第二章 理論分析
2.1 各種電池概論
2.1.1 各種電池專有名詞解釋
位。舉例來說，當電池總容量為 1000mAh，若充電電流為 1C 代表此電流為 1000mAh;
若充電電流為 0.5C 代表此電流為 500mAh。此量化的好處在於，以電池總電量 為基本單位可避免因為電池容量不同而造成不同充放電流大小的混淆。
6.循環壽命(Cycle Life)是在特定條件下，電池可以被充放電的次數。此條件通常 是指電池在特定充放電條件下，電池被使用的總容量低於原始設計的百分之八 十，可以使用的循環次數。
7.截止電壓(Cut-off voltage)，此電壓表示電池放電的終止電壓。
8.電量狀態(State of Charge)，表示實際在電池內部的電荷量相較於電池總容 量或最大可充電電量的值，並以 SOC 代稱。電量狀態值利用百分比來來表示,
當 SOC=100%表示電池為全滿狀態,當 SOC=50%表示電池相對於原始設計容量有 一半的總電量。
9.電動勢(Electro-Motive Force)指的是真正驅動電池輸出的電位能;此電動勢 為電極兩端靜置位能的總和，當電池處在平衡狀態時，所量測到的開路電壓值 即為電動勢。
10.過電位(Over potential)為電池電極電壓值與完全靜置時的電壓差.此電壓差 為其內部因離子擴散或飄移反應所造成。此過電位電壓值與環境操作方式有關。
11.內阻(internal resistance)是包含電池內部因化學作用所產生的等效阻抗以 及電池電極到外部電路間的阻抗，隨不同製程與包裝技術而有些不同。
12.逆變器(Inverter)是一種電子設備將直流電轉化成所要求的電壓與頻率之交流 電。
2.2 一次電池的介紹 顧名思義，為僅能使用一次的電池。也就是無法透過充電的方式再補充已轉化掉 的化學能。一般市面上常見的乾電池（碳鋅電池）、鹼性電池（鹼錳電池）以及水
銀電池，皆屬此類。因為只能單次使用，而且在原料及製程上使用具污染性的汞，
用的是電解的二氧化錳，因為純度以及活性較高的關係，可以提昇電池的電壓與 電容量。
2.2.2 鹼性乾電池(鹼、錳電池) 他們的正負極活化物質均與錳乾電池相同，因此使用氫氧化鉀的電解液，是
高容量且有優越的強放電性，隨著電子機器的多功能化，高輸出化，其使用量愈 形增加。鹼性電池由鋅錳電池發展而來，與鋅錳電池最大不同在於電解液以氯化 鉀代替氯化銨，提高了電池使用壽命。在 25℃下，工作電壓為 1.5 伏特，適用於 電動玩具、錄放影機等的使用。反應式如下：
陽極( anode ) ：Zn（s）＋2OH- （aq） → ZnO（s）＋H2O（l）＋2e- 陰極( cathode ) ：MnO2（s）＋2H2O（l）＋2e-→ Mn（OH）2（s）＋2OH-（aq）
電池全反應 ： MnO2（s）＋H2O（l）＋Zn（s） → Mn（OH）2（s）＋ZnO（s）
鹼性電池的優點是放電流較大、放電電位穩定。
2.2.3 銀電池（ silver cell ）
銀電池的負極是鋅，正極是氧化銀及碳粉混合物，電解液為氧化鋅及氫氧化
鉀的鹼性溶液。在 25℃，產生電壓 1.48 伏特。反應式如下：
陽極( anode ) ：Zn（s）＋2OH- （aq） → ZnO（s）＋H2O（l）＋2e-
陰極( cathode ) ：Ag2O（s）＋H2O（l）＋2e- → 2Ag（s）＋2OH-（aq）
電池全反應 ： Ag2O（s）＋Zn（s） → ZnO（s）＋2Ag（s）
銀電池的體積小、能量密度高、放電效率快、電壓平穩，常用於電子計算機、電 子錶和自動照相機；但其價格較貴。
2.2.4 汞電池（ mercury cell ） 構造上與銀電池很像，不同於正極組成是氧化汞與碳粉的化合物。在 25℃時，
其工作電壓為 1.34 伏特。反應式如下：
陽極( anode ) ： Zn（s）＋2OH- （aq） → ZnO（s）＋2H2O（l）＋2e- 陰極( cathode ) ： HgO（s）＋H2O（l）＋2e- → Hg（l）＋2OH-（aq）
電池全反應 ： HgO（s）＋Zn（s） → ZnO（s）＋Hg（l）
汞電池與銀電池的優點大致
類似且較便宜，令人憂心的是汞對於環境的污染。
2.3 二次電池介紹 二次電池又稱可充電電池（Rechargeable battery），是一種可以被重新完全 充電的電池。
表 2-2 二次電池種類表
Pb(s) Pb2+(aq) + 2e--->Pb2+(aq) + SO4(aq)+PbSO4(s) Pb(s) + SO4(aq) -->PbSO4(s) + 2e-
電池總反應 : Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO4(aq) -->2PbSO4(s) + 2H2O(l) 當此反應發生時，就發出電流。假使要反回這些反應，就是加夠大的電壓充電，
使電池回復原狀況，舉一般鉛蓄電池而言，包含有 13 或 15 片極板，三個電池串 連，每電池可放 2V，一個電池可有 6V。
再進一部探討其中反應向反方向進行，將正電極極板轉換成二氧化鉛，若持 續充電一段時間，電池端電壓會急速上升。所以充電過程中充電電壓配合溫度電 池作調整，以確保充電過程中的安全性。當溫度上升時充電電壓需調降；反之溫 度下降時則需要調高充電電壓。圖 2.1 為電壓補償曲線。放電時應注意不可以作 超過放電終止電壓的深度放電，以免造成電池內部結構上的破壞，縮短電池循環 使用壽命。
2.4 鋰離子電池原理介紹
鋰電池有各種形狀（圓柱形、長方形等）以適合不同產品的需要，其容量一 般有幾百毫安培時到幾安時。另外，有將幾個鋰電池串聯在一起，並與電池保護 器封裝在一起的電池組。
鋰電池的額定電壓為3.6V（有的產品為3.7V）。電池充滿電時的電壓（稱為終 止充電電壓）與電池的陽極材料有關：陽極材料為石墨時為4.2V；陽極材料為焦 炭時為4.1V。另外，它們的內阻也不相同，焦炭陽極的略大，故其放電曲線也略 有差別，如圖1所示。鋰電池終止放電電壓為2.5V（各電池製造廠的參數略有不 同）。如果鋰電池在使用過程中電壓已降到2.5V後還繼續使用，則稱為過放電（或 過放），對電池有損害。電池的容量C以mAh或Ah表示。它可以用來估算工作時間。
例如，C=1600mAh的鋰電池若工作電流為400mA，則可估算工作時間約為4小時。實 際上電池有自放電損耗，電池存放時間長則會影響使用時間。另外，鋰電池不適 合大電流放電，過大的電流放電會降低放電的時間，如圖2 所示。一種容量為3Ah 的鋰電池，在0.75A 電流放電時，工作時間為4 小時。若以2A電流放電時，本應 工作1.5小時，但實際為1.25 小時（相當於2.5Ah）；若以3A電流放電，本應工作1 小時，但實際為0.6 小時（相當於1.8Ah）。這是因為大電流放電時，內部有較大 的損耗的緣故。因此，不同容量的電池由電池製造廠給出允許最大的放電電流值。
2.5 鋰電池的種類
鋰電池在二次電池的領域中，幾乎優於其他各種類的電池,能量密度高,重量 輕，體積小是鋰電池的特徵。鋰電池乃是利用鋰離子作為電解液中最主要的傳導 離子。使用鋰元素當電池材料是因為在化學標準電位中，鋰元素的氧化性最強，
也就是說電位是最負值，利用鋰元素搭配適當正電極材料，可使電池單位電位很 客易就超過 3.5 伏特。而且鋰元素是原子量最輕的全屬元素，當進行化學反應時，
其速率很快。由於上述優點，使鋰電池發展相當迅速。鋰電池使用的鋰元素可以 分為三種，分別為鋰金屬電池，鋰離子電池及鋰高分子電池，以下將分別說明之。
2.5.1 鋰金屬電池
鋰金屬電池乃是最早使用鋰元素為材料的電池，該結構為以鋰金屬當負電 極，以有機液體加上鋰鹽類當電解質，正電極則為 LiCO2 為材料，鋰金屬電池開 路電壓可達 4 伏特以上，高達 200Wh/kg 的能量密度為其最大優點。不過也就是由 於使用有機溶液當電解質，在化學反應時易造成樹枝狀鋰金屬堆積，因此導致電 地內部短路，有相當大的危險性。
2.5.2 鋰離子電池
鋰離子電池中的電解液可以是凝膠體、聚合物（鋰離子/鋰聚合物電池）、或 凝膠體與聚合物的混合物。因為目前尚未發現能夠在室溫條件下有效運送鋰離子
的聚合物，所以大多數的「塑膠封袋」鋰離子/ 鋰聚合物電池事實上都是結合凝 膠體和聚合物的混合型電池。
正極或負極必須具有類似海綿的物理結構，以釋放或接收鋰離子。在充電時，
鋰離子從負極材料移出至電解液，再像水進入海綿一樣地進入正極材料，這個過 程被稱為嵌入(Intercalation)，放電的過程則完全相反。
鋰離子電池具有高體積能量密度，自我放電率低，無記憶效應以及高工作電壓 等優點，目前已成為行動電話，筆記型電腦等小型行動產品最主要使用的電池。鋰 離子電池以鋰鈷氧化物、鋰錳氧化物、鋰鎳氧化物等作為正電極活性材料，在負電 極材料的部分則為碳材料，電解質也有許多種可能是 LiPF6、LiCIO4、LiBF4 等，電 解液則是以 PC 與 EC 為主。單體鋰離子電磁電壓為 3.6~3.7 伏特，最大電壓為 4.1~4.2 伏特。一般鋰電池充電電流約在 0.1C~0.2C 之間，充電電流大小會影響充電時間以 及電池壽命。
在充電過程中，若要鋰離子電池端電壓超過氧化電壓 4.5 伏特時，會使得電解 液濃度飽和，輸入之電能無法轉換成化學能進而轉成熱能。導致電池溫度上升，溫 度上升將電解液氣體化，導致電池內部壓力過大造成漏液。電解液為可燃有機溶劑，
過度充放電會有燃燒爆炸的危險，因此一般充電電路均會有過度充放電保護電路。
2.5.3 高分子鋰電池
2.6.1 鎳鎘電池
鎳鎘電池以鎳氧化物為正電極，鎘金屬為負極，用鹼性水溶液當電解液，電壓 值為 1.2 伏特，放電停止電壓為 1.1 伏特，體積能量密度為 130~200Wh/L，重量能量 密度為 40~50Wh/kg。因為具有比鉛酸蓄電地還要高的能量密度力加上有內阻小，循 環壽命長(約可達 2000~4000 次)、使用溫度範圍廣以及成本低等優點而被廣泛使用。
不過由於鎳鎘電池有記憶效應的缺點．當電池在淺放電與充電反覆繼續之時，電池 容量會降低，需做完全放電才可將記憶效應消除，且鎘金屬具有污染性，使得鎳鎘 電池在市場上的佔有率已逐漸下降，漸漸被鎳氫電池所取代。不過由於此種電池成 本較低，在特定市場仍繼續使用鎳鎘電。
2.6.2 鎳氫電池
鎳氫電池乃是結合鎳鎘電池的技術與儲氫合金科技的高容量電池。其正電極材 料與電解液都跟鎳鎘電池相同，但負電極材料則為儲氫合金。電壓值為 1.2 伏特，
體積能量密度為 250~300Wh/L，重量能量密度為 50~60Wh/kg。有良好的循環使用壽 命。鎳鎘電池所擁有的優點鎳氫電池都有，且能量密度也比鎳鎘電池高。不過有著 自我放電高以及在高溫時效能表現較差、記憶效應等問題。由於實際電池並非是一
體積能量密度為 250~300Wh/L，重量能量密度為 50~60Wh/kg。有良好的循環使用壽 命。鎳鎘電池所擁有的優點鎳氫電池都有，且能量密度也比鎳鎘電池高。不過有著 自我放電高以及在高溫時效能表現較差、記憶效應等問題。由於實際電池並非是一