第二章 理論分析
2.2 一次電池的介紹
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 個理想穩定的電壓源，可將電池是為一理想電壓源與阻抗串、並聯而成的系統。自 我放電的現象即是由電池系統本身形成內部迴路，該回路會持續消耗電池所儲存的
能量。自我放電率高的鎳氫電池，不適合做長期備用的電池。但鎳氫電池的輸出入
功率密度(W/kg) 200~700 600~2000 200~1000 400~2000 能量密度(Wh/kg) 30~45 50~85 75~100 110~130
式日前常用法則區分如下:
1. 一般充電方式:
(1)定電壓充電法 (2)定電流充電法
(3)定電流-定電壓充電法 (4)涓流式充電法
2. 快速充電方式:
(1)脈衝式充電才式
(2)ReflextjTM脈衝式充電法 (3)Motorola 充電
2.7.1 定電壓充電法
從電源端直接供應固定電壓來進行充電稱之為定電壓充電法。定電壓充電法具 有電路簡單及成本低的優點，是最普遍的充電方式。充電時，充電電流會慢慢下降，
電池越接近飽和，電流越小，如果所選擇的定電壓值不夠高，將會造成充電不足，
充電時問過長的現象。若充電定電壓值過高也會造成電池損壞。圖 3-1 為定電壓充 電時電壓與時間的關係曲線。如圖 2-2 所示得知當電池電壓較低時使用定電壓進行 充電，會產生很大的充電電流，造成電池溫度上升，也會破壞電池電極，縮短電池
壽命。通常使用定電壓充電方式都會在電路上增加一限制電流大小的機制，隨著電 池的電壓狀態來調整電流，避免電池損壞。
圖 2-2 定電壓充電時電壓與時間的關係曲線
2.7.2 定電流充電法
定電流充電法是指在充電時問內，提供一固定的充電電流。充電電流大小可根 據充電時間和電池容量來設定如圖 2-3 所示。例如電池容量為 500mAh，若使充電電 流 500mA，則理論上電池充飽時間應 1 小時，若充電電流為 100mA，則充飽時間應 5 小時。
為了防止過度充電，通常會對充電時間有所限制或充電截止條件。定電流充電 的方式很容易實現，所以很普遍的被市面上的充電器所採用，不過需依照不同的電 池不同的化學特性做不同的充電截止條件。定電流充電曲線如圖 3-2 所示，以定電
愈大，則愈快達到所設定的電壓上限，但因為沒有考慮電池的電量狀態，充電末期 易使電池產生氣體而損壞電池。而若充電電流設定愈小，對電池愈不會造成損害，
但相對的導致充電時間過長。
圖 2-3 定電流充電時電壓與時間的關係曲線
2.7.3.定電流-定電壓充電法
將定電流與定電壓充電方式結合在一起就形成定電流-定電壓充電法。因為充電
將定電流與定電壓充電方式結合在一起就形成定電流-定電壓充電法。因為充電