微型电池

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随着集成电路、显示屏、微音器等元器件的技术进步,各种电子产品的体积日趋微型化,因此作为能源的电池也要求微型化。微型电池在各种电子手表、袖珍电子计算器、电子快门照相机、曝光表、电子打火机、电子助听器、心脏起搏器、电动玩具等微型电子装置中得到了广泛的应用。

微型电池的种类

微型电池有化学电池和物理电池两类。

化学电池是利用化学变化产生电子和离子,直接将化学能变为电能的装置。各种化学电池都是由阳极(正极)剂、阴极(负极)剂及其间的电解质构成。各种电池的区别主要在于三者材料不同,习惯上按三者中的一种材料的名称来命名。常见的微型化学电池有:

汞电池,又名水银电池。阳极为汞,阴极为锌,电解液为氢氧化钠NaOH或氢氧化钾KOH。特点是容量大、贮存时间较长,可作一般的标准电池。标称电压1.35V。

氧化银电池,又名银锌电池。阳极为氧化银(Ag\(_{2}\)O),阴极为锌,电解液与汞电池相同。这种微型电池是目前电子手表中用得最多的一种。标称电压1.55V。

过氧化银电池。它与氧化银电池的主要区别是阳极为过氧化银(AgO),特点是容量大,其电压在开始放电的短时期内为1.8V,随之下降稳定在1.55V。

锂电池。阴极材料为锂,阳极材料有多种如二氧化锰、二硫化铁等。标称电压因阳极材料不同而异,如3.0V、2.8V、1.5V等。它的优点是自放电小因而保存寿命较长。

镍镉电池,阳极为氢氧化镍,阴极为金属镉,它可像蓄电池那样反复充放电,是二次电池的典型。

此外,已经商品化的微型电池还有锰电池、燃料电池、固体电解质电池等。

以上电池都属于化学电池,还有一类物理电池,一般是要从外界获得能量转变为电能,例如太阳能电池、温差电池、原子电池等。

下面对常用的氧化银电池作较具体的介绍。

氧化银电池

图1为氧化银电池剖面图。从外表看,有阳极罐(不锈钢)是“+”极;阴极差(不锈钢,内镀锡,外镀镍)是“-”极;两者间有密封环(黑色或深色的尼龙制成,除绝缘外还提供电池内部气体排放的通路,但却能阻止碱液泄漏,即漏气不漏液)。电池内部的阳极剂为氧化银(内含少量碳);阴极剂为胶状物(锌、电解液、防蚀剂及胶凝剂),电解液有KOH及NaOH两种;在阳极剂与阴极剂间有微孔材料制成的隔膜,能通过离子但不能通过物质。如果在隔膜上积累过多的银就会造成电池内部短路。

图1
图1 🔍原图 (571×305)

氧化银电池的常用规格见表1、国内除常州外,上海、天津等地也都有生产。表1、表2中还列举了过氧化银电池及几种规格的汞电池以作比较,可以看出过氧化银电池比同体积的氧化银电池容量高30%以上。

表 1. 氧化银(过氧化银)电池 标称电压 1.55V

规格 容量(mAh) 电解液 IEC UCC 莱奥维克 日立 达立

直径×厚度 Ag\(_{2}\)O(AgO) 类 别 (国际)(美国) (美国) (日本) (常州)

(mm)

6.8×2.1 15(17) NaOH 364 RW320\(^{*}\) SR621SW

7.9×2.6 24(32) KOH 396 RW411\(^{*}\) SR726W SR726W

7.9×3.6 40(52) NaOH SR41 384 RW37\(^{*}\) SR41SW

7.9×3.6 40(52) KOH 392 RW47\(^{*}\) SR41W SR41W

7.9×5.4 60(75) KOH 393 RW48\(^{*}\) SR754W

9.5×3.6 60(75) NaOH 394 RW33\(^{*}\) SR936SW

11.6×3.0 80(100) KOH 389 RW49\(^{*}\) SR1130W

11.6×4.2 120(170) KOH 386 RW44\(^{*}\) SR43W

11.6×4.2 120(170) NaOH SR43 301 RW34\(^{*}\) SR43SW SR43SW

11.6×5.4 175(245) KOH 357 RW42\(^{*}\)

注:(1)上述规格均可用于石英电子手表,数字式多功能电子表应采用KOH电解液电池;(2)*表示该型号为过氧化银电池,其容量为括号内的数字。

表2. 汞 电 池 标称电压1.35V

规格 容量 IEC 常州 主 要 用 途

直径×厚度 (mAh) (国际)

(mm)

11.6×4.2 122 MR43 XG-12 电子打火机、电子手表

11.6×5.4 160 MR44 XG-16 曝光表、自动光圈照相机

15.1×5.9 250 MR9 XG-25 助听器、心电图机

电池的主要指标如下:

(1)容量:表示在正常放电负载条件下,放电电流与时间的乘积,单位为毫安小时mAh)。因此,已知放电电流,便可求出电池使用期限(即电池寿命)

电池寿命(月)

=\(\frac{电池容量(毫安小时)×1000}{放电电流(微安)×730(小时)}\)

由于自放电等因素,实际寿命要比计算值小些。

容量取决于电池阳极剂及阴极剂单位体积的放电能量,过氧化银电池最大,其次是氧化银、汞电池及锂电池。对同一类型电池,容量与电池厚度成正比,与电池直径的平方成正比。

(2)放电特性:表示电压随时间变化的关系。氧化银电池放电特性曲线呈矩形,见图2,放电过程中电压几乎不下降,因此特别适宜于手表使用。图中还列出了过氧化银电池及普通锰锌电池的放电曲线。

图2
图2 🔍原图 (557×240)

(3)自放电率:电池内部某种不利的化学反应会引起电池容量减少,称为自放电。氧化银电池自放电率为每年容量减少5~10%。

(4)内阻:微型电池的等效电路与其它电源相同,为电动势与内阻串联(图3)。内阻与电解液性质关系较大,电解液为KOH的比NaOH的内阻小,例如:当温度为-10℃时,前者为50Ω而后者达500Ω。对同类型电池,内阻与其体积成反比。内阻小的电池适用于要求输出电流大(重负载)的场合。

图3
图3 🔍原图 (394×210)

(5)温度特性:氧化银电池正常工作温度范围为-10℃~+60℃。低温使电池内阻增大(电解液KOH的电池在-20℃尚能正常工作),高温使自放电增大,电池保存期大为缩短。

(6)耐漏液性:碱性电解液极易渗透,漏到电池外面称为漏液(爬碱)。漏液时电池表面(尤其是阴极盖周围)有白色结晶或黄色液体。漏液不仅使电池失效且将严重腐蚀周围金属件,导致手表或计算器等损坏。因此,耐漏液性是氧化银等电池的重要指标。

此外,如果电池内部化学反应生成的气体不能排出,则将使电池变形甚至造成炸裂,称为气胀。

电池的选配和测量

选配微型电池应符合电子产品对电池的基本要求,即:规格(直径×厚度)、电压、容量及内阻等。例如:对大多数石英电子手表应配用1.55V的氧化银或过氧化银电池,其中对多功能(有点灯或响闹功能)的数字式手表应选用电解液KOH的氧化银电池(内阻小),对指针式手表则NaOH及KOH的均可用。如果配不到原型号(或相应的代用型号)的电池,可以适当采取以下应急措施。例如:选用直径或厚度较原用电池稍小的电池,但应保证接触良好(在阳极罐外加金属圈或金属垫);对数字式电子表如改用电解液为NaOH的电池,则必须停用点灯和响闹功能等。长期不用的设备应将其电池取出。

对电池的测量主要是测开路电压及工作电压(有负载时的电压)。开路电压用万用表电压档(略大于电池标称电压的电压档)测量。工作电压测量如图3所示,在电池两端并联电阻RL,其数值由电池制造厂规定,一般为数百至数千欧姆。对手表用电池有标准测量法,图4为直流法,适用于测量多功能数字式石英手表用电池,开关K闭合5秒钟看电压值;图5为脉冲法,适用于测量指针式石英表用电池,图中PG为脉冲信号源(正脉冲、脉宽7.8毫秒,周期1秒,幅度1.5V),被测电池置于低温(-10℃)环境中,读出有脉冲时的电压值。如用上述测量法测得电压值低于1.3V时应更换电池。

图4
图4 🔍原图 (391×203)
图5
图5 🔍原图 (421×243)

使用注意事项

防止短路——严禁金属导体将电池阳极罐与阴极盖之间短接。切忌用金属镊子同时夹住电池正负极。避免用手指同时捏住电池正负极,避免高温高湿环境,以减少电池放电损耗。

防止装错——电池装入机内,注意正负极位置切勿颠倒。

防止炸裂——严禁将电池加热,不准用电烙铁在电池上焊接,不准将电池投入火中,因为电池温度剧增会产生气胀,甚至炸裂。目前使用的氧化银电池均为一次电池,不宜对它再充电。(苏州电子手表厂 朱世豹)