扫描电镜的基本结构和工作原理.pdf

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1、扫描电镜的基本结构和工作原理 扫描电子显微镜利用细聚焦电子束在样品表面逐点扫描，与样品相互作用产行各种物理 信号， 这些信号经检测器接收、放大并转换成调制信号，最后在荧光屏上显示反映样品表面 各种特征的图像。扫描电镜具有景深大、图像立体感强、放大倍数范围大、连续可调、分辨 率高、样品室空间大且样品制备简单等特点，是进行样品表面研究的有效分析工具。 扫描电镜所需的加速电压比透射电镜要低得多，一般约在 1 30kV ，实验时可根据被分析样 品的性质适当地选择，最常用的加速电压约在20kV 左右。扫描电镜的图像放大倍数在一定 范围内 (几十倍到几十万倍)可以实现连续调整，放大倍数等于荧光屏上显示的图

2、像横向长度 与电子束在样品上横向扫描的实际长度之比。扫描电镜的电子光学系统与透射电镜有所不 同，其作用仅仅是为了提供扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号的激发源。扫描电镜 最常使用的是二次电子信号和背散射电子信号，前者用于显示表面形貌衬度，后者用于显示 原子序数衬度。 扫描电镜的基本结构可分为电子光学系统、扫描系统、 信号检测放大系统、图像显示和记录 系统、 真空系统和电源及控制系统六大部分。这一部分的实验内容可参照教材第十二章，并 结合实验室现有的扫描电镜进行，在此不作详细介绍。 三、扫描电镜图像衬度观察 1样品制备 扫描电镜的优点之一是样品制备简单，对于新鲜的金属断口样品不需要做任何处理

3、，可 以直接进行观察。但在有些情况下需对样品进行必要的处理。 1) 样品表面附着有灰尘和油污，可用有机溶剂(乙醇或丙酮 )在超声波清洗器中清洗。 2) 样品表面锈蚀或严重氧化，采用化学清洗或电解的方法处理。清洗时可能会失去一些 表面形貌特征的细节，操作过程中应该注意。 3) 对于不导电的样品，观察前需在表面喷镀一层导电金属或碳，镀膜厚度控制在5-10nm 为宜。 2表面形貌衬度观察 二次电子信号来自于样品表面层5l0nm ，信号的强度对样品微区表面相对于入射束的 取向非常敏感， 随着样品表面相对于入射束的倾角增大，二次电子的产额增多。因此，二次 电子像适合于显示表面形貌衬度。 二次电子像的分辨

4、率较高，一般约在3 6nm 。其分辨率的高低主要取决于束斑直径， 而实际上真正达到的分辨率与样品本身的性质、制备方法， 以及电镜的操作条件如高匝、扫 描速度、光强度、工作距离、样品的倾斜角等因素有关，在最理想的状态下，目前可达的最 佳分辩率为 lnm 。 扫描电镜图像表面形貌衬度几乎可以用于显示任何样品表面的超微信息，其应用已渗透 到许多科学研究领域，在失效分析、刑事案件侦破、病理诊断等技术部门也得到广泛应用。 在材料科学研究领域，表面形貌衬度在断口分析等方面显示有突出的优越性。下面就以断口 分析等方面的研究为例说明表面形貌衬度的应用。 利用试样或构件断口的二次电子像所显示的表面形貌特征，可以

5、获得有关裂纹的起源、 裂纹扩展的途径以及断裂方式等信息，根据断口的微观形貌特征可以分析裂纹萌生的原因、 裂纹的扩展途径以及断裂机制。图实5-1是比较常见的金属断口形貌二次电子像。较典型的 解理断口形貌如图实5-1a 所示， 在解理断口上存在有许多台阶。在解理裂纹扩展过程中，台 阶相互汇合形成河流花样，这是解理断裂的重要特征。准解理断口的形貌特征见图实51b， 准解理断口与解理断口有所不同，其断口中有许多弯曲的撕裂棱，河流花样由点状裂纹源向 四周放射。沿晶断口特征是晶粒表面形貌组成的冰糖状花样，见图实51c。图 51d显示 的是韧窝断口的形貌，在断口上分布着许多微坑，在一些微坑的底部可以观察到夹

6、杂物或第 二相粒子。由图实71e可以看出，疲劳裂纹扩展区断口存在一系列大致相互平行、略有弯 曲的条纹，称为疲劳条纹，这是疲劳断口在扩展区的主要形貌特征。图实51示出的具有 不同形貌特征的断口，若按裂纹扩展途径分类，其中解理、准解理和韧窝型属于穿晶断裂， 显然沿晶断口的裂纹扩展是沿晶粒表面进行的。 图实 52是显示灰铸铁显微组织的二次电子像，基体为珠光体加少量铁素体，在基体上 分布着较粗大的片状石墨。与光学显微镜相比，利用扫描电镜表面形貌衬度显示材料的微观 组织， 具有分辨率高和放大倍数大的优点，适合于观察光学显微镜无法分辨的显微组织。为 了提高表面形貌衬度，在腐蚀试样时， 腐蚀程度要比光学显微

7、镜使用的金相试样适当地深一 些。 表面形貌衬度还可用于显示表面外延生长层(如氧化膜、镀膜、磷化膜等)的结晶形态。 这类样品一般不需进行任何处理，可直接观察。图实5-3是低碳钢板表面磷化膜的二次电子 像，它清晰地显示了磷化膜的结晶形态。 3原子序数衬度观察 原子序数衬度是利用对样品表层微区原子序数或化学成分变化敏感的物理信号，如背散射电 子、吸收电子等作为调制信号而形成的一种能反映微区化学成分差别的像衬度。实验证明， 在实验条件相同的情况下，背散射电子信号的强度随原子序数增大而增大。在样品表层平均 原子序数较大的区域，产生的背散射信号强度较高，背散射电子像中相应的区域显示较亮的 衬度； 而样品表

8、层平均原子序数较小的区域则显示较暗的衬度。由此可见， 背散射电子像中 不同区域衬度的差别，实际上反映了样品相应不同区域平均原子序数的差异，据此可定性分 析样品微区的化学成分分布。吸收电子像显示的原子序数衬度与背散射电子像相反，平均原 子序数较大的区域图像衬度较暗，平均原子序数较小的区域显示较亮的图像衬度。原子序数 衬度适合于研究钢与合金的共晶组织，以及各种界面附近的元素扩散。 图实 54是A1-Li 合金铸态共晶组织的背散射电子像。由图可见，基体a-A1 固溶体由于其平均原子序数较大，产生背散射电子信号强度较高，显示较亮的图像衬度。在 基体中平行分布的针状相为铝锂化合物，因其平均原子序数小于基

9、体而显示较暗的衬度。 在此顺便指出， 由于背散射电子是被样品原子反射回来的入射电子，其能量较高， 离开样品 表面后沿直线轨迹运动，因此信号探测器只能检测到直接射向探头的背散射电子，有效收集 立体角小， 信号强度较低。 尤其是样品中背向探测器的那些区域产生的背散射电子，因无法 到达探测器而不能被接收。所以利用闪烁体计数器接收背散射电子信号时，只适合于表面平 整的样品，实验前样品表面必须抛光而不需腐蚀。 二次电池（ Rechargeable battery) ：充电电池又称为二次电池，是指在电池放电后可通过充 电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。 充电电池的充放电循环可达数千次到上万次，故其相

10、对干电池而言更经济实用。 充电电池主要有“ 镍氢 ” 、“ 镍镉 ”“铅酸 ” 、 “ 锂离子 ” 等。 二次电池的自放电又称荷电保持能力，它是指在开路状态下，电池储存的电量在一定环境条 件下的保持能力。一般而言，自放电主要受制造工艺，材料，储存条件的影响自放电是衡量 电池性能的主要参数之一。一般而言，电池储存温度越低，自放电率也越低，但也应注意温 度过低或过高均有可能造成电池损坏无法使用，BYD 常规电池要求储存温度范围为-2045。 电池充满电开路搁置一段时间后，一定程度的自放电属于正常现象。IEC 标准规定镍镉及镍 氢电池充满电后，在温度为20 度湿度为65%条件下，开路搁置28 天，

11、0.2C 放电时间分别 大于 3 小时和 3 小时 15 分即为达标。 与其它充电电池系统相比，含液体电解液太阳能电池的自放电率明显要低，在25 下大约为 10%/月。 二次锂电池的优势是什么? 1. 高的能量密度 2. 高的工作电压 3. 无记忆效应 4. 循环寿命长 5. 无污染 6. 重量轻 7. 自放电小 锂聚合物电池具有哪些优点? 1. 无电池漏液问题,其电池内部不含液态电解液,使用胶态的固体. 2. 可制成薄型电池:以3.6V400mAh 的容量 ,其厚度可薄至0.5mm. 3. 电池可设计成多种形状 4. 电池可弯曲变形:高分子电池最大可弯曲900左右 5. 可制成单颗高电压:液

12、态电解质的电池仅能以数颗电池串联得到高电压,高分子电池由于 本身无液体 ,可在单颗内做成多层组合来达到高电压. 7. 容量将比同样大小的锂离子电池高出一倍 IEC规定锂电池标准循环寿命测试为:电池以 0.2C 放至 3.0V/ 支后 1. 1C 恒流恒压充电到4.2V 截止电流 20mA 搁置 1小时再以 0.2C 放电至 3.0V( 一个循环 ) 反复循环 500次后容量应在初容量的60% 以上 国家标准规定锂电池的标准荷电保持测试为(IEC 无相关标准 ). 电池在 25摄氏度条件下以0.2C 放至 3.0/ 支后 ,以1C 恒流恒压充电到4.2V,截止电流 10mA, 在 温度为 20+

13、_5 下储存 28 天后 ,再以 0.2C 放电至 2.75V 计算放电容量 什么是二次电池的自放电不同类型电池的自放电率是多少? 自放电又称荷电保持能力,它是指在开路状态下,电池储存的电量在一定环境条件下的保持 能力 .一般而言 ,自放电主要受制造工艺,材料 ,储存条件的影响自放电是衡量电池性能的主要 参数之一 .一般而言 ,电池储存温度越低,自放电率也越低,但也应注意温度过低或过高均有可 能造成电池损坏无法使用,BYD 常规电池要求储存温度范围为-2045. 电池充满电开路搁置 一段时间后 ,一定程度的自放电属于正常现象.IEC 标准规定镍镉及镍氢电池充满电后,在温度 为20度湿度为 65

14、% 条件下 ,开路搁置 28天 ,0.2C 放电时间分别大于3小时和 3小时 15分即为达 标.与其它充电电池系统相比,含液体电解液太阳能电池的自放电率明显要低,在25下大约为 10%/ 月. 什么是电池的内阻怎样测量 电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力,一般分为交流内阻和直流 内阻 ,由于充电电池内阻很小,测直流内阻时由于电极容量极化,产生极化内阻,故无法测出其 真实值 ,而测其交流内阻可免除极化内阻的影响,得出真实的内值. 交流内阻测试方法为:利用电池等效于一个有源电阻的特点,给电池一个 1000HZ,50mA的恒 定电流 ,对其电压采样整流滤波等一系列处理从而精确地

15、测量其阻值. 什么是电池的内压电池正常内压一般为多少? 电池的内压是由于充放电过程中产生的气体所形成的压力.主要受电池材料制造工艺,结构 等使用过程因素影响.一般电池内压均维持在正常水平,在过充或过放情况下,电池内压有可 能会升高 : 如果复合反应的速度低于分解反应的速度,产生的气体来不及被消耗掉,就会造成电池内压 升高 . 什么是内压测试? 锂电池内压测试为:(UL标准 ) 模拟电池在海拔高度为15240m 的高空 (低气压 11.6kPa) 下,检验电池是否漏液或发鼓. 具体步骤 :将电池 1C充电恒流恒压充电到4.2V, 截止电流 10mA , 然后将其放在气压为11.6Kpa, 温度为

16、 (20+_3) 的低压箱中储存6小时 ,电池不会爆炸 ,起火 ,裂口 ,漏液 . 环境温度对电池性能有何影响? 在所有的环境因素中,温度对电池的充放电性能影响最大,在电极 /电解液界面上的电化学反 应与环境温度有关,电极 /电解液界面被视为电池的心脏.如果温度下降,电极的反应率也下降, 假设电池电压保持恒定,放电电流降低,电池的功率输出也会下降.如果温度上升则相反,即电 池输出功率会上升,温度也影响电解液的传送速度温度上升则加快,传送温度下降,传送减慢 , 电池充放电性能也会受到影响.但温度太高 ,超过 45,会破坏电池内的化学平衡,导致副反应 过充电的控制方法有哪些?为了防止电池过充,需要

17、对充电终点进行控制,当电池充满时,会有 一些特别的信息可利用来判断充电是否达到终点.一般有以下六种方法来防止电池被过充: 1. 峰值电压控制 :通过检测电池的峰值电压来判断充电的终点; 2. dT/dt 控制 :通过检测电池峰值温度变化率来判断充电的终点; 3. T控制 :电池充满电时温度与环境温度之差会达到最大; 4. -V 控制 :当电池充满电达到一峰值电压后,电压会下降一定的值 5. 计时控制 :通过设置一定的充电时间来控制充电终点,一般设定要充进130% 标称容量所需 的时间来控制 ; 6. TCO 控制 :考虑电池的安全和特性应当避免高温(高温电池除外)充电 ,因此当电池温度升高 6

18、0时应当停止充电. 什么是过充电对电池性能有何影响? 过充电是指电池经一定充电过程充满电后,再继续充电的行为. 由于在设计时,负极容量比正极容量要高,因此 ,正极产生的气体透过隔膜纸与负极产生的镉 复合 .故一般情况下,电池的内压不会有明显升高,但如果充电电流过大,或充电时间过长,产生 的氧气来不及被消耗,就可能造成内压升高,电池变形 ,漏液 ,等不良现象.同时 ,其电性能也会 显着降低 . 什么是过放电对电池性能有何影响? 电池放完内部储存的电量,电压达到一定值后,继续放电就会造成过放电,通常根据放电电流 来确定放电截止电压.0.2C-2C 放电一般设定1.0V/ 支,3C 以上如 5C 或

19、10C 放电设定为0.8V/ 支,电池过放可能会给电池带来灾难性的后果,特别是大电流过放,或反复过放对电池影响更 大.一般而言 ,过放电会使电池内压升高,正负极活性物质可逆性受到破坏,即使充电也只能部 分恢复 ,容量也会有明显衰减. 不同容量的电池组合在一起使用会出现什么问题? 如果将不同容量或新旧电池混在一起使用,有可能出现漏液,零电压等现象.这是由于充电过 程中 ,容量差异导致充电时有些电池被过充,有些电池未充满电,放电时有容量高的电池未放 完电 ,而容量低的则被过放.如此恶性循环 ,电池受到损害而漏液或低(零)电压 . 什么是电池的爆炸怎样预防电池爆炸? 电池内的任何部分的固态物质瞬间排

20、出,被推至离电池25cm 以上的距离 ,称为爆炸 .判别电池 爆炸与否 ,采用下述条件实验.将一网罩住实验电池,电池居于正中,距网罩任何一边为25cm. 网的密度为 6-7根/cm, 网线采用直径为0.25mm 的软铝线 ,如果实验无固体部分通过网罩,证明 该电池未发生爆炸. 锂电池串联问题 由于电池在生产过程中,从涂膜开始到成为成品要经过很多道工序.即使经过严格的检测程 序,使每组电源的电压、电阻、容量一致,但使用一段时间,也会产生这样或那样的差异.如同 一位母亲生的双胞胎,刚生下时可能长得一模一样,做为母亲都很难分辨.然而 ,在两个孩子不 断成长时 ,就会产生这样或那样的差异锂动力电池也是

21、这样.使用一段时间产生差异后,采用 整体电压控制的方式是难以适用于锂动力电池的,如一个 36V 的电池堆 ,必须用 10只电池串联 . 整体的充电控制电压是42V,而放电控制电压是26V. 用整体电压控制方式,初始使用阶段由于 电池一致性特别好,也许不会出现什么问题.在使用一段时间以后电池内阻和电压产生波动, 形成不一致的状态,(不一致是绝对的,一致性是相对的)这种时候仍然使用整体电压控制是不 能达到其目的的.例如 10只电池放电时其中两只电池的电压在2.8V, 四只电池的电压是3.2V, 四只是 3.4V,现在的整体电压是32V,我们让它继续放电一直工作到26V.这样 ,那两只 2.8V 的

22、电 池就低于 2.6V 处于了过放状态.锂电池几次过放就等于报废.反之 ,用整体电压控制充电的方 式进行充电 ,也会出现过充的状况.比如用上述 10只电池当时的电压状态进行充电.整体电压 达到 42V 时,那两只 2.8V 的电池处于 “饥饿 “ 的状态 ,而迅速吸收电量,就会超过 4.2V,而过充 的超过 4.2V 的电池 ,不仅由于电压过高产生报废,甚至还会发生危险,这就是锂动力电池的特 性. 锂离子电池的额定电压为3.6V( 有的产品为 3.7V). 充满电时的终止充电电压与电池阳极材料 有关 :阳极材料为石墨的4.2V; 阳极材料为焦炭的4.1V.不同阳极材料的内阻也不同,焦炭阳极 的

23、内阻略大 ,其放电曲线也略有差别,如图 1所示 .一般称为 4.1V 锂离子电池及4.2V 锂离子电池 . 现在使用的大部分是4.2V 的,锂离子电池的终止放电电压为2.5V2.75V( 电池厂给出工作电 压范围或给出终止放电电压,各参数略有不同).低于终止放电电压继续放电称为过放,过放对 电池会有损害 . 便携式电子产品以电池作为电源.随着便携式产品的迅猛发展,各种电池的用量大增,并且开 发出许多新型电池.除大家较熟悉的高性能碱性电池、可充电的镍镉电池、镍氢电池外,还有 近年来开发的锂电池.本文主要介绍有关锂电池的基本知识.这包括它的特性、主要参数、型 号的意义、应用范围及使用注意事项等.

24、锂是一种金属元素,其化学符号为Li(其英文名为 lithium), 是一种银白色、 十分柔软、 化学性能 活泼的金属 ,在金属中是最轻的.它除了应用于原子能工业外,可制造特种合金、特种玻璃(电 视机上用的荧光屏玻璃)及锂电池 .在锂电池中它用作电池的阳极. 锂电池也分成两大类:不可充电的及可充电的两类.不可充电的电池称为一次性电池,它只能 将化学能一次性地转化为电能,不能将电能还原回化学能(或者还原性能极差).而可充电的电 池称为二次性电池(也称为蓄电池).它能将电能转变成化学能储存起来,在使用时 ,再将化学能 转换成电能 ,它是可逆的 ,如电能化学能锂电池的主要特点. 灵巧型便携式电子产品要

25、求尺寸孝重量轻,但电池的尺寸及重量与其它电子元器件相比往往 是最大的及最重的.例如 ,想当年的“大哥大”是相当“粗大、笨重”,而今天的手机是如此的 轻巧 .其中电池的改进是起了重要作用的:过去是镍镉电池,现在是锂离子电池. 锂电池的最大特点是比能量高.什么是比能量呢?比能量指的是单位重量或单位体积的能量. 比能量用 Wh/kg 或Wh/L 来表示 .Wh 是能量的单位,W是瓦、 h 是小时 ;kg是千克 (重量单位 ),L 是升 (体积单位 ).这里举一个例来说明:5号镍镉电池的额定电压为12V,其容量为 800mAh, 则其能量为096Wh(12V08Ah). 同样尺寸的 5号锂 -二氧化锰

26、电池的额定电压为3V, 其容量为 1200mAh, 则其能量为 36Wh. 这两种电池的体积是相同的,则锂 -二氧化锰电池的 比能量是镍镉电池的375 倍! 一节 5号镍镉电池约重23g, 而一节 5号锂 -二氧化锰电池约重18g. 一节锂 -二氧化锰电池为3V, 而两节镍镉电池才24V.所以采用锂电池时电池数量少(使便携式电子产品体积减孝重量减 轻),并且电池的工作寿命长. 另外 ,锂电池具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应 及无公害等优点. 锂电池的缺点是价格昂贵,所以目前尚不能普遍应用,主要应用于掌上计算机、PDA 、通信设 备、照相机、卫星、导弹、鱼雷、

27、仪器等.随着技术的发展、工艺的改进及生产量的增加,锂 电池的价格将会不断地下降,应用上也会更普遍. 不可充电的锂电池 不可充电的锂电池有多种,目前常用的有锂-二氧化锰电池、锂亚硫酰氯电池及锂和其它化 合物电池 .本文仅介绍前两种最常用的. 1、锂 -二氧化锰电池(LiMnO2) 锂- 二氧化锰电池是一种以锂为阳极、以二氧化锰为阴极,并采用有机电解液的一次性电池. 该电池的主要特点是电池电压高,额定电压为3V(是一般碱性电池的2 倍 );终止放电电压为 2V;比能量大 (见上面举的例子);放电电压稳定可靠;有较好的储存性能(储存时间 3年以上 )、 自 放电率低 (年自放电率 2%); 工作温度

28、范围 -20 +60 . 该电池可以做成不同的外形以满足不同要求,它有长方形、圆柱形及纽扣形(扣式 ).圆柱形的 也有不同的直径及高度尺寸.这里列举大家较熟悉的1#(尺寸代码 D)、2#( 尺寸代码 C)及5#( 尺 寸代码 AA)电池的主要参数. CR 表示为圆柱形锂-二氧化锰电池;五位数字中 ,前两位表示电池的直径,后三位表示带一位 小数的高度 .例如 ,CR14505, 其直径为 14mm, 高度为 505mm( 这种型号是通用的). 这里要指出的是不同工厂生产的同型号的电池其参数可能有些差别.另外 ,标准放电电流值 是较小的 ,实际放电电流可以大于标准放电电流,并且连续放电及脉冲放电的

29、允许放电电流 也不同 ,由电池厂提供有关数据.例如 ,力兴电源公司生产的CR14505 给出最大连续放电电流 为1000mA, 最大脉冲放电电流可达2500mA. 照相机中用的锂电池多半是锂-二氧化锰电池.这里将照相机中常用的锂-二氧化锰电池列入 表2,供参考 . 纽扣式 (扣式 )电池尺寸较小,其直径为 125245mm, 高度为 1650mm. 几种较常用 的扣式电池如表3所示 . CR 为圆柱形锂 -二氧化锰电池,后四位数字中前两位为电池的直径尺寸,后两位为带小数点的 高度尺寸 .例如 ,CR1220 的直径为 125mm( 不包括小数点后的数),其高度为 20mm. 这种 型号表示方法

30、是国际通用的. 这种扣式电池常用于时钟、计算器、电子记事本、照相机、助听器、电子游戏机、IC卡、备 用电源等 . 2、锂 -亚硫酰氯电池(LiSOCl2) 锂- 亚硫酰氯电池是比能量最高的一种,目前可达到 500Wh/kg 或1000Wh/L 的水平 .它的额定 电压是 36V,以中等电流放电时具有极其平坦的34V放电特性 (可在 90% 容量范围内平坦 地放电 ,保持不大的变化).电池可以在 -40+85 范围内工作,但在 -40时的容量约为常温 容量的50%. 自放电率低 (年自放电率 1%) 、储存寿命长达10年以上 . 以1#( 尺寸代码 D)镍镉电池与 1#锂-亚硫酰氯电池的比能量作

31、一个比较:1#镍镉电池的额定电 压为 12V,容量为 5000mAh;1# 锂-亚硫酰氯的额定电压为36V,容量为 10000mAh, 则后者 的比能量比前者大6倍! 应用注意事项 上述两种锂电池是一次性电池,不可充电 (充电时有危险!);电池正负极之间不可短路;不可以 过大电流放电(超过最大放电电流放电);电池使用至终止放电电压时,应从电子产品中及时取 出;用完的电池不可挤压、焚烧及拆卸;不可超过规定温度范围使用. 由于锂电池的电压高于普通电池或镍镉电池,使用时不要搞错以免损坏电路.通过熟悉型号 中的 CR、ER 就可以知道它的种类及额定电压.在购买新电池时,一定要按原来的型号来买,否 则会

32、影响电子产品性能. 二次电池大观 2006-05-07 15:49:49 作者：蔡绍莹来源：电子产品世界 能反复充电的电池称为二次电池，亦叫蓄电池，它作为电子设备的关键部件之一受到注意， 对以移动电话为首的小型设备的无线化、轻量化贡献颇大。本文除介绍传统密封铅蓄电池、 镍镉电池外，还讲述确立了新型二次电池地位的镍氢电池和锂离子电池。 密封铅蓄电池 铅蓄电池于 1859 年由普朗特（法）发明，它是具有140年历史，完善度很高的电池，被用作 电子设备的电源。 1.最新技术 密封铅蓄电池具有单位重量能量密度低、过放电会缩短寿命等缺点，但具有以下优点：性 能价格比高；在目前市售水溶液系电池中，电池电压

33、达2V；自行放电少；无存储效 应等，在市场上占有一席之地。 表1 二次电池的构成及实用能量密度 二次电池的种 类 正极活性 物质 电解质负极活性物 质 电压（ V）实用能量物质 Wh/kg Wh/L 密封铅蓄电池PbO2H2SO4Pb 2.0 30 40 70100 镍镉电池NiOOH KOH Cd 1.2 45 55 100 180 镍氢电池NiOOH KOH MH 1.2 50 65 150 300 锂离子电池Li(I-X)CoO 2 有机溶剂LixC 3.6 60100 150 300 技术开发的焦点是在UPS （不间断电源）中提高高效效电性能，在无线设备方面的高能量 密度经。 其电池内

34、部的改进包括通过添加异向性石墨提高正极活性物质的利用率；代替以往 的铅锡合金，用铅钙合金或铅钙锡合金作集电网，以图高功能化。 密封铅蓄电池的技术课题是提高能量密度。具体地说有： 减少电池内的无效空间；减少 与起电反应无关的结构；提高活性物质利用率。此外， 还要性病此种电池的弱点，即过放 电产生的性能下降。 铅的价格低廉，在资源上也无问题，而且已建立回收再生途径。 2.密封铅蓄电池的构造 其构成包括正极板、数量相等或多1片的负极板、夹在极板间的隔离栅、电解液、装入它们 的合成树脂成型电槽及中盖，引外，还装设有起到不让大气中氧进入的逆止阀功能的安全阀 及上盖。 3.密封铅蓄电池的特性 残留容量与保

35、存温度：自行放电与保存温度大有关系。适当低的温度可进行长期保存。保存 温度每低 10，自行放电约降低1/2 。 容量与开路电压的关系：通过测定开路电压可以推断其容量。 重复寿命：重复寿命受各次重复中放电深度的影响颇大。 4.今后的展望 密封铅蓄电池在镍镉、镍氢、 锂离子等家用二次电池中最便宜，故要求大容量的用途成为倔 后的目标，可望作为信息、通信网络基础设施的备用电源。 镍镉电池 实用二次电池中，历史悠久的电池除上述铅蓄电池外可说只有镍镉电池了，它作为高性能、 高可靠性电池评价颇高。 它发明了 1899 年，全密闭化是1947 年。它有以下特点可用于广泛的用途： 可高效充放电；重复寿命长；容易

36、对付过充电、过放电；可长期放置；使用温度范围宽。 由于具有适应各种用途的特性，进而不同用途的专用电池的开发，更对扩大用途起了很大的 作用。 1.高容量化技术 由于镍镉电池的反应是快速移动的OH- 离子，与铅蓄电池相比，反应更为平稳，因此，其特 点是在高放电率下放电容量也几乎不下降。由于结晶构造基本上改变，故其寿命长。 通过提 高正极活性物质利用率及采用泡沫镍或镍纤维等多孔基体，可实现高能量密度化。 2.镍镉电池的构造 主要形状为圆筒形和方形。圆筒形构造把纸状正负极板介入隔离片后卷成涡卷状态，装入金 属造的外壳中， 注入苛性碱水溶液作为电解液，再用装有安全阀的封口板把上部封口。方形 刷则把若干长

37、方形的正负极板隔入隔离片后装入金属造的外壳中。 3.镍镉电池的特性 放电性能：放电中的电压变化小，即使放电电流增大，容量的减产也不大。 充电特性： 充电特性受电流、 时间、温度等的影响。 在充电电流大或温度低时电池电压上升。 此外，因充电发热，电池温度上升。 重复寿命：按普通使用方法可充放电500次以上。 保存特性：一般，如电池放置不用，由于自行放电容量下降，但通过充电可恢复。 4.专用电池种类 基本构造与一般用镍镉电池相同，而根据用途改进了需特性的电池即为专用电池。它不是用 途受至限制，而是在其用途下让它具有特别的特点。 高容量型：达到比标准型高4060% 的容量。 快速充电型：标准型电池的

38、充电需要1416小时，快速充电型的充电时间短，约1小时。 高温型： 它是用作建筑标准法规定的特种灯等防灾用照明器具的内装电池而开发的，即使在 外部温度很高（3545）下，仍能发挥高性能。 存储器伯务用：易失性半导体存储器件的停电补偿用。 5.展望 镍镉电池有负极的镉为环境污染物持，且有存储效应 （如持续进行浅放电便不能深放电的现 象）等缺点。 对镉来说根据有限资源的有效利用及地球环保的观点，建立电池回收体制及重复利用技术。 此外， 对存储效应的一种解决办法，可采取充电器放电之后再进行充电的方式。镍镉电池可 说已达到了能量密度的极限，但总体看来， 仍为二次电池中最佳的电池，今后亦将有广泛的 领域

39、。 镍氢电池 镍氢电池基本上是把镍镉电池的镉负极换成含氢合金构成，所以可说是对环境极佳的电池。 工作电压为 1.2V ，与镍镉电池一样。容量为标准型镍镉电池（普通用）的1.5 2.0倍，能量 密度高。虽是历史较短的电池，但是有与镍镉电池同样的特点，可望有广泛的用途。 1. 含氢合金负极的特性与课题 含氢合金含藏了近乎体积6001000 倍的氢。 为了发挥作为电池负极的功能，除含氢能力巨 大外，还要求以下几点： 氢的释放进度进度快； 在电池可使用的温度范围内，氢压（氢平衡压）低； 对氢的吸入、放出、难致合金成为粉末或弯向一边； 氧化不够的情况很少； 能稳定生产。 镍氢电池今后要大发展必须解决以下

40、课题： 在更宽的温度范围提高充电效率； 开发高容量含氢合金。 2.镍氢电池构造 其构造几乎与镍镉电池一样。 3.镍氢电池的特性 放电特性：放电电压几乎与镍镉电池相同。 充电特性：充电特性亦显示与镍镉电池很相似。 重复寿命：普通使用方法下可充放电500次以上。 保存特性：显示出镍镉电池大致相同的自行放电特性。 4.展望 负极采用的含氢合金比镉价格昂贵，对电池容量的性价比不及镍镉电池。上市当初用于PC 机及蜂窝式电话，现在已发展到电动工具、电动助力车、混合型到电动工具、电动助力车、 混合型汽车等高能用途。今后的发展在于含氢合金特性的改进和降低价格。 锂离子电池 使用金属的二次电池有望成为最高能量密

41、度的二次电池，在近年进行了积极的研究。但是， 鉴于在金属锂充放电时溶解析出过程中讨厌的可逆性，尚未找到对安全性、周期性的有效解 决办法，现在还主要进行基础研究。 作为解决安全性、 周期性的办法是把碳用作锂吸藏体的锂离子电池。与使用金属锂的电池比 较，虽然能量密度要低，但安全低及周期性有飞跃提高。 1.特点 能量密度度。尤其是重量能量密度比其他电池都高。 平均工作电压为3.6V ，相当于镍镉电池、镍氢电池的3倍。 在 -2060的温度范围内工作，低温下的工作优于其它电池。 无存储效应（镍镉、镍氢电池都有）。 自行放电比镍镉、镍氢电池小。 2.锂离子电池的构造 正极采用铝集电体上涂有正极活性物质l

42、iCoO2 的薄膜，负极用铜集电体上涂上碳的薄膜， 用聚乙烯多孔膜隔在之间，经过多重卷绕。 电解液浸透电极与隔离膜。正极端子装有防焊阀、 经隔断装置及 PTC 元件的安全机构。 3.锂离子电池的特性 放电性：由于随放电的进行电池电压缓慢下降，故可检测残存容量。 重复寿命：普通使用方式下，5001000 次充放电不成问题，而且容量不会急剧下降。 4.用途及今后发展 可装于移动电话、PC机、摄像机等。它具有以往电池所没有的3.6V 工作电压的重要特点， 将来有可能容量增大到400WH/1 以上。在快速充电、高负荷放电方面劣于镍镉、镍氢电池， 但此点是可以改进的。唯其价格最高，将来与其它二次电池分庭

43、抗礼会加快发展。 二次电池使用注意事项 勿投入火中，也别加热、分檄开和短路； 勿靠近明火或在烈使用、放置、拆开和充电； 别用槌子打砸或脚踩使其变形； 充电使用专用充电器或按规定的充电条件进行（二次电池充电时，切勿过充电， 这不仅关 系到电池寿命， 也是关系到安全性的问题。充电方式及电路自行设计，可向电池厂商咨询） 。 此外，锂离子电池的情况还不适合过放电。锂离子电池用的保护电路装有保护电池的开关元 件及其控制 IC。可防止过充电和过放电。最近，还开发了除这些功能外，还能有效利用电池 的IC 。通过电池与负荷设备对话的输出切断时序电路的采用，通过遥控器 ON/OFF 控制减少 设备停机时的损耗，

44、以及保护电路本身的低功耗化、电池平衡补偿功能等都是针对这个问题 的。据此， 除确保电池的安全性外，还可望延长工作时间及电池使用期，今后将逐渐成为标 准应用。 本文介绍了各种实用的二次电池，但一种电池不可能包揽一切，应用选择使用适合于设备的 电池。 对于需要大电流的设备，二次电池非常合适，但对于小电流又长时间工作的设备，建 议采用一次电池。 1C是指电池标称容量的电流，电池以一定的电流放电到3。0V电压时，时间刚好一小时，这 个一定的电流就是1C电流。不同国家的容量定义不一样，有的标称容量是以0.2C计算 ,有的 以1C计算 ,但 1C的定义是一样的. 高倍率放电 ,就是大于 1C到10C或瞬间

45、 20C电流放电 例1：16850电池容量： 2000毫安时（2安时） 高倍率 10C放电的意思是这个18650电池可以最大的工作电流瞬间达到20000毫安（ 20安）放 电， 1C=标称容量 2000毫安时 /时=2000毫安（ mA ）=2安（ A） 10C=20000毫安 (mA)=20 安(A) 尖晶石型锰酸锂 尖晶石型锰酸锂LiMn2O4 是 Hunter 在1981 年首先制得的具有三维锂离子通道的正极材 料，至今一直受到国内外很多学者及研究人员的极大关注，它作为电极材料具有价格低、电 位高、环境友好、安全性能高等优点，是最有希望取代钴酸锂LiCoO2 成为新一代锂离子电 池的正极

46、材料。 LiMn2O4 是一种典型的离子晶体，并有正、反两种构型。XRD 分析知正常尖晶石 LiMn2O4 是具有 Fd3m 对称性的立方晶体，晶胞常数 a=0.8245nm ，晶胞体积 V=0.5609nm3。 氧离子为面心立方密堆积(ABCABC .，相邻氧八面体采取共棱相联)，锂占据 1/8 氧四面体 间隙（ V4）位置 (Li0.5Mn2O4 结构中锂作有序排列：锂有序占据1/16 氧四面体间隙)，锰占 据氧 1/2八面体间隙（ V8）位置。单位晶格中含有56个原子 :8个锂原子， 16个锰原子， 32个 氧原子， 其中 Mn3+ 和Mn4+ 各占 50%。由于尖晶石结构的晶胞边长是普

47、通面心立方结构(fcc) 型的两倍，因此，每个晶胞实际上由8个立方单元组成。这八个立方单元可分为甲、乙两种 类型。每两个共面的立方单元属于不同类型的结构，每两个共棱的立方单元属于同类结构。 每个小立方单元有四个氧离子，它们均位于体对角线中点至顶点的中心即体对角线1/4 与3/4 处。其结构可简单描述为8个四面体 8a位置由锂离子占据，16个八面体位置(16d) 由锰离子 占据， 16d位置的锰是 Mn3+ 和Mn4+ 按1:1 比例占据，八面体的16c位置全部空位，氧离子占 据八面体 32e位置。该结构中MnO6 氧八面体采取共棱相联，形成了一个连续的三维立方排 列，即 M2O4 尖晶石结构网

48、络为锂离子的扩散提供了一个由四面体晶格8a、48f 和八面体晶 格16c 共面形成的三维空道。 当锂离子在该结构中扩散时，按8a-16c-8a 顺序路径直线扩散(四 面体 8a位置的能垒低于氧八面体16c或16d 位置的能垒 )，扩散路径的夹角为107 ，这是作 为二次锂离子电池正极材料使用的理论基础。 电池的定义 锂离子：这一技术是大多数消费产品中最流行的可充电电池技术。锂是最轻的金属，在所有电池配制中有最 高的能量密度。然而，它也极易发生化学反应，在充电过程中不稳定。电池中几乎都使用锂离子，这是更稳定的 形态。但是，这种离子形态在某些情况下仍会发生爆炸。（关于锂离子电池芯在过流情况下的图示

49、，见参考文献 A中的附文 “ Techflicks”。 ） 锂聚合物电池与锂离子有类似的规格，但具有半刚性和薄的形状因子，寿命则只有一半。它的“ 柔韧性 ” 经常 被误解， 因为锂聚合物电池安装在设备中时应保持平坦，在电池系统中安装时也不能折弯。它们的价格也较高 （参 考文献B） 。 镍基电池：两种最常见的是NiCd（镍镉）和NiMH （镍金属氢）电池。镍镉电池可以提供大电流，因此是 电动工具中必用的技术。例如，一支电钻要产生足够的扭矩就要获得大电流。但是， 由于镉是有毒的， 按照 RoHS （减少有害物质）的要求，在可能的情况下制造商必须逐步放弃镍镉电池。NiMH 在低成本系统中很流行，如 无绳电话。由于锂离子电池具备大电流和低成本的特点，因而它正在侵占NiCd 和 NiMH 的传统领地。 电池：一个电池是指在电池组中使用的一节电池。最常见的锂离子电池是18650，它是直径为18 mm、长 度 65 mm 的圆柱体（图A） 。 电池组：电池组是指一组电池，以及保护/鉴定 /安全电路（图B） 。大多数锂离子充电电池都是包含一个电 池的电池组，例如用于手机中的电池组，也有多达四个电池的电池组，如膝上型电脑中的电池。电池组