電池介紹

一、電池分類

目前熟知的電池種類分別有鉛酸電池(LeadAcid)、電池(Ni-Cd)、氫電池(Ni-MH)及鋰離子電池(Li-ion)等。
然而不論為何種電池,其反應原理均是使用電化學反應來達到能量的儲存與釋放。一般來說,電池的種類可分為下列兩種,如圖2:

1.一次電池(一次性電池)

　　是指是無法經由充電回復容量,一旦耗盡容量就要丢棄,但因為只能次使用,而且在原料及製程上使用到具有對環境污染以及人體都有相當大危險性的汞。
　　如一般常見的乾電池(碳鋅)、鹼性電池、以及水銀電池(汞電池)等。

2.二次電池(可重複使用)

　　指的是可藉由充電程式回復蓄電量,多次的循環使用,但是仍舊有一定的使用次數限制,這一類的電池有鉛酸電池、鎳電池、鎳氫電池、鋰離子電池等

二、常用之二次電池種類介紹

(一)鉛電池
　　鉛酸電池為發展最早、生產最為成熟而且已達到量產階段,因此製造成本相對較低,且其具有瞬間放電強、使用溫度範圍廣的特點。
　　然而,鉛酸電池在於能量密度、體積、重量和循環壽命等性能表現不佳,同時也存在環保的問題。目前鉛酸電池主要應用在汽機車及工業設備的電系統。

(二)鎳鈷電池
　　鎳電池其能量密度與壽命均較鉛酸電池高且可達到大電流放電與耐過充電/過放電,但因為本身具有充電記憶效應,無法達到快速充電的目標,
　　而且鈷的毒性非常強,會對環境造成污染,目前已為許多國家所禁用。

(三)錦氫電池
　　鎳氫電池本身不含對人體有害的金屬如鉛、鈷等,其放電迴次數多,放電深度與使用壽命佳,但仍有記憶效應的缺點,且充電速率較慢。

(四)鋰離子電池
　　鋰離子電池早期發展主要探用鋰金屬做為電極材料,由於鋰金屬活性高與其本身特性,使電池在充電過程無法完全回復到原來的結構狀態,有部分鋰金屬會沈積在電極表面形成突刺狀結構(Dendrite),
　　進而穿透隔離膜(Separator)形成內部短路,容易使電池發生燃燒或爆炸等危險。目前為了提高鋰電池的安全性,通常使用鋰鈷氧化物/碳做為正負極材料,因此鋰離子電池可分為許多種類,
　　主要分别在於所使用的正極材料不同,包含這包括有鋰鉆(LiCoO)電池、鋰(LiNiCoO)電池、鋰(LiNiO)電池、鋰錳(LiMO)電池、磷酸鋰鐵(LiFePO電池等。

1.鋰錄電池
　　鋰錦電池的成本較低而且能儲存的電容量較高,但對於材料性能的一致性和再現性差,造成其製作過程困難,最嚴重的是依然有污染及安全性的問題。

2.鋰鎳鈷電池
　　鋰鎳鈷電池是鋰鎳電池和鋰鈷電池的固溶體(綜合體),具鋰鎳和鋰鈷的優點,一度被產業界認為是最有可能取代鋰鈷電池的新正極材料,但是,鋰鉆的循環壽命差、安全性不佳,
　　需要有安全路的設計,若設計不良,容易因為使用或充電時間過長造成過熱現象,甚至爆炸起火,再加上鉆的價格高昂,成本居高不下,以致無法廣泛應用。

3.鋰錳電池
　　鋰錳電池的成本低且安全性比鋰好很多,但循環壽命欠佳,且在高溫環境下有時甚至會出現錳離子溶出的現象,或造成自放電嚴重,導致儲能特性差。

4.磷酸鋰鐵電池
　　磷酸鋰鐵電池(LiFePO本身原料價格低而且磷、鋰、鐵存在於地球的資源含量豐富,沒有供料問題,同時磷酸鋰鐵的結構穩定,並且兼具環保及安全性,使用時也不會有燃燒爆炸危險,
　　相較於不穩定的鋰鉆電池,相當具有發展優勢。各類電池產品特性比較,可參考表1.。

三、電池充電方法

電池充電方法的好壞直接影響到電池的壽命,尤其過度充電是造成電池損壞的最大原因,下列介紹目前常用充電方法:

(一)定電壓充電法
　　定電壓充電法電路簡單、成本低,是最普遍的充電方式,不過在電池完全充滿後,必須把電壓移除,或是以浮充(Float Charging)模式電壓補充電量以免電池損壞,如圖4。
　　定電壓充電法優點在充電時電池溫度不會劇烈上升,且在高充電狀態時不會有高電壓現象,缺點在充電時間難以估計而且充電初期時充電電流大。


(二)定電流充電法
　　定電流充電法是由使用者根據充電時間和電容量設定定電流值,但因為定電流充電法沒有考意電池原本的電量狀態,所以效率不高,此充電法優點在充電初期電流不會過大,
　　充電時間容易估計,缺點在高充電狀態時容易有高電壓現象、電池溫度會急遽上升


(三)定電流-定電壓充電法(CC-CV)
　　結合定電流與定電壓充電法兩種充電法之優點,即為定電流-定電壓充電法(CC-CV)此方法具有定電流充電法可快速充電的的優點,也有定電壓充電法的可自我調節電流的功能,
　　因此不會增加造成電池永久損壞的機會,如圖6。電瓶一開始充電時,先採用定電流模式,因為電池在電量較少時對電流的接受度比較高,故可以將大部分放掉的電量快速地補回。
　　而定電流充電模式會將電池電壓充電到達峰值後,再切換至定電壓充電之模式。


(四)脈衝充電法
　　脈衝充電法為使用週期性的脈衝電流對電池充電,可在充電過程中提供電池休息時間以緩和電化學反應,並且可以適當的調節脈衝電流大小,達到快速充電的目的。
　　其電流波形如圖7所示,重點在於使用脈衝充電法時需要注意到脈衝電流值、脈衝週期與充電責任週期之參數設定。　


四、電池安全
保護電池在使用上需要有偵測保護電路形成電池模組,避免電池在充放電或不當使用下造成危險發生,目前在電池設計上均會考量下列保護措施:

1.過充保護:
　　避免電池被過度充電時產生危險性,所以當電池滿電後,還繼續被充電時,保護電路就會切斷充電。

2.短路保護:
　　避免因為短路造成危險性,保護電路上在偵測到短路現象時,立刻切斷與電池的路,保護電池不受外部短路的影響。

3.過放保護:
　　電池處在過低電壓狀態時,會因為過度放電造成電池蓄電能力的傷害,甚至無法再度使用,所以在電池電壓過低時,保護電路會切斷放電迴路,使電池不再被放電。

4.過溫保護:
　　當電池在充放電時電池本身溫度會隨之變化,因此需對電池作溫度監測並在必要時停止充放電使系統進行過溫保護控制,以防止損害電池。