專家開(kāi)講：深入了解電池技術(shù)──Part 6 (鋅空氣電池)

設(shè)計(jì)訣竅：如何打造并使用電池組

進(jìn)行電池組(battery pack)設(shè)計(jì)時(shí)，請(qǐng)盡可能在一個(gè)電池組中使用相同種類的電池芯，而且這些電池芯最好是同一批制造；此外還需要考慮該電池組是否需要保護(hù)電路，或是考量其使用條件──過(guò)電流、過(guò)溫、低電壓鎖定、過(guò)充、機(jī)械性耐受度、壓力隔離、濕氣…等等因素。

另一個(gè)需要檢視的設(shè)計(jì)議題是組裝程序，包括當(dāng)電池芯連結(jié)成電池組時(shí)的荷電狀態(tài)(the state of charge)，這對(duì)并聯(lián)電池組來(lái)說(shuō)特別重要；如果兩個(gè)電池芯是并聯(lián)的，其中一個(gè)已經(jīng)放電、另一個(gè)卻是充飽的狀態(tài)，充飽的電池芯可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)互連接腳毀損，并將高電流傾倒至另一個(gè)電池芯，使得兩個(gè)電池芯的使用壽命都因此縮短。

最后還要考慮把電池組裝到應(yīng)用終端產(chǎn)品時(shí)的荷電狀態(tài)以及連結(jié)；許多裝置在與電池的連結(jié)上都有基本的去耦電容(decoupling capacitors)，在這種情況下，充飽的電池組會(huì)在輸入電容充電到電池組的電壓時(shí)產(chǎn)生大電流，這點(diǎn)需要納入考量。

值得注意的是，若是以上提到的關(guān)鍵出了任何錯(cuò)誤，有可能導(dǎo)致災(zāi)難性的提早失敗。我曾經(jīng)看過(guò)一個(gè)電池組原型，以串聯(lián)方式堆疊鎳鎘(NiCd)電池，然后又并聯(lián)一顆9V電池；這種設(shè)計(jì)從頭到尾都很糟糕，因?yàn)槭前岩淮坞姵嘏c擁有不同內(nèi)部電阻與容量的二次電池并聯(lián)。

不用說(shuō)，該電池組如預(yù)期無(wú)法運(yùn)作，只有鎳鎘電池發(fā)揮作用，不管有沒(méi)有連上9V電池時(shí)的整體表現(xiàn)都是一樣的；而當(dāng)該電池組內(nèi)的鎳鎘電池芯電壓高于9V電池芯，幾乎會(huì)把后者燒掉(產(chǎn)生的煙霧可能跟火警差不多…)──這當(dāng)然不是我設(shè)計(jì)的，絕對(duì)不要學(xué)啊！

鋅空氣電池的歷史

多孔鉑金/碳空氣(porous platinum/carbon-air)結(jié)合材料在1878年就被發(fā)現(xiàn)，可取代濕式勒克朗社電池(Leclanche cell)內(nèi)的二氧化錳(MnO2)；美國(guó)業(yè)者National Carbon的George Heise 與 Erwin Schumacher在1932年開(kāi)始推出利用該替代材料優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品，他們的電池在電極上使用蠟來(lái)抑制液泛(flooding)問(wèn)題。這種電池通常尺寸較大且容量低(低放電率)，不過(guò)在鐵路運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)仍可看到一些應(yīng)用。

在1970年代，電極技術(shù)的改善催生了醫(yī)療裝置使用的鈕扣型鋅空氣電池，其中又以助聽(tīng)器應(yīng)用為大宗。1996年，斯洛維尼亞籍(Slovenian)發(fā)明家Miro Zoric 開(kāi)發(fā)出首款可重復(fù)充電的鋅空氣電池，并于1997年正式針對(duì)車輛應(yīng)用商業(yè)化量產(chǎn)?，F(xiàn)在有一些企業(yè)在評(píng)估鋅空氣電池于網(wǎng)格儲(chǔ)存(grid storage)領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)樗邆淇稍偕?空氣)，符合當(dāng)紅的可再生能源概念。(點(diǎn)選此連結(jié)有針對(duì)鋅空氣電池的更詳細(xì)介紹)

各種尺寸的鋅空氣電池 (來(lái)源：Premium Batteries?)

功率技術(shù)/新能源

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專家開(kāi)講：深入了解電池技術(shù)──Part 6 (鋅空氣電池)

上網(wǎng)時(shí)間: 2014年04月17日 打印版 發(fā)送查詢 Bookmark and Share 訂閱 字型大小:

關(guān)鍵字：鋅空氣電池 助聽(tīng)器 可再生能源 電極 專家開(kāi)講

鋅空氣電池特性

鋅空氣電池有非常高的能量密度，而且重量比密封型電池輕得多；因?yàn)檠鯕馐且环N反應(yīng)耗材，如果電池沒(méi)有經(jīng)常密封起來(lái)，內(nèi)部的空氣有可能耗盡使得電池提早失效。這種電池有很高的內(nèi)部電阻，因此適合低放電速率的應(yīng)用；除了大型車輛使用的電池組，采用增壓空氣(forced air)改善整體性能。

大氣內(nèi)的濕度也會(huì)影響這類電池的性能表現(xiàn)，因此要采用該種電池也要考量到這個(gè)環(huán)境因素。以妥善隔絕空氣密封并保持干燥的方式儲(chǔ)存，工業(yè)版的鋅空氣電池可以有無(wú)限期的庫(kù)存壽命，而迷你型的鋅空氣電池庫(kù)存壽命大約是三年，或是電量會(huì)有些微損失。此類電池的充電方式有兩種：一是機(jī)械式，也就是替換內(nèi)部的鋅以及/或是電解質(zhì)；另一個(gè)是電氣式，也就是傳統(tǒng)的充電方法。此外鋅空氣電池的放電曲線相對(duì)平緩，價(jià)格也低廉。

鋅空氣電池基本規(guī)格：

˙能量比(specific energy)：442 Wh/kg；

˙能量密度(Energy density)：1,673 Wh/L；

˙功率比(specific power)：約100 W/kg；

˙放電效率(Discharge efficiency)：可充電版本50%，一次性、低放電率版本60~70%；

˙能量/消費(fèi)價(jià)格(Energy/consumer price)：1美元2.8 Wh；

˙自放電率(self-discharge rate)：每月0.17% (密封保存，三年期限內(nèi))；

˙循環(huán)耐久性(cycle durability)：高 (但須在妥善保存狀態(tài)下，且是可充電版本)；

˙標(biāo)稱電壓(nominal cell voltage)：典型值1.45~1.65 V；

˙截止電壓(Cutoff voltage)：每節(jié)0.9V，裝載情況下 (依制造商規(guī)格，有的采用1.05Vpc)；

˙適用溫度(Temperature range)：通常為0°C ~ +50°C (依制造商規(guī)格)。

化學(xué)反應(yīng)式：O2 + 2Zn → 2ZnO (E0 = 1.59 V)

與電池有關(guān)的數(shù)據(jù)以及測(cè)試也可參考IEC 60086-SER規(guī)格書，其內(nèi)容1~5章涵蓋一次性電池的技術(shù)規(guī)格。下面是根據(jù)美國(guó)廠牌Duracell的675尺寸Zn/O2電池產(chǎn)品，在21°C與50%相對(duì)濕度下的放電曲線圖：

采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議的端電壓放電曲線，在負(fù)載電壓為5mA的背景下，使用15mA脈沖負(fù)載在一天十二個(gè)小時(shí)、每?jī)尚r(shí)一次持續(xù)0.1秒(15 mA/0.1S)

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采用高汲極測(cè)試協(xié)議(high-drain test protocol)的端電壓放電曲線，在負(fù)載電壓為8mA的背景下，使用24mA脈沖負(fù)載在一天十二個(gè)小時(shí)、每?jī)尚r(shí)一次持續(xù)0.1秒

在典型使用壽命期間，不同溫度條件下的有效性

下次的專欄再見(jiàn)啦！

編譯：Judith Cheng

(參考原文： All About Batteries, Part 6: Zinc-Air，by Ivan Cowie，MaxVision首席工程師)