灵巧型便携式电子产品要求尺寸孝重量轻,但电池的尺寸及重量与其它电子元器件相比往往是大的及重的。例如,想当年的“大哥大”是相当“粗大、笨重”,而今天的手机是如此的轻巧。其中电池的改进是起了重要作用的:过去是镍镉电池,现在是锂离子电池。
锂电池的大特点是比能量高。什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。Wh是能量的单位,W是瓦、h 是小时;kg是千克(重量单位),L是升(体积单位)。这里举一个例来说明:5号镍镉电池的额定电压为1 2V,其容量为800mAh,则其能量为0 96Wh(1 2V×0 8Ah)。同样尺寸的5号锂-二氧化锰电池的额定电压为3V,其容量为1200mAh,则其能量为3 6Wh。这两种电池的体积是相同的,则锂-二氧化锰电池的比能量是镍镉电池的375倍!
一节5号镍镉电池约重23g,而一节5号锂-二氧化锰电池约重18g。一节锂-二氧化锰电池为3V,而两节镍镉电池才2 4V。所以采用锂电池时电池数量少(使便携式电子产品体积减孝重量减轻),并且电池的工作寿命长。
另外,锂电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。锂电池的缺点是价格昂贵,所以目前尚不能普遍应用,主要应用于掌上计算机、PDA、通信设备、照相机、仪器等。随着技术的发展、工艺的改进及生产量的增加,锂电池的价格将会不断地下降,应用上也会更普遍。
表述锂离子电池储能大小的参数是能量密度,在数值上大约相当于电压与锂电池容量的乘积,为了有效提高锂电池的储电量,人们一般会用增加电池容量的方法达到目的。但是,限于所用原材料的性质,容量提升总是有限度的,于是提高电压值成为提升锂电池储电能力的另一条途径。大家知道,锂电池标称电压是3.6V或3.7V,高电压是4.2V。那么,锂电池的电压什为什么不能获得更大的突破呢?说到底,这也是由锂电池的材料及结构性质决定的。
锂电池的电压是由电极电势决定的。电压也称作电势差或电位差,是衡量电荷在静电场中由于电势不同所产生的能量差的物理量。锂离子的电极电势约是3V,锂电池的电压随材料不同而有变化。如,一般的锂离子电池额定电压为3.7V,满电电压为4.2V;而磷酸铁锂电池额定电压为3.2V,满电电压为3.65V。换句话说,实用中的锂离子电池正极和负极之间的电势差不能超过4.2V,这是一种基于材料和使用安全性的需要。
假如以Li/Li+电极为参照电位,设μA为负极材料的相对电化学势,μC为正极材料的相对电化学势,电解液电势区间Eg为电解液低电子未占有能级和高电子占有能级之差。那么,决定锂电池高电压值的就是μA、μC、Eg这三个因素。
锂离子电池的电压,有开路电压、工作电压、充电截止电压、放电截止电压等一些参数,本文不再分开一一论述,而是集中做个解释。
开路电压,顾名思义,就是电池外部不接任何负载或电源,测量电池正负极之间的电位差,此即为电池的开路电压。
工作电压,就是电池外接负载或电源,处在工作状态,有电流流过时,测量所得的正负极之间的电位差。一般来说,由于电池内阻的存在,放电状态时的工作电压低于开路电压,充电时的工作电压高于开路电压。
充/放电截止电压,是指电池允许达到的高和低工作电压。超过了这一限值,会对电池产生一些不可逆的损害,导致电池性能的降低,严重时甚至造成起火、等安全事故。
电池的开路电压和工作电压,与电池的容量存在一定的对应关系。