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鎳鎘電池與鎳氫電池

No.38   1996 Mar.   p 33~37,   by 林茂榮 / Paul Lin, BV50C, P.O. Box 23-575 Changhua



    本刊 9 期「善用你的鎳鎘電池」 (P.60~63) 文中,談論到鎳鎘電池的構造、種類、充電時間、保管與使用、本質特性、電壓與放電曲線、及使用問答等問題,本以為這些鎳鎘電池的基本常識已經夠用了,誰知道還有許多同好陸陸續續來信討論有關充電電池的使用經驗與疑問,甚至有人談到最近很熱門的鎳氫電池。大多數業餘家對鎳鎘電池應該都會很熟悉,因為幾乎所有供應無線電手機使用的電源,都採用鎳鎘電池。

Fig 01
圖 1:鎳氫電池的結構與鎳鎘電池相當類似。

    一般而言,鎳鎘電池可以充放電的次數大約在兩百次左右,這與品牌好壞及使用習慣有關。當然,鎳鎘電池會隨著充放電次數增加,效率也會跟著下降;到達一定程度時,會讓人覺得充飽的電池很快就沒電,這也就是接近鎳鎘電池的壽命週期尾聲了。

    最近好像有一股流行風,不論什麼樣的家電產品或是通訊產品,總會在特性上加上一句:使用沒有記憶效應及兼顧環保的「鎳氫電池」。的確,鎳氫電池有它的優點,就拿單位體積內的電容量來說,鎳氫就比鎳鎘電池高出約 30%~40% 左右。而另一項大家都很注重的問題,鎳氫電池結束生命週期後,因為不含有毒的金屬「鎘」,即使隨意丟棄,也不會造成嚴重的環境污染。而鎳氫電池的充放電特性與鎳鎘電池很類似,使用鎳鎘電池供電的產品,也可用鎳氫電池取代。


結構類似,性能更棒

    鎳氫電池的結構與鎳鎘電池很類似,其實許多基本材料也一樣,例如,不論是鎳氫電池或是鎳鎘電池,正極都是由金屬「鎳」,及氫氧化鉀電解液所組成,唯一的差別是,負極的金屬片不同,參看圖 1,鎳鎘電池的負極是金屬「鎘」,而鎳氫電池的負極是一種可以儲存或說是吸附氫氣的金屬,電池進行充電時,鎳氫電池的負極金屬,可以吸收掉電池所產生的氫氣,而電池使用時,這金屬可以把吸住的氫氣釋放出來,產生電流。

    鎳氫電池負極上的儲氫金屬,是一種化合金屬,在比大氣壓還低的環墇下,它可以吸收比本身容積還大幾百倍的氫氣,由於這一特性,使鎳氫電池的電容量,比鎳鎘電池可以多出了大約 30% 到 40% 左右,

    參看圖 2 可以看出來,鎳氫電池比鎳鎘電池或傳統的鉛酸電池有更大的電容量,對於手持的通訊設備而言,較大的電容量很重要,不但可以減輕重量,還可以應付更長的使用時間;和以往比較,你可以選擇重量比較輕的電池,而有相同的電容量,或者是有相同的重量,而有更多的電量供應。一般不論是業務或者是業餘的移動通訊,尤其是緊急救難通訊,能提供更長的供電時間,這一點非常重要。鎳氫電池與鎳鎘電池一樣,工作溫度是介於 -20℃ ~ +60℃之間。

Fig 02
圖 2:鎳氫電池比鎳鎘電池或者是傳統的鉛酸電池有更大的電容量。



鎳氫電池的放電特性

    參看圖 3,內有鎳氫電池及鎳鎘電池整個放電週期的電壓曲線,充滿電時,單枚的鎳氫電池電壓是 1.35V,但是放電時,電壓很快地會降到 1.2V,而兩種電池的耗罄電壓一般都定為 1.0V。仔細查看可以發現,鎳氫電池與鎳鎘電池的放電曲線極為類似,唯一不同的是,鎳氫電池的電容量比較大。

    另外,這兩種電池最明顯的差異是在高電流放電時有很明顯的差別,在大電流放電的情況下,鎳氫電池的表現會比鎳鎘電池還差,也就是大電流情況下,鎳氫電池的電容量會比鎳鎘電池還小,這是因為鎳氫電池的內阻比鎳鎘電池還大的緣故,還好這項問題在一般的應用上,都不成問題。

Fig 03
圖 3:充滿電後鎳氫電池及鎳鎘電池整個放電週期的電壓曲線。



鎳氫電池如何充電

    雖然鎳鎘電池也不容許長時間的過度充電,但鎳氫電池對於過度充電更是敏感,因為鎳氫電池只要受到幾次異常的過度充電,它的電容量可能會降低很多。一般採用定電流的方式充電,加上充電控制器的話,鎳氫電池可以有大約 500 次以上的充放電壽命。

    當充滿電時,不論是鎳氫電池或是鎳鎘電池,都會有電壓下降的現象,就是因為有這個現象,許多充電器控制器就是利用這一現象來切斷充電器開關。充滿電之後,電池電壓就保持不變了,而此時,電池就像是電阻一樣,會消耗功率,把流經的電流轉成熱。而這熱發生在電池身上,會使電池的內阻下降,電壓也會跟著下降。

    鎳氫電池的標準充電方式是定電流,如果這鎳氫電池是完全放電狀態,要達到充滿電狀態,必須加入 150% 電容量;例如針對 1100mA 的鎳氫電池以 110mA 充電,需要連續 15 小時,總共是 1650mAH。鎳氫電池充電時,溫度範圍是 O℃ ~ 45℃。一般來講,使用具有自動控制功能的充電器來充鎳氫電池是必要的,不僅利用電壓來控制,最好也要以溫度來控制。


鎳氫電池的收藏與保存

    鎳氫電池的儲藏溫度是 -2O℃ ~ +35 ℃,就算是在完全放電的狀態下 (電壓低於 1.0V),只要幾個充放電週期,鎳氫電池馬上可以恢復正常供電量。那鎳氫電池是不是有必要充滿電之後再收藏呢?其實這沒有必要,因為在充滿電狀態,於室溫下,經過 15 天之後,鎳氫電池就會完全放電,而要是鎳鎘電池的話,可以保持大約 1 到 2 個月之久;但是如果經常使用電池,鎳氫電池的這項缺點也就不足為掛。


鎳鎘電池不敢「忘記」,或是它的本性

    自話題一轉到蓄電池,尤其是鎳鎘電池時,那驚人的「記憶」效應一定出爐。鎳鎘電池真正的「記憶效應」,會使電池的特性出現異常,最直接的感受就是電池的電壓下降了,但是這電壓下降的程度,一般只有零點幾伏特。鎳鎘電池出現記憶現象的主因是,這電池常常被很淺的充放電 (充滿電之後,使用時只輕微的放電,又被送去充電),參看圖 4。長期的過度充電及很淺的放電,會使整個鎳氫電池的端電壓稍微下降。

Fig 04
圖 4:正常鎳鎘電池與有記憶效應的電池放電的曲線差異。



關於鎳鎘電池記憶效應是壞消息

    儘管商用鎳鎘電池出現已經有好長一段期間,不論是在工業界、商業、甚至是家用,鎳鎘電池使用的情況算是很普遍。而圍繞著鎳鎘電池的記憶效應,的確是有許多不同的爭論,尤其是許多討論緊繞「充電之前先放電」這一主題。贊成這一觀點的人,認為這可以避免產生鎳鎘電池的記憶效應;反對的人認為那只是在摧殘鎳鎘電池的壽命 (一般鎳鎘電池的壽命,以完全充放電週期而言,大約是 200 次,如果不常使電池完全放電的話,充放電週期次數可以提高),而有些人則採中庸之道,認為偶而充電之前先放電就可以了,不幸的是,這所謂的 偶而,是多久一次,也成為爭論的焦點。


鎳鎘電池的真正特性是好消息

    堅持應該放棄「充電之前先放電」的人,提出了一套可信的證據,認為鎳鎘電池的記憶效應實際上很少發生,因為鎳鎘電池要真正發生記憶效應的條件也並不簡單,必須要很精確地在固定的放電量下,反覆充放電幾次,才可能發生 (就像是首次發現鎳鎘電池有記憶效應的衛星通訊應用時,因為衛星繞極的週期與太陽電池板接受陽光有很精確的週期性,使得鎳鎘電池的充放電很有規律),甚至有些鎳鎘電池生產廠商還宣稱,他們生產的鎳鎘電池根本不會有所謂的記憶效應。我也懷疑,是不是也有其他種類的電池,因為多次充放電之後電壓自然 下降,也背上了「記憶效應」的誤解,參看圖 5。

Fig 05
圖 5:鎳鎘電池的正常老化,與鎳鎘電池因記憶效應所引起的電壓下降是不同的。

    就算是因為鎳鎘電池發生記憶效應,而使電池電壓下降了 0.1 伏特,這也不容易被發現。最值得安慰的是,鎳鎘電池的「記憶效應」並不是致命的損傷,而且也很容易恢復過來。只要讓鎳鎘電池做幾次的充放電之後,這所謂的記憶效應就會消失;要注意的是,所謂的完全放電,是指電壓低到 1.0 伏特為止,放電時,千萬不要讓鎳鎘電池的電壓低過 1.0 伏特。


家裡頭的鎳鎘電池

    事實上,現在家裡頭使用鎳鎘電池的地方多得是,像是無線電話手機、刮鬍刀、隨身聽等,這些幾乎是每天使用的家用電器,有些使用已經將近十年了,還沒有出過什麼大問題,鎳鎘電池依然可以正常充放電。下面是我使用鎳鎘電池的經驗:

Fig 06
圖 6:鎳鎘電池充電時,電壓隨之上升,當達到充滿電程度時。電壓又會稍微下降。

  • 首先,也是最重要的,我總是盡量依照產品的使用說明或是遵循注意事項,唯有些例外的,像是鎳鎘電池,我從不會將鎳鎘電池完全放電到底,這就是前面提過的,我不會讓鎳鎘電池放電到電壓低於 1.0 伏特,因為讓鎳鎘電池放電到此這電壓還低的話,很容易出現逆向充電的情況,參看圖 6,鎳鎘電池一遭到逆向充電就完蛋了。萬一不方便測量鎳鎘電池電壓呢?就像是我的電動牙刷一樣,根據說明書所載,不要在電力枯竭時,才再次充電,但說明書還特別提到,應該每年有一次機會,讓鎳鎘電池完全放電後再充電,這時候,可以把充電器的插頭拔掉,過了幾天之後再插上電源就可以了。

  • 如果沒有說明書的話,我通常會在需要使用或是方便時,才去充電,我發現這種隨機方式的充電,應該足以防止出現鎳鎘電池的記憶效應 (不過我也常在鎳鎘電池完全放電之後,才想到要充電),我也曾經拿「是不是可以自行在電壓低到某種程度時切斷電源」作為選購家電用品的指標,但是至今有這類功能的產品,好像不多。

  • 當我懷疑或是真正碰到有鎳鎘電池的記憶效應時,我才會特意地讓鎳鎘電池放電到 1.0 伏特。所謂的記憶效應,並不是絕症,也很容易恢復,為什麼要強加給鎳鎘電池那麼多的壓力,甚至縮短使用壽命,況且只要簡單的幾個動作,就可以去除記憶效應,更不必加諸鎳鎘電池太多的完整充放電週期壓力。


充電之前先放電

    你也許可以看到許多鎳鎘電池充電器有一些功能,其中一項就是「充電之前先放電」,這項功能可以讓鎳鎘電池在充電之前先行放電到某一種程度,不過我個人是主張不要利用放電來避免記憶效應的;但是關於充電器的「充電之前先放電」,並不是針對記憶效應的,這樣做有助於去除電池盒內每只鎳鎘電池的不平衡現象,這現象尤其容易出現在以電壓偵測充電的電池盒上,參看圖 7。因為只要電池盒其中的幾枚電池充飽,有可能讓充電器動作而停止充電,這樣一來,電池盒內的鎳鎘電池有些是充飽電,有些則未充飽,像這類不平衡現象,實際上比記憶效應更普遍,也更容易傷害到電池。

Fig 07
圖 7:鎳鎘電池盒的不平衡現象,可能導致鎳鎘電池被反向充電而完全受損。

    為了避免出現電池盒的不平衡現象,首先要先放電,然後以正常的程序充電,一旦電池盒充飽之後,就進行 TRICKLE CHARGE 連續補充充電,直到電池盒內的每枚鎳鎘電池都充飽電為止。

    另外,快速充電的毛病也不少,主要的問題是充電過頭,因為電池盒的每一枚鎳鎘電池,不會同時充飽,而只要先被充飽的鎳鎘電池繼續充電的話,會有氣體外洩的情況,鎳鎘電池一但發生氣體外洩,它的電容量就會大量萎縮,

Fig 08
充電器「充電之前先放電」功能,有助於去除每只鎳鎘電池的不平衡現象。



結論

    鎳氫電池有更高密度的電容量,而且也不會對環境造成傷害;另一方面,鎳氫電池的充電條件比較嚴苛,內阻也比鎳鎘電池還高一些;還有鎳氫電池不用時,自然放電比較快。基本上凡使用鎳鎘電池的,都可以用鎳氫電池來代替,不過要稍微注意一下的是,其間的充電、放電、及收藏的特性與方式,有某些差異,值得注意。

    現行的趨勢是,放棄使用鎳鎘電池,改採鎳氫電池,但是目前使用中或是已經生產的鎳鎘電池,至少也可以服務到本世紀末,因此在這如同兄弟的鎳鎘電池與鎳氫電池之間,分辨其特性也非常重要。


主要參考資料:
1. Nickel-Metal-Hydride Batteries in Amateur Radio Applications. by Gary Kuusisto
2. A NiCd Never Forgets, Or Does it., by Mike Gruber
3. Sealed Nickel Cadmium Batteries., Published by Varta Batteries AG END



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