专家开讲：深入了解电池技术──Part 6 (锌空气电池)

时间：2014-04-17 06:34:00

关键字：电池技术电池组 AIR 并联

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[导读]资深工程师 Ivan Cowie 的电池专栏这一次要介绍的是锌空气电池(zinc-air batteries；钮扣型小电池，多应用在助听器)；在正式开始之前先来个电池技术小诀窍…设计诀窍：如何打造并使用电池组进行电池组(battery pack)

资深工程师 Ivan Cowie 的电池专栏这一次要介绍的是锌空气电池(zinc-air batteries；钮扣型小电池，多应用在助听器)；在正式开始之前先来个电池技术小诀窍…

设计诀窍：如何打造并使用电池组

进行电池组(battery pack)设计时，请尽可能在一个电池组中使用相同种类的电池芯，而且这些电池芯最好是同一批制造；此外还需要考虑该电池组是否需要保护电路，或是考量其使用条件──过电流、过温、低电压锁定、过充、机械性耐受度、压力隔离、湿气…等等因素。

另一个需要检视的设计议题是组装程序，包括当电池芯连结成电池组时的荷电状态(the state of charge)，这对并联电池组来说特别重要；如果两个电池芯是并联的，其中一个已经放电、另一个却是充饱的状态，充饱的电池芯可能会导致一个互连接脚毁损，并将高电流倾倒至另一个电池芯，使得两个电池芯的使用寿命都因此缩短。

最后还要考虑把电池组装到应用终端产品时的荷电状态以及连结；许多装置在与电池的连结上都有基本的去耦电容(decoupling capacitors)，在这种情况下，充饱的电池组会在输入电容充电到电池组的电压时产生大电流，这点需要纳入考量。

值得注意的是，若是以上提到的关键出了任何错误，有可能导致灾难性的提早失败。我曾经看过一个电池组原型，以串联方式堆叠镍镉(NiCd)电池，然后又并联一颗9V电池；这种设计从头到尾都很糟糕，因为是把一次电池与拥有不同内部电阻与容量的二次电池并联。

不用说，该电池组如预期无法运作，只有镍镉电池发挥作用，不管有没有连上9V电池时的整体表现都是一样的；而当该电池组内的镍镉电池芯电压高于9V电池芯，几乎会把后者烧掉(产生的烟雾可能跟火警差不多…)──这当然不是我设计的，绝对不要学啊！

锌空气电池的历史

多孔铂金/碳空气(porous platinum/carbon-air)结合材料在1878年就被发现，可取代湿式勒克朗社电池(Leclanche cell)内的二氧化锰(MnO2)；美国业者National Carbon的George Heise 与 Erwin Schumacher在1932年开始推出利用该替代材料优势的产品，他们的电池在电极上使用蜡来抑制液泛(flooding)问题。这种电池通常尺寸较大且容量低(低放电率)，不过在铁路运输产业仍可看到一些应用。

在1970年代，电极技术的改善催生了医疗装置使用的钮扣型锌空气电池，其中又以助听器应用为大宗。1996年，斯洛维尼亚籍(Slovenian)发明家Miro Zoric 开发出首款可重复充电的锌空气电池，并于1997年正式针对车辆应用商业化量产。现在有一些企业在评估锌空气电池于网格储存(grid storage)领域的应用，因为它具备可再生元素(空气)，符合当红的可再生能源概念。(点选此连结有针对锌空气电池的更详细介绍)

各种尺寸的锌空气电池 (来源：Premium Batteries?)

功率技术/新能源

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关键字：锌空气电池助听器可再生能源电极专家开讲

锌空气电池特性

锌空气电池有非常高的能量密度，而且重量比密封型电池轻得多；因为氧气是一种反应耗材，如果电池没有经常密封起来，内部的空气有可能耗尽使得电池提早失效。这种电池有很高的内部电阻，因此适合低放电速率的应用；除了大型车辆使用的电池组，采用增压空气(forced air)改善整体性能。

大气内的湿度也会影响这类电池的性能表现，因此要采用该种电池也要考量到这个环境因素。以妥善隔绝空气密封并保持干燥的方式储存，工业版的锌空气电池可以有无限期的库存寿命，而迷你型的锌空气电池库存寿命大约是三年，或是电量会有些微损失。此类电池的充电方式有两种：一是机械式，也就是替换内部的锌以及/或是电解质；另一个是电气式，也就是传统的充电方法。此外锌空气电池的放电曲线相对平缓，价格也低廉。

锌空气电池基本规格：

˙能量比(specific energy)：442 Wh/kg；

˙能量密度(Energy density)：1,673 Wh/L；

˙功率比(specific power)：约100 W/kg；

˙放电效率(Discharge efficiency)：可充电版本50%，一次性、低放电率版本60~70%；

˙能量/消费价格(Energy/consumer price)：1美元2.8 Wh；

˙自放电率(self-discharge rate)：每月0.17% (密封保存，三年期限内)；

˙循环耐久性(cycle durability)：高 (但须在妥善保存状态下，且是可充电版本)；

˙标称电压(nominal cell voltage)：典型值1.45~1.65 V；

˙截止电压(Cutoff voltage)：每节0.9V，装载情况下 (依制造商规格，有的采用1.05Vpc)；

˙适用温度(Temperature range)：通常为0°C ~ +50°C (依制造商规格)。

化学反应式：O2 + 2Zn → 2ZnO (E0 = 1.59 V)