小了電池的內(nèi)部壓力、溫度和內(nèi)阻。同時，充入電池的大部分電荷都轉(zhuǎn)換為化學能，而不會轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w和熱量。
充放電脈沖寬度的選擇應(yīng)能保證極板恢復原來的晶體結(jié)構(gòu)，從而消除記憶效應(yīng)。采用放電去極化措施后，可以提高充電效率并且允許大電流快速充電。
采用某些快速充電止法時，快速充電終止后，電池并未充足電。為了保證充入100%的電量，還應(yīng)加入補足充電過程。補足充電速率一般不超過0.3C。在補足充電過程中，溫度會繼續(xù)上升，當溫度超過規(guī)定的極限時，充電器轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)。
存放時，鎳鎘電池的電量將按C/30到C/50的放電速率減小，為了補償電池因自放電而損失的電量，補足充電結(jié)束后，充電器應(yīng)自動轉(zhuǎn)入涓流電過程。涓流充電也稱為維護充電。根據(jù)電池的自放電特性，涓流充電速率一般都很低。只要電池接在充電器上并且充電器接通電源，在維護充電狀態(tài)下，充電器將以某一充電速率給電池補充電荷，這樣可使電池總處于充足電狀態(tài)。
快速充電終止控制方法
采用快速充電法時，充電電流為常規(guī)充電電流的幾十倍。充足電后，如果不及時停止快速充電，電池的溫度和內(nèi)部壓力將迅速上升。內(nèi)部壓力過大時，密封電池將打開放氣孔，從而使電解液逸散，造成電解液的粘稠性增大，電池的內(nèi)阻增大，容量下降。
從鎳鎘電池快速充電特性可以看出，充足電后，電池電壓開始下降，電池的溫度和內(nèi)部壓力迅速上升，為了保證電池充足電又不過充電，可以采用定時控制、電壓控制和溫度控制待多種方法。
（1）定時控制
采用1.25C充電速率時，電池1h可充足；采用2.5C充電速率時，30min可充足。因此，根據(jù)電池的容量和充電電流，很容易確定所需的充電時間。這種控制方法最簡單，但是由于電池的起始充電狀態(tài)不完全相同，有的電池充不足，有的電池過充電，因此，只有充電速率小于0.3C時，才允許采用這種方法。
（2）電壓控制
在電壓控制法中，最容易檢測的是電池的最高電壓。常用的電壓控制法有：
最高電壓（Vmax） 從充電特性曲線可以看出，電池電壓達到最大值時，電池即充足電。充電過程中，當電池電壓達到規(guī)定值后，應(yīng)立即停止快速充電。這種控制方法的缺點是：電池充足電的最高電壓隨環(huán)境溫度、充電速率而變，而且電池組中各單體電池的最高充電壓也有差別，因此采用這種方法不可能非常準確地判斷電池已足充電。
電壓負增量（－ΔV） 由于電池電壓的負增量與電池組的絕對電壓無關(guān)，而且不受環(huán)境溫度和充電速率等因素影響，因此可以比較準確地判斷電池已充足電。這種控制方法的缺點是：電池電壓出現(xiàn)負增量后，電池已經(jīng)過充電，因此電池的溫度較高。此外鎳氫電池充足電后，電池電壓要經(jīng)過較長時間，才出現(xiàn)負增量，過充電較嚴重。因此，這種控制方法主要適用于鎳鎘電池。
電壓零增量（0ΔV） 鎳氫電池充電器中，為了避免等待出現(xiàn)電壓負增量的時間過久而損壞電池，通常采用0ΔV控制法。這種方法的缺點是：充足電以前，電池電壓在某一段時間內(nèi)可能變化很小，從而造成過早地停止快速充電。為此，目前大多數(shù)鎳氫電池快速充電器都采用高靈敏－0ΔV檢測，當電池電壓略有降低時，立即停止快速充電。
（3）溫度控制
為了避免損壞電池，電池溫度過低時不能開始快速充電，電池溫度上升到規(guī)定數(shù)值后，必須立即停止快速充電。常用的溫度控制方法有：
最高溫度（Tmax） 充電過程中，通常當電池溫度達到45℃時，應(yīng)立即停止快速充電。電池的溫度可通過與電池裝在一起的熱敏電阻來檢測。這種方法的缺點是熱敏電阻的響應(yīng)時間較長，溫度檢測有一定滯后，同時，電池的最高工作溫度與環(huán)境溫度有關(guān)。當環(huán)境溫度過低時，充足電后，電池的溫度也達不到45℃。
溫升（ΔT） 為了消除環(huán)境影響，可采用溫升控制法。當電池的溫升達到規(guī)定值后，立即停止快速充電。為了實現(xiàn)溫升控制，必須用兩只熱敏電阻，分別檢測電池溫度和環(huán)境溫度。
溫度變化率（ΔT/Δt） 鎳氫和鎳鎘電池充足電后，電池溫度迅速上升，而且上升速率ΔT/Δt基本相同，當電池溫度每分鐘上升1℃時，應(yīng)當立即終止快速充電，這種充電控制方法，近年來被普遍采用。應(yīng)當說明，由于熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系是非線性的，因此，為了提高檢測精度應(yīng)設(shè)法減小熱敏電阻非線性的影響。
最低溫度（Tmin） 當電池溫度低于10℃時，采用大電流快速充電，會影響電池的壽命。在這種情況下，充電器應(yīng)自動轉(zhuǎn)入涓流充電，待電池的溫度上升到10℃后，再轉(zhuǎn)入快速充電。
（4）綜合控制
上述各種控制方法各有優(yōu)缺點。為了保證在任何情況下，均能準確可靠地控制電池的充電狀態(tài)，目前快速充電器中通常采用包括定時控制、電壓控制和溫度控制的綜合控制法。
鎳鎘充電電池應(yīng)用
基本電學公式
首先來介紹幾個很簡單的基本電學公式,希望讓沒有電子方面背景的讀者們能對幾個物理現(xiàn)象有點概念.
電壓(V) = 電流(I) x 電阻(R)
電荷量(Q) = 電流(I) x 時間(T)
功率(P) = V x I =
能量(W) = P x T = Q x V
任何物體都有阻抗,在阻抗兩端加上一電位差則會產(chǎn)生電荷流過該阻抗,阻抗越大則單位時間內(nèi)(一秒)流過的電荷量越小,阻抗越小則單位時間內(nèi)流過的電荷量越多.若將電位差增大則單位時間內(nèi)流過的電荷量越多,將電位差減小則單位時間內(nèi)流過的電荷量越少.此電位差稱之為電壓(V),單位為伏特(V),單位時間內(nèi)流過的電荷量多寡稱之為電流(I),單位為安培(A),阻抗稱為電阻(R),單位為歐姆().電流(I)強度越大表示單位時間內(nèi)流過的電荷數(shù)目越多,那麼在在T秒內(nèi)流過電阻的電荷數(shù)目總共有I x T,用以描述此電荷量多寡的名詞為電荷量(Q),俗稱稱電量,單位為庫侖(Q).電阻消耗的功率(P)為I x V,單位為瓦特(W),消耗功率越大代表越耗電.,消耗的能量
(W)為 P x T,單位為焦耳(J),時間越久消耗能量越大,同樣時間消耗功率越大的消耗能量也越大.
例如: 一顆1.5V的乾電池接上0.5的燈泡時,消耗電流為3A,消耗功率為4.5W,10秒鐘內(nèi)共流過了30庫侖的電荷,消耗了45焦耳的能量.
鎳鎘電池 的材料電池的分類有很多種,在化學電池中不可充電用完就扔掉的電池稱為一次電池,可以多次充電再使用的電池稱為二次電池,而鎳鎘電池是屬於二次電池中堿性蓄電池的一種.鎳鎘電池在材料方面陽極是使用過氧氫氧化鎳,陰極使用鎘化合物之活性物質(zhì),電解液則是使用氫氧化鉀等堿性水溶液.當對 鎳鎘電池 充電時,會在陽極上面產(chǎn)生氫氧化鎳,在陰極上面產(chǎn)生金屬鎘,因而在兩極間形成了電位差.將 鎳鎘電池 的陽極和陰極兩端外接負載放電時,陰極端產(chǎn)生帶負電的電子經(jīng)由外接負載流向陽極,因此提供能量供外部負載消耗.
過度充電
在充電過程中電池的電壓會隨著儲存電量的增加而逐漸上升,當電池儲存的電量達到飽和電極材料無法繼續(xù)充電時,若繼續(xù)充電則電解液會起電解,并且在陽極產(chǎn)生氧氣,在陰極產(chǎn)生氫氣,如此會在密封的電池內(nèi)部造成內(nèi)部壓力上升,會對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞.像這種現(xiàn)象稱之為過度充電.
為了避免過度充電電池遭毀損,通常將陰極之容量制作得比陽極容量大,如此當過度充電時陽極會先達到飽和并產(chǎn)生氧氣,而陰極卻未飽和而不會產(chǎn)生氫氣,陽極產(chǎn)生的氧氣擴散到陰極之后會與充電產(chǎn)生的金屬鎘起化學反應(yīng)吸收掉氧氣,且此反應(yīng)的速度與金屬鎘產(chǎn)生的速度平衡,因此可以有效地避免電池的壓力上升.但是若充電電流過大(使用快充時)就會失去平衡,電池的內(nèi)壓過大會將電池的安全閥推開,氫氣和氧氣會泄漏到電池外部,直到壓力降低安全閥關(guān)閉電池才又再密封起來.但是氣體的泄漏已使得內(nèi)部化學材料減少,造成電池壽命的縮短.
充電電壓的變化
電池過度充電時,因為陽極產(chǎn)生的氧氣與陰極起化學反應(yīng)會產(chǎn)生熱,使得電池溫度會上升外殼發(fā)燙.由於溫度越高電池的充電電壓會變得比較低,因此充電時電池電壓會持續(xù)上升直到過度充電時,電池溫度會突然地快速上升,電壓不再上升轉(zhuǎn)而由峰值開始下降.
標稱電壓
鎳鎘電池在標準放電條件下放電時,電壓會緩緩地下降直到當電量幾乎釋放完時,電壓會大幅度地下降,此電壓值稱之為標稱電壓.一般 鎳鎘電池 的標稱電壓為1.2V,與一般乾電池標注的1.5V是相同意思,都是標注於電池外殼上面. 鎳鎘電池只要有電量電壓值一定至少在標稱電壓1.2V以上,儲存的電量越多電壓也越高.
放電終止電壓
電池在放電時其電壓會隨著電池電量的減少而逐漸降低,當電壓降到所要求的準位時就不再讓它繼續(xù)放電,稱為放電終止,而此電壓準位稱之為放電終止電壓.通常廠商建議的放電終止電壓約在0.9V ~ 1.1V左右,電壓放電到此準位時電量幾乎已經(jīng)放光了,此狀況稱為完全放電.鎳鎘電池已經(jīng)完全放電了還不移掉負載而讓它繼續(xù)放電下去,那麼就成了過度放電,電壓會急速下降直到0V為止.若電壓尚未降到0V左右就終止放電,則電池電壓會自動快速回升到標稱電壓1.2V左右.
過度放電
鎳鎘電池的一大致命傷就是被過度放電,將放電終止電壓設(shè)定在此狀況下,不但沒有電力可以推動負載,對電池壽命也會造成損害.而且一旦不慎讓電壓繼續(xù)下降到幾乎等於0V時,就算想終止放電把負載移走恐怕也來不及了,電池的電壓無法再自動回升,一般的充電器也無法再把電充進去,它的電壓會一直固定住停留在0V不動.此刻的它就像是中風似的癱瘓在那邊,就別說折壽了,更是往往一命嗚呼哀哉不能再使用了.
電池容量的定義
電池的容量系指對電池放電,直到電壓降到終止電壓為止,在這期間所能取得的放電電荷量.若是在規(guī)定的電流和溫度等標準放電條件下,對充飽電的電池進行放電直到放電終止,所得到的容量稱之為額定容量(或標稱容量).容量的大小與其所消耗的電極材料之活性物質(zhì)的量有關(guān),而標準放電條件則是依照電池種類的不同有所規(guī)定.容量是根據(jù)電池的放電反應(yīng)來定義,而非充電反應(yīng)來定義,因此我們常說的電池容量有多大,是指放電時可得到的累積放電電荷量有多少,而非充電時流進去的電荷量有多少.
電池容量的表示法
電池的容量的大小,可以用[(放電電流)x(電壓降到放電終止電壓所經(jīng)之放電時間)],計算后所得到的值來表示.之前所介紹的基本電學公式中,電量為電流x時間,單位是庫侖(Q),電池若以多少庫侖來表示電池容量的話,可能是比較不好理解,因此電池的容量都是把電流x時間的值,直接以C=IT(單位以mAh或Ah)來表示,其中C是容量(與庫侖是同意義),I是電流,A是安培,mA表示電流大小為豪安(千分之一安培,A),h代表小時(hour),也就是說以千分之一安培的電流放電一小時所累積的放電量為1mAh.因此C=I x T = 多少mAh, mAh就是庫侖的等效表示方式.
通常電池的外殼包裝上面都會標明電池的額定容量,用來表示該電池的最大容量.新的鎳鎘電池在第一次充放電時容量都可以達額定容量,但容量會隨著充放電次數(shù)的增加而減少.
例子: 以1安培電流放電需要二小時才能將電池電量放光,那麼電池容量約為2000 mAh.若將電池容量以庫侖來表示的話,那麼C = I x T=1A x 7200 sec =7200 庫倫.您是不是也發(fā)現(xiàn)用2000 mah來表示比用7200庫倫來表示比較不空洞而明了多了呢
C表示式
電池除了以安培(或毫安)做單位來表示電池的充放電流大小之外,也使用英文字母C(capacity)來當作額定容量(電流x時間)之電流部分,以它做為電流大小衡量的單位.比如說額定容量600mAh的電池,C就是600mA的意思,所以電流1C就是600mA,電流2C就是1.2mA,電流0.1C就是60mA.以后購買電池時若在規(guī)格上找不到充放電流的安培數(shù)時,請先別著急,別忘了找找看有沒有寫著多少C喔.
充放電率
所謂充(放)電率是將全部容量的電荷放(充)完所需要的時間,做為充(放)電時的標準速度.一般用來說明放(充)電的速度是多少,比如說二小時率的放電,是指用0.5C的電流,在二個小時的時間將電池全部容量放完.20分鐘率表示用3C的電流在20分鐘內(nèi)將電池額定電量全部放完.在廠商的電池規(guī)格書上面,也常使用小時率來表示標準放電時間,只要根據(jù)額定容量來換算就知道標準放電電流是多少了.通常廠商提供的規(guī)格上額定容量是以溫度20℃,而放電是以5小時率0.2C的條件來量測.
充電效率
電池不可能充多少電量進去就能儲存有多少電量,一定會有所耗損,除了陽極和陰極漏電間的絕緣體漏電之外,材料也不可能無瑕地儲存所有電量.電池放電時取出的電量與充電時流進去電池的電量之比,稱之為充電效率. 通常電池廠商都是建議充電量必須為額定容量的1.5倍,才能將電池充飽.也就是說若以0.1C的電流充電需要充15小時,以3C的電流充電需要充半小時,雖理論填充量是額定容量的1.5倍,但實際填充量差不多剛好為額定容量.
利用率
雖然理論上電池的額定容量很大,但實際上充飽電后再放電時可得到的電量卻往往小於理論容量,表示電池可儲存的實際儲存容量并沒有那麼大,此實際容量相對於理論容量的比率稱之為利用率.通常電池的放電電流越大,或者周遭溫度降低時,利用率會減小.
放電深度
電池放電時所放電量與所儲存電量的比率稱之為放電深度,比百分比表示.例如放電深度20%表示電量放電到剩下80%電量的程度.
周期壽命
通常鎳鎘電池在應(yīng)用上都是拿來做反覆充電與放電的周期性工作,電池的壽命是有限的,容量不可能一直保持而不下降,在一定的工作條件之下反覆充放電之后,電池的容量會下降到額定容量的80%(或定義在60%).此反覆充放電的次數(shù)稱之為周期壽命,周期壽命越高表示該電池的使用壽命越長.有些電池的參考規(guī)格上面會標明充放電周期,寫著放電深度多少時約多少次,意旨周期壽命.隨著充放電流,放電深度與其他充放條件的不同,周期壽命也隨著變化,尤其是使用大電流充放電時,一定會有壽命縮短的現(xiàn)象.現(xiàn)在的鎳鎘電池只要依照購買時廠商所附的說明正常地使用,通常都可以反覆使用500次以上.
電池內(nèi)阻與電壓
電池是有內(nèi)阻的電壓源,可以視為是一個理想電壓源(沒有內(nèi)阻)串聯(lián)一電阻輸出.未接負載時電池兩端量到的端電壓就是理想電壓源的電壓,稱之為開路電壓,當電池外接負載時,負載與內(nèi)阻串聯(lián)接到理想電壓源上,因此負載上所得到的分壓也就是電池的端電壓,會小於理想電壓源的電壓,稱之為閉路電壓.電池的內(nèi)阻越高則負載可分得的電壓就越小,因此理想的電池是沒有內(nèi)阻.
鎳鎘電池的內(nèi)部電阻非常的低,一般只有幾毫歐姆到數(shù)十毫歐姆左右,因此外接大小不同之負載時放電電壓還是很穩(wěn)定,放電電流曲線很平坦,可以做大電流放電使用.一般乾電池內(nèi)阻動輒數(shù)歐姆,放電電壓不穩(wěn)定放電電流曲線不平坦,相較之下鎳鎘電池屬於特性較理想的電池.
自放電
電池由於內(nèi)部會起化學反應(yīng)的關(guān)系,內(nèi)部會自我放電,雖未外接負載但是電池所儲存的電量會隨著時間而逐漸消失.自我放電的速度稱為自我放電率,周遭溫度越高時自我放電電流也越大.根據(jù)專家實驗的結(jié)果,鎳鎘電池在0℃時約三個月會放電20%使殘余容量剩下80%,在20℃時一個月約放電25%,三個月放電40%,若溫度越高45℃時,一個月就已經(jīng)放掉70%的容量了.因此,在夏天電池充飽電后只要短短幾天的時間,容量就剩下80%甚至50%了,難怪專家建議,最好的保存方法就是將電池密閉包裝妥當后置於冰箱中冷藏(不能受潮),不是沒有道理的.
連續(xù)放電與間歇放電
連續(xù)放電是指電池在放電過程中不中斷,持續(xù)放電直到電池的電壓降至放電終止電壓才停止,間歇放電則是指放電過程中電池與負載之間的電流通路斷斷續(xù)續(xù),時而導通時而斷路,直到電池的電壓降至放電終止電壓為止.電池在放電過程中電壓會慢慢地持續(xù)下降,若過程中暫時停止放電則電壓會馬上上升回復到某一準位才停止,若再繼續(xù)放電則電壓又從該準位開始下降. 連續(xù)放電方式的實際放電時間與放電期間是相同的,而間歇放電的實際放電時間則是放電期間電流通路導通的時間片段累積和.比較相同容量的電池以兩種方式進行放電時,在同樣的終止電壓下,由於電池電壓會回復的關(guān)系,間歇放電方式的實際放電時間會比連續(xù)放電的實際放電時間還長,且間歇放電方式所釋放的容量也比連續(xù)放電方式的放電容量還多.
一般的電池都有上述現(xiàn)象,使用大電流來放電時放電容量會無形中減少了許多,而使用間接放電方式會比連續(xù)放電方式多出更多容量,尤其當電池外接重負載(負載電阻越小)時差異現(xiàn)象越是明顯.鎳鎘電池的內(nèi)阻小短路電流大放電曲線平坦特性佳,一般情況使用連續(xù)放電與間歇放電時容量差異不大,但是電動槍的馬達在由靜止開始運轉(zhuǎn)啟動之際,阻抗非常的低是屬於重負載,電池的放電電流相當?shù)拇?間歇放電方式產(chǎn)生的效果就非常明顯了.
根據(jù)經(jīng)驗電動槍使用全自動射擊時,往往打沒幾百發(fā)電池就令人錯愕的沒電了,這與廣告上所號稱的可連續(xù)射擊1000發(fā)的吹噓差異甚遠,不知是電池品質(zhì)不好還是怎樣,年紀輕輕的還沒被你摧殘就欲振乏力,或者開始懷疑電槍的mecabox內(nèi)部有問題.但是若您愿意嘗試克制一點不要那麼興奮,盡量使用單發(fā)射擊而少用全自動胡亂掃射揮霍BB彈的話,您會發(fā)現(xiàn)您的電池還可以打個好幾百發(fā)沒問題,電池品質(zhì)好不好也可以從發(fā)射彈量來做比較客觀地的分析.
溫度對電池的影響
鎳鎘電池是靠化學物質(zhì)的反應(yīng)來動作,化學材料往往會自我消耗,在溫度高的環(huán)境下自我消耗的情形會較嚴重,容量會降低,也可能會有漏液與生銹的情形,在高溫下進行充放電更是會對電池造成破壞降低壽命.鎳鎘電池可穩(wěn)定工作的溫度范圍還算很廣,充電約0 ~ 45℃,放電約-20 ~ 60℃,保存約-30 ~ 45℃,平常最好保存於較冷但不潮濕的地方.
溫度對於電池的壽命以及充放電特性影響很大,充放電時若環(huán)境溫度越高,則電池的材質(zhì)受到破壞,極版之活性物質(zhì)的功能降低使容量減小,陽極陰極隔離版間的隔離版絕緣降低造成短路,且溫度升高電池之電壓也變得較低,充放電效率降低了許多,電池的容量大大地減少.因此除非使用的 鎳鎘電池 是耐熱型的,否則充放電時應(yīng)留意電池的溫度,不要使用過大之電流充放電以免溫度過高.
充電方式
鎳鎘電池若不以當備用電源為用途,而是以反覆性的充電和放電來使用時,根據(jù)電流的大小可以把電池的充電方式分為標準充電與急速充電(快充)兩種,標準充電是指參考電池額定容量以0.1C的電流,對電池作14~16小時的充電,也就是說充電容量大約是電池額定容量的1.5倍時可以將電池幾乎完全充飽.急速充電是使用較大的電流充電,并且在充電末期對電壓與電流加以控制防止過充電.急速充電的電流大小一般約在0.3C左右,使能夠在4~6小時完成充電,現(xiàn)在有些超急速型的電池,能以1.5C或更大電流做超急速充電,在不到一小時的極短時間內(nèi)完成
充電動作.
一般型的鎳鎘電池若以快充方式來充時,產(chǎn)生的氣體無法快速吸收會嚴重的影響電池壽命,雖然標準充電方式耗時數(shù)小時,為了電池能用久一點好是遵照此方式來充比較好.快充型的電池是比較能能夠承受大電流,不過使用大電流充電對電池而言絕對是沒有好處,不同廠牌之電池的品質(zhì)良劣參差不齊,對使用者而言廠商標榜的規(guī)格是否有夸大事實并無從得知,除非該電池之性能口碑值得信賴,否則時間不催促的話最好是以標準方式來充.
使用在急速充電里預防過充電的偵測方法,比較常見的有定電壓控制,溫度上升控制以及控制,或者三種方式混合使用.
定電壓控制
當偵測到電池電壓上升到設(shè)定的電壓準位時就停止充電.這種方式是最簡單的方式,只要根據(jù)電池特性知道電池的電壓上升曲線,就可以將偵測電壓設(shè)為最接近充飽時的準位,不同款式的電池充飽時之電壓準位不大一樣,新舊電池特性也不一樣,用此方法比較無法設(shè)定理想電壓.這種方式雖然簡單但也相當危險,前面說過溫度較高時電池電壓會降低,以大電流充電更是會提高電池溫度,如此電池有可能已經(jīng)充飽但是電壓卻尚未達到設(shè)定的準位,且電池充飽后電壓不再上升而開始下降,如此的過充電后果相當嚴重,若加上電池發(fā)生內(nèi)部短路充電器未具備保護電路時,一旦電流過大造成危險后果不堪設(shè)想,因此在此方式進行充電期間,使用者必須加以留意.
溫度上升控制
電池容量充到飽和時產(chǎn)生的氧氣會在陰極和鎘反應(yīng)產(chǎn)生氧化熱,電池的溫度會開始快速上升,利用此現(xiàn)象偵測到溫度到達某程度時既結(jié)束充電.在同樣的充電量下充電電流越大此上升的溫度也越高,因此若充電電流過大時,達到預定之溫度時電池可能尚未飽和,但是電流若太小,則氧化吸收快溫度就不會明顯上升,充電動作就會一直持續(xù)下去而不知終止.此外這種方式會受周遭溫度影響,無法判別電池的溫度是內(nèi)部自行產(chǎn)生的化學熱,還是由周遭環(huán)境引起的高溫而誤判,因此此方式在高溫的環(huán)境下會充電不足而低溫的環(huán)境會充電過度.
控制
充電時電池的電壓會隨著充電容量的增加而升高,當充電容量達到飽和時,電壓上升到峰值,并轉(zhuǎn)而開始緩慢下降.利用此電壓下降的特性可以用來控制充電終止,待電壓下降幅度達到時即停止充電,通常1.2V的鎳鎘電池其下降幅度差不多會有20mV以上(實際之數(shù)據(jù)得參考電池規(guī)格),在充電過程可以以電表明顯的觀察出來.電池電壓的充電曲線受到充電電流與溫度的影響,在同樣的充電容量下,電流越大或溫度越低時,電壓上升的幅度較大,下降的幅度也比較明顯.電流越小或溫度越高時,電壓上升的幅度較小,下降的幅度也較為平坦不易分辨.因此控制方式比較適用在急速充電的方式里,且為了避免溫度的影響使偵測失靈,通常配合溫度上升控制使用,以防止過充電.
鎳鎘電池若經(jīng)保存過久未使用,或者已經(jīng)日薄西山,那麼初次再行充電的前幾分鐘,會發(fā)生電壓不但充上去且還往下降的情形然后再上升的情形,因而造成的誤判而終止充電.控制方式是較佳的控制方式,特性不同的電池仍能可利用的特性來對電池作完全充電,比較不用再擔心電壓控制設(shè)或溫度設(shè)定出問題而傷害電池.
目前許多高級的微電腦控制型充電器都是使用此種控制方式,且價格比一般充電器昂貴,有些雖然打著的名號,實際上其控制程式以及充電電路設(shè)計得并不怎好,對也往往有誤判的情形發(fā)生,不是將電池充到可以煎雞蛋,就是連充都還沒充到就罷工判斷電池已充飽,因此比較好的充電器除了增加溫度控制之外,再根據(jù)充電時間,電壓與電流的大小變化,計算出充電容量,并且判斷出是否電池真已達到飽和.
上述三種方式都是急速充電的方法,在充電終了后,基於電池會自我放電的特性,一般都是對電池繼續(xù)施以小電流的補充充電,以彌補電池的漏電電流,并且急速充電并不能保證一定能百分之百達到完全充電,以小電流繼續(xù)補充充電剛好能填補不足之容量.通常補充電流的大小約在C/20 ~ C/40之間,一般充電器在使用急速充電模式對電池充電終止后,都是逕行進入所謂的慢充模式,其實也就是以此小電流對電池繼續(xù)補充充電.在此模式下,微小的電流幾乎不會讓電池產(chǎn)生多少熱,也不會讓電壓有明顯的變化,因此充電器幾乎都是設(shè)計成一直施行補充充電而不會自動停止,雖然不還不至於對電池造成過充電,但是為了避免增加鎳結(jié)晶現(xiàn)象,使用者還是得斟酌補充
充電的持續(xù)時間.
容量的估算
電池的容量估算方式很多種,每每總都脫離不了C=IxT的計算方式.電池放電時流過電池的電流大小為,電池的端電壓,是負載電阻,電池的放電容量就是為,是時間.電池的電壓是隨著放電時間的長短而逐漸降低的,要估算出比較準確的放電容量的方法,就是采用積分方式,從開始放電起到電壓降至終止電壓為止這段期間內(nèi),每一個時間點上的電壓值換算成電流之后對時間積分起來,即可得到很準確的放電容量.
因為電池的放電曲線并非線性,且欲取得在每一時間點的電流變化來計算有困難,因此一般都是使用積分的近似估算方式,將時間細分成很多小時段,擷取每一個時段內(nèi)某一參考點的電壓值(或者該時段之平均電壓值)來當作該時段的電壓值,每一時段各自計算其放電容量,再將每一時段的容量加起來就成了放電容量的近似值.時段切割得越細越準確,但是要人工計算非常困難,因此只有具備微電腦處理能力的充電器才能做精密計算,而若要用手工計算可能以大時段計算出大略數(shù)值.
另一種比較簡單但是誤差較大的估算方式,是在放電期間內(nèi)任意選取幾個適當?shù)臅r間點(包括放電啟始與終止),以梯形面積的計算公式來計算,求取每一個時間點之間的放電容量之后,將整個放電期間各放電容量加起來即可得到粗略的放電容量了. 電動槍受制於槍身空間狹小的關(guān)系,只能擠得下體積較小電流額度也小的電池,要推動電動槍馬達這樣的重負載負荷相當沈重,大電流縮短了鎳鎘電池的壽命降低了可容量,尤其槍友們喜歡把槍改得特別強,更換了更強的彈簧更是讓電池與馬達吃不消,在如此的摧殘下電池的耗損相當?shù)貒乐?往往充放電不到幾十次電池容量就下降到剩下不到50%了,短短期間下降范圍相當?shù)拇?因此采用梯形面積的計算方式,來對使用在電動槍的鎳鎘電池估算算是可以接受的了.
要測量電壓,電流以及電阻,最方便最簡單的工具就是三用電表,很多槍友為了了解自己的電池狀況都備有三用電表,平常除了做一般電氣量測之外,在電池充放電時也用來輔助充電器觀察電壓電流之變化,以隨時掌握過程求取最佳狀況.通常估算得到的值都只是個概略值,也會比理論上的容量還稍微少一些,但作為測量電池壽命的參考指標已經(jīng)是綽綽有余了.
記憶效應(yīng)
鎳鎘電池放電時若不予以完全的放電,而是以特定的放電深度來重復地放電充電的話,那麼在反覆充放電幾次之后,因為每次電池都有殘余容量,使得電池會有記憶現(xiàn)象而將此放電終止電壓的值記憶住,當電池不再只以此放電深度來放電時,電壓逐漸下降超過被記憶住的電壓值時,電池電壓會突然間崩潰性地急速下降很大的準位,然后才又繼續(xù)慢慢地下降,這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng).
記憶效應(yīng)是反覆充放電產(chǎn)生的,在實際應(yīng)用方面這種反覆以特定放電深度充放電的情形很多,像是攝影機,手機,刮胡刀等等.記憶效應(yīng)并不影響電池容量,但是定電壓崩潰的特性卻對對負載影響很大,往往不為負載所接受而形同電力不足,無法繼續(xù)推動負載.因此形成記憶效應(yīng)之后雖仍有相當大的容量,但是可使用的容量卻是減少了許多.
記憶現(xiàn)象在周遭溫度高時會比較明顯,使用較低充電電流(C/15以下)時也會有記憶現(xiàn)象,因此在使用時要特別留意工作溫度,以及不要使用太小的電流來充電.記憶效應(yīng)形成之后,若要消除記憶效應(yīng)所造成的影響,必須對電池做一兩次完全充放電,以 C/10 ~ C/2的充電電流,C/2 ~ 1C的放電電流來進行時,可以比較有效地消除記憶效應(yīng).做完全放電時,額定電壓1.2V的電池只要降到廠商建議的放電終止電壓,也就是不會有殘余容量的0.95V左右即可,不要過放電以免毀損電池.
電動槍之電池
鎳鎘電池的標稱電壓是1.2V,將若顆電池串聯(lián)起來后,整體電壓是.串聯(lián)后工作電壓雖增加了倍,不過額定電流可是不變沒有增加喔,在對電池串進行充放電時,可不要誤以為容許的工作電流也增加了而改以倍的大電流去充,那麼電池是否會爆炸是不曉得,不過引起電線過熱溶毀電線短路引起火災(zāi)是非常有可能的.
目前Marui的電動槍系列大部分都是使用內(nèi)部構(gòu)造相似,彈簧強弱也相近之mecabox,為了配合馬達的驅(qū)使Marui訂制了專用之鎳鎘電池,以7顆1.2V 600mAh的單體包裝成8.4V的電池串,全新電池完全充電后,大約可射擊1000發(fā)左右.不過由於電動槍的威力不強,大部分的槍友們都會另行購買改裝套件,包括將彈簧改強一點,使得原廠電池的推動能力降低,充飽電之后能射擊數(shù)十發(fā)至數(shù)百發(fā),甚至完全推不動齒輪導致電流過大燒掉保險絲,大大地降低電池的壽命.
有鑒於此,槍友們的解決之道,不外乎采購較大容量的電池(例如2000mAh),或者串聯(lián)更多顆電池,藉以彌補推動能力不足之遺憾.茲將此兩種方法的優(yōu)缺點說明如下.
1. 提高容量
電動槍改強之后消耗電流增大,希望電池能堪承受大電流,又希望電量充足BB可以多打幾發(fā),使用大容量的電池是最佳的辦法. 額定容量越大的電池其可承受的充放電電流也越大,只要彈簧沒改太強,就不用擔驅(qū)動馬達的大電流會太過傷害電池,超大的容量,讓槍手不須再攜帶數(shù)條備用電池,不再有打沒發(fā)就得拆槍更換電池的困擾.
容量較大的電池相對的體積比較大,在狹小的槍身內(nèi)部是沒有多少空間可以容納電池的,不同款式的槍枝擺置電池的部位也不一樣,通常不外乎固定槍托內(nèi)部以及前護木內(nèi),部分則填塞於其他小縫隙.目前為止能塞得進大電池的地方,大概只有某些槍型的固定槍托了,2000mAh左右的大電池勉強塞進去不成問題.至於塞不進去的槍型,
只好把大電池以電池袋綁在槍身外面,直接將電線接頭從縫隙拉進槍身內(nèi)接好.當然,丑不垃圾的外觀破壞槍枝美感是無法避免的了,重重的電池也讓手臂增加不少負擔.不過使用電池袋外掛也有個好處,電池能獲得較佳的散熱,壽命比填裝在密閉的槍身內(nèi)部發(fā)燙還長.
電池的造型很多多,有些AA型(尺寸與3號乾電相近) 鎳鎘電池容量約有1000mAh左右,某些款式的槍空間許可塞得下,若槍沒改太強對於此容量又可以接受的話,就不用外掛重重的大電池了.
2. 提高電壓
外掛電池丑丑的外貌另很多人無法接受,好端端漂亮的一把槍表面卻增加了一陀大大的電池包,叫人怎不心疼呢.因此很多同好在空間許可的情況下,自行購買電池來焊接,以8~10顆電池串成提供9.6V以上的較高電壓,希望藉此增加射擊彈量.
雖然電池推動馬達時隨著容量的消耗電壓逐漸降低內(nèi)阻逐漸增大,電流也逐漸減小,當電流小至馬達無法推動齒輪而停下時,電池的殘余容量相當?shù)亩?彈簧越強殘余容量也越大.此種提高電壓的方法會讓流過馬達的電流大一些,馬達比較不容易因為電流不夠強而被齒輪拖住,殘余容量也能小一些,活塞每多轉(zhuǎn)一行程子彈就多射出一發(fā).不過有一點得注意的是,電池串聯(lián)時容量并沒有增加,在相同的電池容量下,耗電流增大會使馬達轉(zhuǎn)速增加,
子彈射擊的速度增快(發(fā)/分),相對的會使得可供射擊的時間縮短.
因此此種方式使用在單發(fā)射擊時,可以增加射擊的次數(shù)和時間,而使用在全自動射擊時,打得很過癮,不過很快就又得填裝子彈(都是錢啊),以及更換備用電池了.在游戲中可具有優(yōu)越的連發(fā)火力壓制對方,若戀戰(zhàn)下去很快地會彈盡援絕,只好好壯烈成仁了.
小容量的電池提升電壓后,固然有重量輕與高連發(fā)速度的好處,但也承受較高的電流,用來推動M100的彈簧(初速100m/s)壽命還沒問題,若欲驅(qū)動更強的彈簧時,以大容量之電池來驅(qū)動才是正確的方法.
充電器之選擇
在***電動槍販售出去的數(shù)量非常的多,不過卻很難見到為電動槍設(shè)計的專用充電器,原因是日本方面生產(chǎn)的專用充電器,引進***后價格昂貴因而乏人問津,要***的BB槍愛好者,自動自發(fā)當起凱子,以天價去購買價格昂貴的日本塑膠BB槍,是一件非常輕易的事,但是要叫***的凱子,掏出腰包以高價去購買***到處買得到的『充電器』,是不大可能的事.在販售專用充電器利潤不如電動槍的前提下,店家也賣得興趣缺缺.槍店通常有販售用在如遙控模型上面所使用的充電器等等,很多槍友們也是將就點購買來使用,不過比較講究的槍友還是會另行去找尋讓自己滿意的充電器.
電動槍的電池是由7～9顆1.2V的電池串成,每顆電池充飽電時電壓上升到約1.4V左右,因此充電器的輸出電壓至少必須有10~13V以上得驅(qū)動能力,才能將電池串做完全充電.電槍使用的電池容量從600mAh ~ 2000mAh以上都有,充電器要能夠大小通吃就必須能提供足夠大的電流才行,否則只能以小電流慢充的話,打仗前夕您可就得徹夜未眠,守著一堆排隊等著充電的電池了.充電器的種類琳瑯滿目,規(guī)格不見得一定適用,有些是有電池座針對UM-3/4/5等的小電池設(shè)計,有些是使用大空中接頭與您的電池接頭不合,有些提供的電池個數(shù)或電壓根本不足滿足您的電池的需求,不同各種功能和不同的價位,想找到完全符合要求的充電器是得靠點運氣.若對槍店尋所陳列的機型不滿意,只好辛勤點到遙控模型店,電池行以及電子材料行打探看看.若您怎找就是找不到滿意的充電器,
那麼只好將就點買個比較電器特性相容的,去電子材料行購買電線和相容之連接頭自己焊上去,暫時能用就好,等待來日有機會時再更換.
一般電動遙控模型上的鎳鎘電池,也是用來推動耗大電流之馬達,電器特性和電槍很接近,不過遙控模型使用充電器雖有很多種并但不是設(shè)計給電動槍使用,其輸出電壓范圍不一樣,比較常見的輸出電壓都太低,尤其是附有電池座用來充UM-3/UM-4電池的那一類,購買此類充電器時必須留意充電器上標明的規(guī)格,了解一下它提供的電壓范圍有多高,充電電流有多大,是否足以充飽您的電池毫無問題.一般情況可充6顆單體電壓7.2V的充電器,用來充7~8顆單體串成的電池時是還可以接受,只是要注意的是,尚未充飽時充電器會因誤判電壓準位而自動終止充電,使用時得觀察電池的溫度和壓降變化,多充幾幾次之后電池之充電容量才能比較接近飽和. 遙控模型中有比較高級的充電器,內(nèi)部是以具A/D轉(zhuǎn)換介面之微處理器控制,以方式偵測電池飽和容量,外表具備有LCD液晶顯示器,可以顯示電池的電壓,電流以及已充放電量之值,甚至檢查電池的好壞.這類充電器通常提供了快充,慢充,快充快放,慢放,快放,快放快充等功能,充電電流大小可由使用者自行調(diào)整,范圍小至幾mA到至數(shù)安培都可以,而電池的單體數(shù)量范圍大約在4~8顆甚至更多,使用者可以根據(jù)您的電池狀況決定要使用哪種操作模式,不用擔心過充電或是過放電.這類充電器完全滿足電動槍之需求,小笨鳥的充電器就是屬於這類型,可接4~9顆單體串接之電壓模組,270mAH~4500mAh之容量,0~6.5A之充電電流,汽車直流電源或交流電源,在使用上非常方便,不但不用擔心充放電池,還可以根據(jù)顯示之數(shù)據(jù)隨時掌握電池之各種狀況.
很多槍友自己備有電源供應(yīng)器,那麼就省下一筆錢不再另行購買充電器了.電源供應(yīng)器可提供巨大的電壓和電流,要對電池充電時必須非常小心,充電電流不可調(diào)整過大,首先必須先調(diào)整限流大小到您希望的充電電流大小,將電壓往上調(diào)整至快接近可使電池充飽的電壓準位,然后才將電池接上去.電池街上后電源供應(yīng)器上的電壓表會往下掉至電池之電壓,電流表則顯示充電電流,在充電期間得留意電池溫度以及電壓電流之變化.若電流快速下降表示電池電壓已充到接近您設(shè)定的電壓值,若您發(fā)現(xiàn)電壓上升到某程度又開始微微下降時,表示您電源供應(yīng)器的電壓調(diào)整過高,而現(xiàn)在電池已經(jīng)充到過飽和電壓并開始下降,相信此時已經(jīng)有點遲,電池已經(jīng)滾燙燙,必須立刻取下電池停止充電.
使用電源供應(yīng)器充電是一件非常危險的事,電壓電流調(diào)整不好電池會報銷,在充飽電時沒稍微留意充過頭電池也是報銷,尤其是在充電時人員不在旁邊待命,跑去別處又忘記正在充電的話,萬一出意外讓正負兩端的鱷魚夾碰在一起,就算電源供應(yīng)器有保護電路,鎳鎘電池的短路也是照樣會引起電線走火,有引發(fā)火災(zāi)的危機,因此使用時必須非常小心,最好在電源端加上定時器以增加一層保護措施.
制作放電器
一般低價位的充電器并沒有提供放電功能,要避免記憶效應(yīng)就必須自己制作放電器,以便適時地對電池進行完全放電.電阻是最簡單的放電器,根據(jù)你所希望的最大放電電流選擇適當?shù)碾娮柚?將之接在電池接頭兩端即可放電.假設(shè)你希望放電電流不超過300mA,而你的電池是7顆串成標稱電壓8.4V,有殘余電量時電壓范圍在8.4V~9.8V之間,因此你必須選擇的電阻值最小必須為以上.電阻必須能承受300mA之電流,因此并且該電阻之額定功率必須大於,以免電池過熱而冒煙燒毀.要能耐高溫又能承受此消耗功率,水泥電阻是最佳選擇,電子材料行有販售,價格不到十塊錢.在放電時水泥電阻非常的熱,使用者切莫以手觸摸以免灼傷. 或許讀者思緒一晃已經(jīng)考慮到兩個問題,我要如何知道它已經(jīng)放完電 有沒有辦法讓它自動停止放電而不會過放電呢 當然是有方法羅!水泥電阻串接一汽機車用之小燈泡,當燈光暗掉時就知道電量已經(jīng)差不多放光了.話雖如此但并不知道電壓準位已經(jīng)掉到多低,且人要在旁邊守候著也是非常無聊浪費時間的事,因此你可以在電子材料行買到稱為二極體(Diode)的電子零件,二極體只有兩只腳一端正一端負,必須正端接上超過0.7V以上的正電源時二極體才會導通,若是正負接反了二極體就不導通.將一顆(或更多顆)二極體,水泥電阻和燈泡串在一起,當電池電壓降至0.7V(或二極體個數(shù)x0.7V)時,電池就不再放電了,.
如果沒加二極體萬一不小心電池電壓被放電至0V時怎麼辦 此時電壓會一直保持在0V無法上升,使用充電器不但無法將電量充進去且被充電器判定為短路,比較差點的充電器保護電路若做得不好還會燒掉.小笨鳥也遇過這種情形,解決的方法是用電源供應(yīng)器,將電流限流調(diào)到電池可承受的最大電流,電壓調(diào)到0V以減少火花,電池接上之后電源供應(yīng)器是在短路狀態(tài),將電壓旋鈕慢慢調(diào)高,通常不須調(diào)到正常狀況10V的位置時,您就可以聽到喀一聲電壓表的指針瞬間跳至正常電壓位置,電池已經(jīng)恢復到正常標稱電壓以上的準位了.電池之所以能救回是靠電源供應(yīng)器強而有力的電流推動力,對電池做電擊強迫電池還陽的,若電池已停在0V不馬上處理,電池內(nèi)部會起化學反應(yīng),拖得越久救回的希望是更渺茫.
電池DIY
Marui訂制的8.4V 600mAh的鎳鎘電池品質(zhì)不錯,推動為改強的電動槍是沒問題,可惜在***販售的價格非常昂貴,加上槍友們不喜
歡玩太弱的槍,喜歡把槍改得強一點,那麼Marui的電池再好也無用武之地了,必須以更適合的電池來取代.槍店和代理商會自行向電池廠商訂制各式電池組擺在槍店販售,價格比Marui的電池低了近一半,不過很多像我們這樣子的窮人家,有時候都是自行到電池行買電池來焊,自己 DIY未必能比較便宜多少,不過可以挑選自己喜愛的電池廠牌,容量,以及針對愛槍的需求排列成適當之形狀.
同樣的一顆電池在不同的電池行或電子材料行,價格差異甚大,日本比較有名的大廠如三洋與TOSHIBA等制造出來的品質(zhì)還不錯,至於一些包裝上沒有廠牌,只打著 MADE IN JAPAN等字樣的電池,多是來路不明的冒牌貨,買到***制造的的還好,買到大陸偽造的日本貨品質(zhì)就非常的低落.對電動槍而已,如果槍沒有怎改,MADE IN JAPAN的電池還可以用很久,槍有改的話這些電池就不適合,周期壽命非常的短.
Marui的電池以及一般日本正廠制作的電池,最初幾次充電時容量可以達到600mAh沒問題,拿去讓電動槍摧殘好幾次之后,容量還是保有近550mAh左右,且周期壽命非常的長,充放電特性也非常的棒.至於MADE IN JAPAN等雜牌電池,第一次能充600mAh是有可能,不過充放幾次之后能再充到400mAh至500mAh以上似乎已經(jīng)有點勉強,充電過程中充得是滾燙燙,周期壽命相當?shù)亩?有些充放一兩次后,充電電流太小即無法充進去,雖然還是新電池,但也只能死馬當活馬醫(yī)從此改以快充硬充.日本正廠電池的價格當然是比較貴,不過在電槍馬達的摧殘下,壽命可是底得過幾條雜牌電池.
電池行是有幫人焊電池,槍友不放心他們焊接的技術(shù)的話也可自己焊,焊接時有些事項必須注意的.馬達是低阻抗,電線上的電阻必須非常的小才不會把功率浪費在電線上,電池之電線時越粗是越好以塞得進接頭為參考,里面的線蔥不要太小條,可以的話使用價格較貴的鐵弗龍線或銀線等導電性較佳的電線.電線端之空中接頭有大小公母之分,得參考槍身方面之接頭形式來選用,接頭里面的金屬插鞘夾在電線上后得焊接好以免造成產(chǎn)生接觸不良.電線要焊接於電池上時必須避免烙鐵直接接觸電池,以免電池過熱傷害電池,應(yīng)先將焊錫焊於電線上后,再快速地將電線焊於電池正負極,并確保錫溶解黏著后表面光亮,無松動或阻抗過大之情形.焊接時切記不要造成電池陽極和陰極外殼的短路,眼睛和手指離焊接點遠一點,免得短路時被灼傷和被噴濺的焊錫燙傷.
有些槍友為了提高電池電壓,直接將舊有電池直接加上一顆新電池,這是錯誤的作法,因為舊電池上面殘有的容量不等於新電池殘有的容量,且就電池特性早已惡化,與新電池串接等於是舊木接新條,不但新木沒活成舊木沒更好,而且會弄巧成拙讓新組合的電池更糟糕.電池串聯(lián)時,流過每一顆單體的電流是相等,每顆增加(或減少)的電量也是相等,若充電時其中一顆的容量先飽和,繼續(xù)充的話這顆會會過充電,下降的微弱電壓還不如其他顆增加的電壓,因而充電器無法偵測而繼續(xù)充,該顆充壞了不能再充放電,其他各顆也別想能流過電流了.同樣的若放電時容量較少的先放光,再繼續(xù)放此顆會先過放電,然后變成反向充電,電池反向充電會如何就不用說明了,等其他各顆放到幾乎光時這顆是帶負電壓的,這些電池也報銷了.當你將新舊電池混在一起充電后才發(fā)現(xiàn)電量不足使用時間便短時,這些電池差不多可以扔掉了,你不知道哪幾顆電池已經(jīng)遭破壞.新電池要焊接之前要確保每一顆電量是空的或電量相等,通常新電池每一顆都充著微小的電量,直接焊接即可,切莫對其中部分做充放電,基於同樣的道理,不同額定容量的電池串接一起也是行不通的,徒增困擾而已.
電池焊接后總是得包裝,電池行當然是有電池專用的熱縮膠包裝,將電池套進熱縮膠之后,以吹風機對其均勻地烘一下,它縮小就緊緊的包住電池了.如果找不到電池行,到五金行或橡膠行應(yīng)該找得到熱縮膠或熱縮套管等替代品.如果包裝過后散熱不良,可在不暴露電池串接處的部位開幾個小洞以幫助散熱.
安全性
鎳鎘電池是能量密度很高的能量儲存元件,而不是消耗能量的元件,內(nèi)阻非常的小,外接負載時放電曲線平坦,正負兩端短路時電流相當?shù)卮?產(chǎn)生的高溫與火花可以將電線與焊接點融毀引發(fā)火災(zāi).為了預防萬一,鎳鎘電池平常不使用時最好先作放電,再保存於乾燥陰冷處,切莫置於潮濕處以免短路.鎳鎘電池遇熱時化學物亦遭破壞而發(fā)生漏液生銹等減少壽命之情形,應(yīng)避免棄置於高溫或日曬處. 鎳鎘電池尤其嚴禁置於火中,否則內(nèi)部的氣體與電解液因過熱而沸騰會造成外殼爆裂,皮膚或眼睛遭電解液噴濺時會造成傷害
第二篇 長須高人鎳氫在此
隨著空間技術(shù)的發(fā)展，人們對電源的要求越來越高。70年代中期，美國研制成功了功率大、重量輕、壽命長、成本低的鎳氫電池，并且于1978年成功地將這種電池應(yīng)用在導航衛(wèi)星上，鎳氫電池與同體積鎳鎘電池相比，容量可提高一倍，而且沒有重金屬鎘帶來的污染問題。它的工作電壓與鎳鎘電池完全相同，工作壽命也大體相當，但它具有良好的過充電和過放電性能。近年來，鎳氫電池受到世界各國的重視，各種新技術(shù)層出不窮。鎳氫電池剛問世時，要使用高壓容器儲存氫氣，后來人們采用金屬氫化物來儲存氫氣，從而制成了低壓甚至常壓鎳氫電池。1992年，日本三洋公司每月可生產(chǎn)200萬只鎳氫電池。目前國內(nèi)已有20多個單位研制生產(chǎn)鎳氫電池，
國產(chǎn)鎳氫電池的綜合性能已經(jīng)達到國際先進水平。
鎳氫電池的工作原理
鎳氫電池和同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長，并且無記憶效應(yīng)。鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為NiOOH（放電時）和Ni(OH)2(充電時)，負極板的活性物質(zhì)為H2（放電時）和H2O（充電時），電解液采用30%的氫氧化鉀溶液，充放電時的電化學反應(yīng)如下：
充電
正級Ni(OH)2+OH- -e <------->NiOOH+H2O
放電
充電
負極H2O+e<------>1/2H2+OH-
放電
充電
總反應(yīng) Ni(OH)2 <---->NiOOH+1/2H2
放電
從方程式看出：充電時，負極析出氫氣，貯存在容器中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳（NiOOH）和H2O；放電時氫氣在負極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。
蓄電池過量充電時，正極板析出氧氣，負極板析出氫氣。由于有催化劑的氫電極面積大，而且氫氣能夠隨時擴散到氫電極表面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易在蓄電池內(nèi)部再化合生成水，使容器內(nèi)的氣體壓力保持不變，這種再化合的速率很快，可以使蓄電池內(nèi)部氧氣的濃度，不超過千分之幾。
從以上各反應(yīng)式可以看出，鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，只是負極充放電過程中生成物不同，從后兩個反應(yīng)式可以看出，鎳氫電池也可以做成密封型結(jié)構(gòu)。鎳氫電池的電解液多采用KOH水溶液，并加入少量的LiOH。
隔膜采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。為了防止充電過程后期電池內(nèi)壓過高，電池中裝有防爆裝置。
鎳氫電池的充電特性與鎳鎘電池類似，充電終止時，鎳鎘電池電壓下降比鎳氫電池要大得多。當電池容量達到額定容量的80%以前，鎳鎘電池的溫度緩慢上升，當電池容量達到90%以后，鎳鎘電池的溫度才很快上升。當電池基本充足電時，鎳鎘/鎳氫電池的溫度上升率基本相同。
結(jié) 論
論負載力，也就是誰的力氣最大龍虎排行榜如下
最強！！-----鎳鎘充------只要齒輪箱結(jié)構(gòu)跟上，拖動150左右的簧沒問題。
其次??！-----鎳氫充------看來拖120左右就差不多鳥
再次！?。ㄐJ）-----鋰離子充------還是老老實實用原裝簧好。
論電池保養(yǎng)，也就是比誰最不嬌氣之金玲排行榜如下
命賤最好養(yǎng)活??！-----鋰離子充
命還尚可?。?----鎳氫充------續(xù)航時間差不多 剛好沖出第一島鏈
嬌柔，需要經(jīng)常呵護！----（小JJ）鎳鎘充 （大家閨秀）
論電池續(xù)航力，比誰跑得遠。
續(xù)航時間久 遠洋海軍-------鋰離子充
續(xù)航時間差不多 剛好沖出第一島鏈------鎳氫充
黃水海軍 近海防御----------鎳鎘充
鋰離子電池與Cd-Ni和MH-Ni比較特性列表
項目 Cd-Ni MH-Ni Li-iON
單節(jié)工作電壓（V） 1.2 1.2 3.6
質(zhì)量比能量（wh/kg） 50 65 100~160
體積比能量（wh/l） 150 200 250~300
循環(huán)壽命 500 500 1000
-20℃容量與25℃容量比較 60% 60% 90%
自放電（%月） 25~30 30~35 〈10%
記憶效應(yīng) 有 有 無