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電池記憶效應是真的嗎?

No.13   1994 Jan.   p76~79,   by 楊智凱 / BV2FB



    玩無線電的人,大概很少不使用電池的,從廉價的鋅錳電池,到昂貴的鹼性電池,現 代化的電子產品對電池的要求愈來愈高,有些新型相機甚至已開始使用鋰電池做動力。

    但是,充電電池並非萬能,您知道嗎?

    在追求小體積、大電力的過程中,可充電的電池也由古老的鉛酸電池、鎳鎘電池,進 步到最近漸受注目的鎳氫電池。

    雖然鋰電池也可能做成充電式,但因為製作技術困難,價格昂貴,並未大量採用;而 充電電池可重覆充放 100~200 次,極具經濟效益,故早已被大量使用於手提式無線 電機上,其中尤以鎳鎘電池經濟實用,最受喜愛。

    使用充電電池最大的困擾就是 -- 又沒電了!明明昨晚才充好電,第二天使用講不到 幾句,就沒電;有時甚至所攜帶的幾個電池都是一用即死,只好當一天啞吧,憋死人 也!

    筆者為防此種狀況,每次出「任務」均攜帶三個電池包,外加一個乾電池盒及一堆乾 電池,怕的就是所有電池在同一天都發生「記憶效應」。


什麼是「記憶效應」呢?

    早期的鎳鎘電池充電後,如果未完全放電即再行充電,電池中的化學成分,會記住上 次放電點,而無法完全充電,放出所有電能,以致使電池的實際容量變小,最嚴重的 甚至可降到只剩原有容量的 20%。這種現象就好比用木桶拌水泥,使用後未清乾淨, 粘於桶上的水泥硬化後,就會使桶子容量變小。

    然而,經過電池廠商一再研究改進,近幾年出產之鎳鎘或鎳氫電池已沒有明顯的記憶 現象,但如果記憶效應已是歷史,那麼鎳鎘電池的殺手又是什麼呢?

    事實上,現今鎳鎘電池的殺手,應歸罪於鎳結晶現象。鎳結晶現象對電池容量減損很 像記憶效應,但因其實質不同,形成過程也不同,故對策也不一樣。

    鎳結晶現象是充電過程中,電池已充飽後再持續補充,而致電極板上長出一顆顆的鎳 金屬結晶,此種結晶會使電池活化面積減小,導致電池容量減損,幸而大部份結晶都 可以在電池放電超過 1V 以下後,溶解回電解液中。

    但若電池長期未獲充份放電,鎳結晶沒機會溶解,變得愈來愈大,而發生類似記憶效 應,使電池容量減損;且由於鎳結晶呈尖刺狀,成長太大,將穿破正負電極間之絕緣 層 (電解質層),使電池內部漏電增加至每天 10% 以上,這可能就是為什麼有些電 池充好後,放幾天再用,卻發現一用就沒電了的原因。

    當鎳結晶大到足以使正負極短路時,電池將瞬間產生高溫高壓氣體,嚴重時甚至會發 生漏液現象,此時電池已壽終正寢。了解其成因後,再來研究如何防止結晶現象。


正確使用電池

    首先應避免過度充電,尤其不可讓電池長期放在劣質充電器上,以小電流充電,因為 「常期」與「小電流」正是優良的鎳結晶生長條件,些微的過量充電在所難免,故應 每個月至少一次,讓電池完全放電 (即電壓降至每顆電池都在 1V 以下),以便殘留 之鎳結晶可以完全溶解。

    但不必矯枉過正,每次回家,不管電池是否還有電,就一律予以放電再重新充電,因 為這樣雖可使鎳結晶充份溶解,但也使電池多做了一週期的充放電,使電池之生命週 期少了一次,而很快的到達其充電次數極限。

    比較正確的做法是,將尚有剩電之電池,再予充電至飽即可,如果懷疑有過充電所生 之結晶現象,可以每個月讓電池有一次完全放電的機會。

    又如發現結晶頑強,電池容量變小,可予充滿,全放數次,通常均可恢復。但經此種 方式救活之電池,因其絕緣體可能已被結晶嚴重穿損,難保不突然短路罷工,切勿用 於重要機器上,否則一旦漏液,損失更重。

    至於如何改善充電方式,使鎳結晶不會產生,當今各種充電器都漸漸加裝防止過充電 之設計。以下我們就談談各種充電方法及其基本理論。


充電方法及基本理論

恆壓充電:

即使用一個比電池電壓高的電壓源,串上一個電阻以防電流太大,當電池充飽後,電 壓上昇至與外加電壓相近時,充電即自動停止。

此種方法安全可靠,但因每個電池充飽後,電壓略有不同,多顆電池串聯後,累積之 誤差很難控制,充電時間長短不定,已很少使用。

恆流定時充電:

以電晶體控制,使充電電流維持一定,充電時間約 8~10 小時。此種方式可確保電池 不致發熱,化學變化穩定,而獲 100% 充飽;加上計時器以防充電過久產生鎳結晶現 象,一般廉價家用充電器則沒有計時器裝置,而任其過充電。對恆流充電一般是以 C/10~C/8 之電流充電,C 值就是電池容量,例如一般三號電池尺寸之鎳鎘電池 C 值 以 450mAh 最常見,最近也有 500mAh 及 700mAh、 1000mAh 之產品出現。

C 值為電流與時間之乘積, 1Ah 即代表 1 個安培小時,也就是其內部化學能量,可 提供 1 安培之電力維持 1 小時之久。

如果只放電 0.5 安培,則可使用 2 小時,因為 0.5A x 2h = 1.0Ah。同理,若放電 2 安培,應可放電半小時,即 2A x 0.5h = 1.0Ah。但實際上,因化學反應並非完全線性 ,通常以大電流快速放電時,其 C 值會打折扣,故 2A 放電,可能放 0.4 小時,即 C1=2A x 0.4h = 0.8Ah, C 值由 1Ah 變為 0.8Ah,此為高速放電之代價。

感溫充電:

充電到電池發熱至一定溫度即停止充電。此種方式因必須由充電器上拉出一條感溫線 ,不太適合小電池,或有外包塑膠殼之電池。

Fig 1
Fig 2
Fig 3
Fig 4
電壓斜率感應式:

電池在充電時,電壓會上升,升到一定值後,反而下降,一般稱為 -ΔV (Δ:電 壓變化值,-:電壓變小),此時即代表電極板上之化學反應,幾乎已全部完成,亦 即已充飽,是一個極好的充電指標。

利用現代化 IC 電路,可以很容易測出。此種方式特別適用於快速充電,例如 4C 充 電,因充電電流大,-ΔV 易測出。此種方式之缺點為 -ΔV 於 85% 充電時即出 現,而電池尚未完全充滿,宜輔以其他方式,以確保 100% 充電,例如間歇式充電。

間歇式充電:

以一定之電量充電一段時間後,再施以瞬間放電,使電池中之氣體溶解消失,此種方 式通常與電壓斜率式共用,以將電池由 85% 充電狀況,再予充到 100% 全飽,尤其 適用於快速充電,通常充電電流為 C/16。讀者如果有興趣自製充電器,可以買 MAXIM 的 MAX712、 MAX713 來自製,電路非常簡單,如圖一。



電池容量測試法

    為確定電池容量 C 之實際值,以供證明電池是否正常,通常可用下列方式測量:

    1.燈泡法:用一個燈泡接於電池上,看燈炮能亮多久。此法可大約測出電池容量,如 圖二。

    2.恆流放電法:用一個電晶體做成恆流電路,將電流調到預定電流量,直到電池電壓 降到 1V 為止,如圖三。

    3.儀器測量法:由儀器精確測量電池之電壓、電流及時間,如圖四。


記憶效應測量法

    先用上述電池容量測試法中任一法,測出電池原始容量,復將電池充飽,放電至一半 ,再充飽,然後重測其 C 值。


鎳結晶狀況測量法

將電池充飽後,繼續以 C/10 之電流,充電 10 小時後,放電至一半;重新充飽後, 測量其 C 值。


漏電狀況測量法

    先測出電池容量,重新充飽後,放置 24 小時,再重測容量,即可得出 24 小時內漏 掉之 C 值。C0-C24=ΔC, C0=原來容量,C24=24 小時後容量,ΔC= 容量變化。 如果 24 小時之漏電不夠明顯,可延長為 7 天。

    看過以上電池常識,您一定雀躍欲試吧!歡迎您將市面上各廠牌電池之測試心得,寫 到 CQ 雜誌,與我們一同分享。 END



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