二次电池技术的作用及应用
如今，电池供电系统已无处不在，这要归功于新型电池化学技术的发展，这种技术使为越来越多的系统提供能源成为可能。二次电池已成为一种重要的能源，为电子系统提供了比一次电池更环保的解决方案，因为它们可以充电，而不需要更换新电池，而旧电池耗尽后就会被丢弃。
如果不用作主电源，二次电池可以在许多消费和轻工业应用中发挥重要作用，在主电源发生故障时提供必要的备用电源。它们可以作为断电时的能源，或允许更换主电池而不会丢失存储在易失性存储器中的宝贵数据。使用可充电技术可使它们保持充满电并随时准备使用主电源的能量来支持系统。这确保了正常运行时间不会像使用一次不可充电电池那样减少。
目前，用于为电子和电气设备供电的可充电电池主要有四种：密封铅酸电池、镍镉 (NiCd) 电池、镍氢 (NiMH) 电池和锂离子电池。每种电池都有其独特的特性，但也具有一些共同的特性。
大多数电池化学性质在供电方式上都是非线性的。电池的容量与其提供的电流有关；通常，消耗的电流越多，电池的有效容量越低。例如，一块电池的容量可能是 500 mAh，消耗的电流为 5 mA。然而，同样的电池的容量也可能是 500 mAh，消耗的电流为 200 mA。
此外，二次电池的化学性质和构造对其充电、放电方式以及维持足够高的电压为电路供电的能力有着重大影响。一些化学性质可以提供高放电或充电速率，但它们的输出电压可能会在某个时刻迅速下降，可能超过负载电路继续运行的能力。因此，负载无法使用所有可用能量。另一个考虑因素是主电源重新启动后，电池能以多快的速度恢复能量，以及电池是否可以定期充电，或者最好深度放电然后再充电。
镍镉电池的记忆效应在反复浅循环时尤其明显，其可用容量会降低。例如，如果断电时间短且频繁，并且每次都对电池进行充电，记忆效应将导致其有效最大容量下降。
图1：二次电池的典型放电曲线。
镍镉电池是 19 世纪末发现的最古老的可充电电池化学成分之一。当时，它是铅酸电池的唯一现实竞争对手。随着时间的推移，其能量密度不断提高，并超越了铅酸电池。该电池由镍氧化物-氢氧化物正极板和镉负极板组成，两者之间由薄隔板隔开。它们含有碱性电解质，通常是氢氧化钾。
记忆效应的成因是电极上活性物质排列的变化。理想情况下，这些物质在电极表面排列成大量微小晶体，从而产生较高的质量与表面积比，改善与电解质的接触。随着时间的推移，在短充电周期的推动下，这些晶体可以聚结成越来越大的晶体，从而减少总表面积。
放电循环可能产生的副作用是产生不需要的气态副产品。三洋能源的镍镉电池系列等产品旨在最大限度地减少气体产生，但单个电池包含自密封通风口，以防止气体在设备内部积聚。电池设计为可承受过度充电和过度放电。三洋的电极板制造工艺和集电器可最大限度地降低内阻，让电池充分利用镍镉化学的关键特性，即在需要高电流时具有高放电率。
图 2：三洋能源镍镉电池的构造。
较新的镍氢电池化学成分的自放电率比镍镉电池高，约为 50%，但总能量密度更高。镍氢电池的另一个特点是它们在充电过程中会产生热量，从而限制了安全充电的速度。因此，充电更为复杂，通常需要加入温度传感电路。镍氢电池的一个有用特性是它不会像镍镉电池那样受到记忆效应的影响。
尽管铅酸电池是电子领域最古老的电池技术，但它仍然存在，并且具有许多优点，例如非常平坦的放电曲线。铅酸电池可能最为人熟知的是需要小心处理的液体罐装电池。然而，现在使用凝胶型电解质代替液体的密封装置很常见，尤其是对于较小的负载。电极使用铅合金成分，旨在防止充电过程中形成气体，这是液体铅酸电池中遇到的副作用。与一些镍镉电池一样，如果充电过程确实产生了一些气体，通常会有一个安全阀来防止内部压力积聚。
凝胶电池的每千克容量通常低于其他电池化学成分，但由于其平坦的放电曲线，在大部分范围内提供可用的电压输出，这种电池类型的自放电率非常低，约为每月 5%，尽管这往往是非线性的。然而，存在一个电压，在特性发生足够变化以防止电池完全充电之前，不应将电池压到该电压以上。
与不适合频繁充电的镍镉电池相比，密封 ® 系列铅酸电池如果不经常深度放电，而是温和使用，然后在主电源恢复后充电，则使用寿命更长。锂离子化学电池等锂充电电池在过度放电时也会受到影响，但其优点是放电曲线相对平坦，直到输出电压迅速下降。
图3：密封铅酸电池的放电深度与寿命关系。
作为最轻的金属，锂具有较高的电化学势，理论上可以实现高能量密度。然而，这种金属的反应性会引起火灾和爆炸。因此，为了降低危险性，人们以氧化形式使用该元素。因此，锂离子化学使用锂钴二氧化物等材料代替金属本身。
锂离子电池的负极通常由铝制成，表面涂有锂化合物，例如锂钴二氧化物、锂镍二氧化物或锂锰二氧化物。正极通常由涂有碳的铜制成。电解质通常是溶解在有机溶剂中的锂盐，例如六氟化磷锂。
锂离子电池的能量密度是镍镉电池的两倍，而且不受记忆效应的影响。另一个好处是自放电率较低，与密封铅酸电池类似。然而，在相对较高的成本和更复杂的充电方案之间需要取得平衡，电池不能涓流充电或浮充，需要防止过度充电和过度放电。将电池推过其极限会带来安全风险。然而，在空间有限的情况下，锂离子电池具有明显的优势。
FDK、松下和精工仪器等供应商已经生产了高能量密度纽扣电池。然而，这并不是唯一的外形尺寸。™ 是一种可以像任何其他表面贴装 IC 一样处理的单元，可以自动组装和焊接在电路板上。
该芯片的容量不到 1 mAh，但适用于电池备用应用，例如在主电池电源切换时保持系统处于睡眠状态，适用于尺寸和低成本生产很重要的各种应用。该芯片的主要竞争对手不是其他电池，而是超级电容器。然而，该芯片的锂基电化学结构提供了较低的自放电率，从而减少了仅为维持备用电池的足够电量而消耗能量的需要。
近年来，电池化学和设计方面的创新可能会推动二次电池技术的进一步发展，将其范围扩大到目前由其他电源主导的领域，包括更大的超级电容器和一次电池。正如本文所示，了解每种化学成分在给定系统架构中的工作原理非常重要。