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1．4 锂离子电池
1．4．1 锂离子电池特性
自20世纪90年代初锂离子电池上市以来，锂离子电池以其高比能密度和使用寿命长而受到重视，采用聚合物（高分子材料）做电极和电解质材料的研究开发尤为引人注目。目前市面上所使用的二次电池主要有镍氢与锂离子电池两种，而且随着便携式电子设备的应用越来越广、市场需求越来越多，这些电池的需求量也随之增加。基于如此广阔的市场，世界各大电池公司为了在这个市场领域中取得领先的地位，无不致力于开发具有更高能量密度、小型化、薄型化、轻量化、高安全性、长循环寿命与低成本的新型电池。其中，聚合物锂离子因为具有上述各项优点，更是各家厂商致力研发的目标。聚合物锂离子电池基于安全、轻薄等特性，符合便携、移动产品的要求，因此，在未来2～3年内，聚合物锂离子电池取代锂离子电池市场的份额将达50％，被称为21世纪移动设备的最佳电源解决方案。
1．锂离子电池
锂是一种金属元素，其化学符号为Li（其英文名为lithium）, 是一种银白色、十分柔软、化学性能活泼的金属，在金属中是最轻的。它除了应用于原子能工业外，可制造特种合金、特种玻璃（电视机上用的荧光屏玻璃）及锂离子电池。在锂离子电池中它用做电池的阳极。
以聚合物固体电解质代替液体电解质来制造聚合物锂离子蓄电池（LIP）是锂离子蓄电池（LIB）的一个重大进步，其主要优点是具有高的可靠性和加工性，可以做成全塑结构，从而使制造超薄及自由度大的电池的愿望得以实现。1992年，锂离子蓄电池实现商品化，1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。它标志着锂离子蓄电池发展的一个新高潮的到来。
锂离子电池有各种形状（圆柱形、长方形等）, 以适合不同产品的需要，其容量一般有几百毫安时到几安时。另外，有将几个锂离子电池串联在一起，并与电池保护器封装在一起的电池组。锂离子电池的额定电压为3．6V（有的公司的产品为3．7V）, 电池充满电时的电压（称为终止充电电压）与电池的阳极材料有关：阳极材料为石墨时为4．2V；阳极材料为焦炭时为4．IV。另外，它们的内阻也不相同，焦炭阳极的略大，故其放电曲线也略有差别。锂离子电池终止放电电压为2．5V（各电池制造厂的参数略有不同）, 如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2．5V后还继续使用，则称为过放电（或过放）, 对电池是有损害的。锂离子电池不适合大电流放电，过大的电流放电会降低放电的时间。因此电池生产工厂给出最大放电电流，在使用中应小于最大放电电流。一种容量为3 Ah的锂离子电池，在0．7 5 A电流放电时，工作时间为4h。若以2A电流放电，本应工作l．5h，但实际为1．25h(相当于2．5 Ah了）；若以3 A电流放电，本应工作1H，但实际为0．6 h,(相当于1．8 Ah了) 这是因为大电流放电时，内部有较大损耗的缘故。因此，不同容量的电池由电池制造厂给出允许最大的放电电流值。
现代电池的基本构造包括正极、负极与电解质三项要素。作为电池的一种，锂离子电池同样具有这三个要素。一般锂离子电池使用液体或无机胶体电解液，因此需要坚固的外壳来容纳可燃的活性成分，这就增加了电池的质量和成本，也限制了尺寸大小和造型的灵活性。一般而言，液体锂离子二次电池的最小厚度是6 mm，再减少就比较困难。
而所谓聚合物锂离子电池，是在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为其主要的电池系统。新一代的聚合物锂离子电池在聚合物化的程度上已经很高，所以形状上可做到薄型化（最薄0．5mm）任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性，从而可以配合产品需求，做成任何形状与容量的电池。同时，聚合物拥离子电池的单位能量比目前的一般锂离子电池提高了50％其容量、充放电特性、安全性、工作温度范围、循环寿命与环保性能等方面都较馊离子电池有大幅度的提高。
目前市面上所销售的液体锂离子(LiB）电池在过度充电的情形下，容易造成安全阀破裂
而起火的情形，这是非常危险的，所以必须加装保护IC线路以确保电池不会发生过度充电。而高分子聚合物锂离子电池相对液体锂离子电池而言具有较好的耐充放电特性，因此对外加保护IC线路方面的要求可以适当放宽。此外在充电方面，聚合物锂离子电池可以利用IC定电流充电，与锂离子电池所采用的CCCV（Constant Current-Constant V oltage）充电方式所需的时间比较起来，可以缩短许多的等待时间。未来小型二次电池的市场趋势如下。
(1）在若干年内，锂离子电池(非水溶济电解质及聚合物固体电解质类型）将成为各类便携式电子设备的首选电源。
(2）镍镉电池的应用范围将逐渐减小。
(3）目前广泛使用的镍氢电池的市场份额也将减小，而让位于锂离子电池（特别是聚合物锂离子蓄电池）.
锂电池充电要求
随着便携式电子设备的迅猛发展及电池技术的进步，现已开发出多种新型电池，其中发展最快的是可充电电池。在镍镉电池后相继开发出镍氢电池、锂离子电池及最新发展的锂聚合物电池。锂离子电池／镍镉电池／镍氢电池在主要性能上的比较见表1- 1。
由表1-1可看出，锂离子电池的单位质量能量密度及单位体积能量密度都是最高的，即同样的电池质量、同样的电池体积，在同样的负荷电流时，锂离子电池的两次充电的时间间隔是最长的，并且它的自放电率最低，也无记忆效应。由于有这些优点，虽然目前它的价格较贵，但仍然是便携式电子设备，如移动电话、PDA、掌上电脑等产品的最佳选择。
锂离子电池在充电过程中充电电压高于规定电压，充电电流超过规定电流；或在放电过程中有过大的放电电流；放电到终止放电电压还继续放电，就会损坏电池或使之报废。因此各半导体器件公司纷纷开发出各种安全、高效的锂离子电池充电器IC及锂离子电池保护器IC，这保证了银离子电池充电、放电的安全。MAXIM公司、TI公司、LT公司、ADI公司、MICREL公司、沛亨公司等近年来开发了多种新型锂离子电池充电器IC，其中沛亨公司生产了系列锂离子电池保护器IC。
锂离子电池需要精密的充电电路以保证充电的安全及充满，另外也要使用方便及低价。
锂离子电池充电的要求如下。
(1）终止充电电压精度在额定值的1％之内（过电压充电可能对锂离子电池造成永久性损坏）
(2）锂离子电池的充电率（充电电流）应根据电池生产厂的建议选用，虽然某些电池充电率可达2C(C为电池的容量),但常用的充电率为(0．5～l）C。采用0．5C充电率时，因充电过程的电化学反应会产生热，有一定的能量损失。
(3）锂离子电池充电并非全部采用恒流充电，还有恒压充电，所以实际充电时间为2．5h 左右。
(4）锂离子电池充电的温度在0～600C之间。如果充电电流过大会使温度过高，不仅会损坏电池，而且可能引起爆炸。因此在大电流充电时，需要对电池进行温度检测，并且在超过设定充电温度时能停止充电以保证安全。
(5）充电器电路中有设定的限流电阻，保证充电电流不超过设定的限制电流。
锂离子电池对温度有一定的要求，电池生产厂给出了电池充电温度范围、放电温度范围及保存温度范围。锂离子电池对充电的要求是很高的，它要求精密的充电电路以保证充电的安全。终止充电电压精度允差为额定值的士1％（例如，充4．2 V的锂离子电池，其允差为士0．042V）,过压充电会造成锂离子电池永久性损坏。锂离子电池充电电流应根据电池生产厂的建议，并要求有限流电路以免发生过流（过热）一般常用的充电率为0．25～1C(C 是电池的容量，如C—800mAh，1C充电率即充电电流为800mA), 在大电流充电时往往要
检测电池温度，以防止过热损坏电池或产生爆炸。
锂离子电池终止放电电压为2．5V，若电池中没有电池保护器或电子产品中没有电池终止电压检测电路，则可能造成过放（低于2．5V）, 严重的过放会造成电池失效。
完善的充电器可对过放的电池进行挽救修复，即在充电前进行预处理。充电前检测电池的电压：若电池电压大于2．5V，则按正常方式充电；若电池电压低于2．5V，则用小电流（约1／10 C的电流）充电，充到电池电压力2．5V后再按正常方式充电。这种预充电的方式称为预处理。
目前锂离子电池充电器常采用三段充电法，即预处理、恒流充电（快充）、恒压充电（充满）。开始以设定的恒流充电，电池电压以较高的斜率增长，在充电过程中斜率逐步降低，充到接近4．2V时，恒流充电阶段结束。接着以4．2V恒压充电，在恒压阶段充电时，电压几乎不变（或稍有增加），充电电流不断下降。当充电电流下降到1／10C时，表示电池已充满，终止充电。
锂离子电池的充电过程与镍镉、镍氢电池的充电过程是完全不同的。因此，锂离子电池不能借用一般的镍镉、镍氢电池充电器来充电。一般的通用充电器（既能充镍镉、镍氢电池，也能充锂离子电池）的性能不如锂离子电池专用充电器的好。即使是锂离子电池充电器，也必须分清楚是充4．1V电池的还是充4．2V电池的。
1．4．2 聚合物锂离子电池结构及性能
1．聚合物锂离子电池结构
聚合物锂离子电池的正极活性物质为钴酸理，负极活性物质为碳，含在电极及隔膜里的电解质是聚合物胶体电解质，为确保锂离子电池组的安全性，同时还要满足所要求的性能，聚合物锂离子电池又做了如下的开发。
（1）把负极材料碳变更为石墨，使放电电压更平稳。
（2）改进了负极板的制造方法，使活性物质达到了高填充密度。
（3）探讨了电解质的种类和浓度，使之能长期抑制薄铝片的分层，同时提高了电池的性有。
（4）通过聚合物与溶质比率的最佳化，改善了耐漏液性能。
锂聚合物电池的优点如下。
（1）形状的自由度高。
（2）薄型、轻量。是因采用薄铝片做电池外壳的结果，在以前的技术基础上对使用各种构成、新接方法的薄片材料进行了试验。最后采用以铝箔为基村、外层用PET膜、内层用聚丙烯膜（密封胶）的薄片材料。
（3）各种构成材料的厚度是PET膜12 μm、铝5 0μm、聚丙烯膜50μm。各种材料之间隔新合方法采用独立开发的新合方法，从而提高了耐电解液性，同时又保持了自身的强度。
便携式电子设备电源设计需要系统的思维，在开发由电池供电的设备时，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的结构、产品的特性、元件的选择、软件的设计和功率分配等。同样，在便携式电子设备设计中，也要充分考虑采取节省电池能量和提高电源效率的电源管理技术。例如，现在便携式电子设备的处理器一般都设有几个不同的工作状态，通过不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可降低功耗。
在开发一个高效电源管理系统时，必须先从理解电源的特性和要求着手，高效电源管理技术的应用需要具备有关负荷类型和特性。在便携式电子设备中，有两种需要电源管理的应用：数字子系统（核心与I／O）和信号路径（模拟或射频）, 两者对性能的折衷要求也各不相同，只有采取不同的设计方法才能保证系统的最佳性能。
（1）微处理器与I／O电源管理。在大多数便携式电子设备中，数字子系统（微处理器与数字I/O）的耗电量在总功耗中占有很大的比例，许多子系统中的处理器必须一直有电源供应，包括处于等待状态下。在现代的数字子系统中，这种对高效率的需求变得更加复杂，并且电源电压U CC，比输入电压低得多，最低可达1V。这些因素结合在一起，促进了对高精度变换器的需求。
开关式DC／DC变换器可以避开线性变换器效率低的问题，通过使用低电阻开关和电感器实现了高达9 6％的效率，极大地降低了转换过程中的功率损失。由于开关式DC／DC 变换器工作在超过1MHZ的高开关频率上，所以外部电感器和电容器的尺寸可以缩小。开关式DC／DC变换器的主要优势是稳压效率非常高，而与输出电压与输入电压（U OUT／U IN）比无关。但是，开关式DC／DC变换器也有不利的一面，主要是需采用电感器，电感值越小，纹波电流越大，当系统要求使用极小型元件时，必须在两者间做出平衡。虽然提高开关频率可以使用较小的电感器，但由于场效应晶体管（MOSFET）开、关的延迟以及为栅极电容快速充电的功率增大，开关损耗也增加了（效率降低），MOSFET的栅、源极之问有一个电容，当该电容被“充电”时，MOSFET不能完全处于饱和范围内（源、栅电阻R DS-ON不为最小），对于需要外接MOSFET的控制器，选择MOSFET十分重要，低R DS-ON的MOS －FET在低负荷时门损占总损耗的比例较大，应当控制MOSFET在低负荷时的门损。因此应选用低R DS-ON而且具有低栅极电容的MOSFET。开关式DC／DC变换器的输出纹波电压与电感的纹波电流和输出电容ESR的乘积成比例。陶瓷电容的ESR最低，在设计中应首选陶瓷电容。
固定频率的开关式DC／DC变换器运用于已知道di/dt噪声频率范围的系统，而负荷较轻时效率损失很大。如果负荷为“满功率”或关机状态下，这点并不重要，但考虑到数字处理器或内存在等待状态下也要保持供电，所以重要的是选择一款器件，它可以切换到脉冲跳跃(pulse-skipping）或脉冲频率调制(PFM）方案。在PFM方案中，MOSFET只在输出电压低于比较器阈值时才导通，为输出滤波器充电。这种方案会持续工作到检测输出电流升至某个阈值，而再次需要PWM方式时。这种PFM方案有两点好处：由于大量内部电路被关闭，极大降低了开关式DC／DC变换器的内部工作电流；输出级只有在需要的时候才进行开、关转换（而不是在每个时问周期的开始）, 因而开关损耗可减小到最低程度。
PFM方案的缺点是，因频率是可变的，di/dt噪声就不再是可预测的了。但经优化的PFM 方案会在充电期间把开关频率集中或近似于标称的固定频率处。由于此时输出的纹波电流非常小，降低了对充、放电输出电容的要求，因此EMI可以忽略不计。
在设计中还要重点考虑负荷瞬态响应，开关式DC／DC变换器能够对输出功率（负荷电流）的瞬时增加做出响应。大多数现代的DC／DC变换器都优化了用于负荷瞬态响应控制的电路，但因外接元件对系统性能影响甚大，设计中需在最小的电感和输出电容之间进行折衷。
当不需要最高的效率时，开关电容降压变换器（电荷泵）是一种完美的选择。电荷泵可实现高于线性低压差变换器(LDO）的效率，且无需使用电感。对于高至2 0 0 mA的负荷电流，可实现平均70％～80％的效率。现代的电荷泵使用了一种新的控制方法，使其增益可以随着U OUT／U IN比的变化而即时改变。通过增益的自动改变，可以在给定条件下保证最高的效率。
信号路径的电源管理。信号路径中器件的电源管理与数字子系统有很大的不同，信
号路径中的器件要与模拟信号一同工作，所以保持数据完整性非常重要。因此，信号路径电源管理设计的优先选择方案也不相同。在信号路径供电中最常见的结构是LDO，LDO被认为是最简单的变换器，LDO最大的缺点在热量管理方面，因为其转换效率大约等于U OUT／U IN , 例如，一个LDO的输入电源的标称值为3．6 V的单节锂离子电池，在电流为2 00mA
时输出电压为1．5V，那么转换效率仅为50％，因此在产品中产生一些发热点，并缩短了电池工作时间。LDO的负荷特性比较稳定，因此优化工作可以更多地集中在传导噪声、电源噪声的抑制和LDO压降方面。
传导噪声是无法预测的噪声，它可以是通过性的，或是电源器件自身产生的。如果这个噪声过高，混入信号中，将造成数据损坏或降低系统读取数据的能力。噪声参数很难从数据表得到，因为没有确定解决这个问题的常用方法。电源噪声的抑制主要是减少电源器件输入端的干扰，电源输入端固定频率正弦波与输出端振幅的比率定义为电源抑制比（PSRR）要与噪声共同考虑，因为两者是叠加关系。
和普通的不可充电的电池相比,可充电的电池叫二次电池。二次电池能够反复运用，符合经济实用原则，这是其最大的优点，自然人们最青睐二次电池。二次电池的种类也不少，就目前市场上主流产品而言，有4类电池：铅酸(LA）电池、镍镉（NiCd）电池、镍氢（NiMH）电池和锂离子(Liion ）电池。
1．便携式电子设备可选择的电源系统
对便携式电子设备的生产商来说，给便携式电子设备选择合适的电池是很困难的。因为电池的选择会对设备的功能、型号、成本造成很大的影响。设计者面对着很多选择，从简单的铅酸电池到复杂的集成了电子安全、监视和充电控制电路的锂离子电池。
1）镍镉电池。
镍钢电池工作电压为1．2V左右，具有优良的大电流放电性能，可在一20～600C温度范围内工作。与铅酸电池相反，这种电池过充电性能好，可靠性高。与镍镉电池类似的碱溶液二次电池还有铁镍、锌镍、锌银、镉银等，这类电池有充放电周期数多、工作寿命长、长期不用也不影响寿命、可靠耐用、容易使用等特点，因而有很大的产量和应用空间。总之这类电池最大的优点是稳定耐用，缺点是镉较贵和污染环境。
镍镉电池种类繁多，有放置用的大型电池（多数20Ah以上）和小型密封型电池，6Ah 以下的圆柱形和扁平形电池，0．5Ah以下的纽扣式电池。日本三洋公司生产40～2000mAh 的95种型号的镍镉电池，按用途有8类电池：一般用（标准型）、高容量（E型）、快速充电用（R型）、高温用（H型）、耐热用（K型）、长寿命（C型）、保护记忆用（S型）、扁平形（KF型）、标准型典型电池为AA型，容量为600mAh，尺寸为14．2mmX 50．5mm，质量为23克，内阻为12mΩ。AAA型的容量为250mAh，尺寸为10．5mm X 44．5mm，质量为11克，内阻24Ω。
镍镉电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化铝粉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化铝粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其他电池相比，镍锡电池的自放电率（电池不使用时失去电荷的速率）适中。镍镉电池在使用过程中，如果放电不完全就又充电，下次再放电时，就不能放出全部的电量。比如，放出80％电量后再充足电，该电池只能放出80％的电量，这就是所谓的记忆效应。当然，几次完整的放电／充电循环将使镍镉电池恢复正常工作。
由于镍镉电池的记忆效应，若未完全放电，应在充电前将每节电池放电至 1V以下。
2）镍氢电池。镍氢电池是生产了几年的新电池，又称为贮氢电池。20世纪70年代，荷兰飞利浦实验室在研究第一代稀土永磁合金时，试验了LaNi5的磁性能，竞意外地发现了LaNi5有很好的贮氢性能，但深入研究发现对贮氢合金不适用，因为平衡压太高，循环寿命太短，进一步研究和改进发现，这些缺点都可克服，从而为发展贮氢电池奠定了技术基础。
两者有相同的工作电压1．2V，因此这两种电池有良好的互换性。
镍氢电池的能量高，为镍镉电池的1．8～2倍，铅酸电池的3倍，有良好的充放电性能，可随充随放，快充深放，无记忆效应，特别不含镉、铅、汞等有害物质，对环境无污染，被称为绿色电池。
镍氢电池与镍镉电池类似，多种多样。有圆柱形和扁平形的小电池，有纽扣式电池，也有方形蓄电池组作为动力电池用，容量为10～20Ah。日本三洋公司生产的 AA型的容量为1100mAh，尺寸为 14．2mm X 50．0mm，质量为27克，AAA型的容量为 650mAh，尺寸为10．5 mm X 4 4．5 mm，质量为 13 g。
镍氢电池具有较好的低温放电特性，即使在一 200C环境温度下，采用大电流（以1C 放电速率）放电，放出的电量也能达到标称容量的 85％以上。但是，镍氢电池在高温十 400C 以上时，蓄电容量将下降5％～10％。这种由于自放电（温度越高，自放电率越大）而引起的容量损失是可逆的，几次充放电循环就能恢复到最大容量。
镍镉电池与镍氢电池的充电过程非常相似，都要求恒流充电。两者的差别主要在快速充电的终止检测方法上，以防止电池过充电。充电器对电池进行恒流充电，同时检测电池的电压和其他参数。当电池电压缓慢上升达到一个峰值时，对镍氢电池快速充电终止，而镍镉电池则当电池电压第一次下降了一个ΔV时终止快速充电。为避免损坏电池，电池温度过低时不能开始快速充电，电池温度 Tmin低于 100C时，应转入涓流充电方式。而电池温度一旦达到规定数值后，必须立即停止充电。
3）锂离子电池。锂离子电池是继镍氢电池后发展的新一代的二次电池。锂位于元素周期表第一族主族第一位上，是金属中最轻的元素，有最负的标准电位，组成电池能量密度大和电压高。锂离子电池负极电位相对锂电极为正，正极电位为4．OV，该电池的工作电压高，约3．6V。高电压是个优点，一个锂离子电池相当于三个镍氢电池或镍镉电池，但这也是个缺点，因为移动电话芯片电压趋向下降，这将挑战3．6V 锂离子电池的应用。锂离子电池有高的比能量，为镍氢电池的1．5倍和铅酸电池的3倍，放电曲线平稳，自放电率低，循环寿命长，与镍氢电池一样，无记忆效应和不污染环境，也为绿色电池。
锂离子电池采用卷绕式结构，盖体设计强化了安全保护功能。对于这种高比能量电池，必须经过规范的安全检测评估。镍氢和镍镉电池的电解液是水溶液，而锂离子电池必需用非水性电解液，其电导率低得多，因此电极要大大减薄，有着不同的电极制备工艺，制备又薄又长的正负电极。锂离子电池同样有圆柱式、扁平式、纽扣式和动力用电池组。Sony公司的 14500电池容量为 500mAh，尺寸为 14．3mmX 50．4mm，质量为19g；18650电池的容量为 1350mAh，尺寸为 18．4mmX 64．9mm，质量为 40g。
锂离子电池能够很好地配合电子产品小型化、袖珍化的发展方向，移动电话和笔记本电脑要求又薄又轻的二次电池，三洋超薄锂离子电池仅 4mm厚，质量比能量160Wh/kg(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))，体积比能量360Wh ／L。
锂离子电池易受到过充电、深放电以及短路的损害。单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。充电速率通常不超过1C，最低放电电压为2．7～3．OV，如再继续放电，则会损坏电池。锂离子电池以恒流转恒压方式进行充电。采用1C电流充电至4．1V时，充电器应立即转入恒压充电，充电电流逐渐减小，当电池充足电后，进人涓流充电过程。为避免过充电或过放电，锂离子电池不仅在内部设有安全机构，充电器也必须采取安全保护措施，以监测锂离子电池的充放电状态。
2．二次电池性能比较
表1。l为铅酸、镍铜、镍氢、锂离子电池特性的比较。
20世纪80年代的便携式电子设备，如数字无绳电话、随身听和电动剃须刀等，主要由镍镉电池供电。到了20世纪90年代后期，镍氢电池和锂离子电池逐渐进入市场并得以广泛应用。因为镍镉电池的价格比镍氢和锂离子电池便宜，所以镍镉电池在低端应用中十分普遍。镍镉电池可提供最高的放电电流，适合短时间内需要大功率输出的应用。
镍镉电池的缺点是被所谓的记忆效应困扰（现在的镍镉电池很少考虑这个因素），使电池容量降低。镍镉电池在未完全放电的情况下再充电，一些活性物质会累积并且开始结晶（在阳极有100μm的铜累积层），但通过化学反应这层物质会自行消失（一块全新电池的阳极大约有l00μm厚度的镉结晶），出现记忆效应会导致电池容量越来越小，端电压越来越低，使得电池到达最低可用端电压（关断点）的时间比预期的早很多，如图1-1所示。镍镉电池的另一个缺点是它的活性物质中含有有毒的镉。
镍氢电池比镍镉电池环保，但是价格高。镍氢电池的放电电流相比镍镉电池略小，但也受惰性效应的影响。惰性效应是比镍镉电池记忆效应稍轻的一种现象。惰性效应是由于镍的结晶导致的。惰性效应和记忆效应一样，导致无法完全使用可充电电池的全部容量，但都可以通过使用带有放电功能的充电器来避免。
锂离子可充电电池价格最高，但具有高的能量密度，因而可以在给定尺寸下提供更优性能，更适合小尺寸、高集成度的便携式电子设备。
随着新材料、新工艺的出现，更为先进耐用的可再充电电池也在不断出现。国外最新开发的固态聚合物（电解质）锂离子电池、锂金属电池不仅解决了漏液问题，而且电池的容量更大，体积更小，更为安全可靠，它们必将成为极有潜力的新一代电池产品。
3．镍氢／镍镉电池与锂离子电池的差异
1）质量方面。以每一个单元电池的电压来看，镍氢与镍镉都是1．2V，而锂离子电池却为3．6V，锂离子电池的电压是前两者的3倍。并且同型电池的质量锂离子电池与镍镉电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。每一种电池本身质量不同，但锂离子电池因3．6V高电压，在输出同等电压的情况下使单个电池组合时数目可减少1/3而使成型后的电池质量和体积减小。
2）记忆效应。镍氢电池有惰性效应；镍镉电池有记忆效应，因此，定期的放电管理也是必需的。这种定期放电管理属于模糊状态下被动处理，甚至也有些在不正确的情况下进行放电（每次放电或者使用几次后进行放电都因电池生产厂的不同而有所差异），这种繁琐的放电管理在使用镍镉/镍氢电池时是无法避免的。相对的锂离子电池因为完全没有记忆效应，在使用上非常方便简单，它完全不必考虑二次电池残余电压的多少，直接可进行充电，充电时间自然可以缩短。
记忆效应是充电电池的一大天敌，一般认为是长期不正确的充电导致的，它可以使电池早衰。记忆效应可使电池无法有效地充电，出现一充就满、一用就完的现象。防止电池出现记忆效应的方法是确保电池“充足放光”的原则，也就是说在充电前最好将电池内残余电量放光，充电时要一次充足。通常镍镉电池容易出现记忆效应，所以充电时要特别注意，镍氢电池理论上没有记忆效应，但最好也遵循“充足放光”的原则，这也就是很多充电器提供放
电附加功能的原因。对于由于记忆效应引起容量下降的电池，可以通过一次性充足再一次性放光的方法反复数次，大部分电池都可以得到修复。
3）自放电率。镍镉电池的自放电率为15％～30％（月），镍氢电池的自放电率为25％～35％（月），锂离子电池的自放电率为2％～5％（月），镍氢电池的自放电率最大，而锂离子电池的自放电率最低。
4）充电方式。充电电池的充电方式一直是人们关心的焦点，正确、良好的充电方法可以确保电池的寿命。充电电池推荐的充电方法多种多样，不同的充电方法对充电器的电路结构有不同的要求，自然影响到成本。
电池充电时间和充电电流的关系为电池容量除以充电电流得到充电时间，考虑充电过程中的损耗，所以将计算得到的充电时间应再乘以1．2这个常数。
对于镍镉和镍氢电池最常用的简单充电方法是利用10％C恒流充电，又被称为“慢充”，即按照电流容量数值的10％确定充电电流，如一节标称容量为500mAh的电池，它的建议充电电流为50mA；又如一节标称容量为1300mAh的电池，它的建议充电电流为13 0 mA。在此电流下连续充电12～15 h就可以视为电池充满。虽然建议使用恒流充电但要求并不严格，电流允许有较大的波动，所以按照此方法制作的充电器结构非常简单，一般只需要一个将220V市电转换成适当低压的变压器、整流的二极管、限流电阻以及一些发光二极管等指示装置构成低成本的充电器，市面上绝大部分独立常规充电器都采用这种方式，只不过外形不同罢了。“慢充”虽然比较简单，但是给电池充一次电需要十多个小时，为此，电池厂商也允许在急需使用时用 3 0％C的电流给电池充电4～5 h，称之为“快充”，不过不建议常用，理论上对电池有轻微的损害。所以大部分常规充电器都有“快充”和“慢充”两挡，并建议用户使用“慢充”。
在很多情况下用户需要对电池快速、有效、安全地充电，快速充电就需要使用较大的电流。电池在大电流充电过程中会出现极化效应，使电池发热，而且当大电流充电电池充满后，如果不及时停止，电池会迅速发热，严重时可导致电池烧毁和爆炸。所以要求快速充电器具备充满自停功能，同时也要解决极化效应，使充电高效安全。早期的快速充电器采用简单的定时充电，不过此类充电器针对性强，充电效果也不令人满意。现代的充电器采用专用的充电控制IC，以高频脉动电流给电池充电以解决极化效应，通过检测电池一出准确判断电池是否充满，并提供温度保护等保护措施和放电等附加功能。不过这种充电器结构比较复杂，成本也比较高，一般多用于移动电话、对讲机等高档通信设备及电器。
6．各种电池的优缺点
镍镉电池最为坚固耐用，每块镍钢电池的电压为1．2V，多数应用需要多个电池串联或并联才能满足要求。镍镉电池应用中的最大问题是它具有记忆效应，这一点严重限制了它在高端设备中的应用。
考虑到回收和环保问题，镍镉电池在其他产品中的应用也较少。与其他电池相比，镍镉电池的耗电率、使用寿命都令人非常满意，而且在极差的温度条件下也能保持良好的性能。但是，尽管镍镉电池比较经济，但它的电量也较低，相同的镍镉电池工作时间大约只有镍氢电池的一半，因此多数镍镉电池都沉重且体积庞大。
镍氢电池没有镍镉电池那么坚固耐用，在能量密度上也无法与锂离子电池竞争，但与镍镉电池相比它具有更佳的性价比。镍氢电池的电压与镍镉电池的相同，每块电池为1．2V。由于主要的电池应用市场如笔记本电脑及移动电话开始转为使用锂离子电池，镍氢电池的研发有所放缓，从理论上说，现有镍氢电池的电量也快接近其极限。因此，目前的研发主要是增强其耐用性，以便适用于电动工具和混合电动汽车等其他市场。
从锂离子电池开始进入市场至今已十几年，由于日益成熟，锂离子电池也变得更为坚固耐用，价格也有所下降。单个锂离子电池的电压力3．7V，与三节镍镉电池或镍氢电池一样。
能量密度高和自放电低是锂离子电池在市场上成功的法宝，目前这种电池还开发增加了许多新的性能。例如，锂离子电池厂商正在开发无需保护电路的产品，以便进一步降低其成本。
1．2．1 镍镉电池的结构与特性
1899年，Waldmar Jungner在开口型镍镉电池中首先使用了镍极板，几乎与此同时，Thomas Edison发明了用于电动车的镍镉电池。但因当时这些碱性蓄电池的极板材料比其他蓄电池的村料贵得多，因此实际应用受到了极大的限制。Jungner的镍镉电池经过几次重要改进，性能明显改善。其中最重要的改进是在1932年，在镍电池中开始使用了活性物质。将活性物质放人多孔的镍极板中，然后再将镍极板装人金属壳内。镍镉电池发展史上另一个重要的里程碑是1947年密封型镍镉电池研制成功。在这种电池中，化学反应产生的各种气体不用排出，可以在电池内部化合。密封镍钢电池的研制成功，使镍钢电池的应用范围大大增加.
1．镍镉电池的特性
镍镉(NiCd)电池要求恒流充电，充电器对电池进行恒流充电的同时检测电池的电压和其他参数。当电池电压第一次下降了一个-ΔU时终止快速充电。为避免损坏电池，电池温度过低时不能开始快速充电，电池温度Tmin低于100C时，应转入涓流充电方式。而电池温度一旦达到规定数值后，必须立即停止充电。密封镍镉电池效率高、循环寿命长、能量密度大、体积小、质量轻、结构紧凑，并且不需要维护，因此在工业和消费产品中得到了广泛的应用。
(1）镍钢电池的基本特性。
l）镍镉电池可重复500次以上的充放电，非常经济。
2）镍镉电池内阻小，可供大电流的放电，放电时电压的变化很小，作为直流电源是一种质量极佳的电池。
3）因为镍镉电池采用完全密封式，因此不会有电解液漏出的现象，也完全不需要补充电解液。
4）与其他种类电池相比，镍镉电池可耐过充电或过放电，操作简单方便。
5）镍镉电池在长时间的放置下也不会使性能劣化，当充分充完电后即可恢复原来的特性。
6）镍镉电池可使用在很广的温度范围内。
7）因为镍镉电池采用金属容器，因此具有机械的坚固性。
(2）镍镉电池放电特性。
l）镍镉电池放电电压依据其放电电流多少有些差异，大体上是1．2V左右。
2）当放电达到放电终了的极限电压称之为“放电终止电压”，镍镉电池的放电终止电压为1．0 V／单格。
3）镍镉电池使用温度范围为一20～600C，在此范围内可进行放电。
4）镍镉电池可为一30～500C的温度范围之间保存，但如果是长时间放置的情形下，应在350C以下保存。
5）镍镉电池在充电状态或者是放电状态保存都可以，但是比较之下放电状态可使容量较早恢复并且较易被激活。
6）当镍镉电池在长时间放置后，使用前必须充分地充电后再使用。
2．镍镉电池参数
镍镉电池的5个主要参数为：电池的容量、标称电压、内阻、放电终止电压和充电终止电压。电池的容量通常用Ah（安时）表示，1Ah就是能在1A的电流下放电1h。单元电池内活性物质的数量决定单元电池含有的电荷量，而活性物质的含量则由电池使用的材料和体积决定，因此，通常电池体积越大，容量越高。与电池容量相关的一个参数是电池的充电
电流。电池的充电电流通常用充电速率C表示，C为电池的额定容量。例如，用2A电流对1Ah电池充电，充电速率就是2C；同样地，用2A电流对500mAh电池充电，充电速率就是4C。
电池刚出厂时，正负极之间的电势差称为电池的标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。当环境温度、使用时间和工作状态变化时，单元电池的输出电压略有变化，此外，电池的输出电压与电池的剩余电量也有一定的关系。单元镍镉电池的标称电压约为1．2V（但一般认为是1．25V）.
电池的内阻决定于极板的电阻和离子流的阻抗，在充放电过程中，极板的电阻是不变的，但是离子流的阻抗将随电解液浓度的变化和带电离子的增减而变化。
电池充足电时，极板上的活性物质已达到饱和状态，再继续充电，电池的电压也不会上升，此时的电压称为充电终止电压。镍镉电池的充电终止电压为1．7 5～1．8V。
放电终止电压是指电池放电时允许的最低电压。如果电压低于放电终止电压后电池继续放电，电池两端电压会迅速下降，形成深度放电，这样极板上形成的生成物在正常充电时就不易再恢复，从而影响电池的寿命。放电终止电压和放电率有关。镍镉电池的放电终止电压和放电速率的关系见表1上，镍镉电池的放电终止电压一般规定为1V。