基本电学公式
首先来介绍几个很简单的基本电学公式,希望让没有电子方面背景的读者们能对几个物理现象有点概念.
电压(V) = 电流(I) x 电阻(R)
电荷量(Q) = 电流(I) x 时间(T)
功率(P) = V x I =
能量(W) = P x T = Q x V
任何物体都有阻抗,在阻抗两端加上一电位差则会产生电荷流过该阻抗,阻抗越大则单位时间内(一秒)流过的电荷量越小,阻抗越小则单位时间内流过的电荷量越多.若将电位差增大则单位时间内流过的电荷量越多,将电位差减小则单位时间内流过的电荷量越少.此电位差称之为电压(V),单位为伏特(V),单位时间内流过的电荷量多寡称之为电流(I),单位为安培(A),阻抗称为电阻(R),单位为欧姆().电流(I)强度越大表示单位时间内流过的电荷数目越多,那麼在在T秒内流过电阻的电荷数目总共有I x T,用以描述此电荷量多寡的名词为电荷量(Q),俗称称电量,单位为库仑(Q).电阻消耗的功率(P)为I x V,单位为瓦特(W),消耗功率越大代表越耗电.,消耗的能量(W)为 P x T,单位为焦耳(J),时间越久消耗能量越大,同样时间消耗功率越大的消耗能量也越大.
例如: 一颗1.5V的乾电池接上0.5的灯泡时,消耗电流为3A,消耗功率为4.5W,10秒钟内共流过了30库仑的电荷,消耗了45焦耳的能量. 镍镉电池 的材料电池的分类有很多种,在化学电池中不可充电用完就扔掉的电池称为一次电池,可以多次充电再使用的电池称为二次电池,而镍镉电池是属於二次电池中碱性蓄电池的一种.镍镉电池在材料方面阳极是使用过氧氢氧化镍,阴极使用镉化合物之活性物质,电解液则是使用氢氧化钾等碱性水溶液.当对 镍镉电池 充电时,会在阳极上面产生氢氧化镍,在阴极上面产生金属镉,因而在两极间形成了电位差.将 镍镉电池 的阳极和阴极两端外接负载放电时,阴极端产生带负电的电子经由外接负载流向阳极,因此提供能量供外部负载消耗.
过度充电
在充电过程中电池的电压会随著储存电量的增加而逐渐上升,当电池储存的电量达到饱和电极材料无法继续充电时,若继续充电则电解液会起电解,并且在阳极产生氧气,在阴极产生氢气,如此会在密封的电池内部造成内部压力上升,会对电池内部结构造成破坏.像这种现象称之为过度充电.
为了避免过度充电电池遭毁损,通常将阴极之容量制作得比阳极容量大,如此当过度充电时阳极会先达到饱和并产生氧气,而阴极却未饱和而不会产生氢气,阳极产生的氧气扩散到阴极之后会与充电产生的金属镉起化学反应吸收掉氧气,且此反应的速度与金属镉产生的速度平衡,因此可以有效地避免电池的压力上升.但是若充电电流过大(使用快充时)就会失去平衡,电池的内压过大会将电池的安全阀推开,氢气和氧气会泄漏到电池外部,直到压力降低安全阀关闭电池才又再密封起来.但是气体的泄漏已使得内部化学材料减少,造成电池寿命的缩短.
充电电压的变化
电池过度充电时,因为阳极产生的氧气与阴极起化学反应会产生热,使得电池温度会上升外壳发烫.由於温度越高电池的充电电压会变得比较低,因此充电时电池电压会持续上升直到过度充电时,电池温度会突然地快速上升,电压不再上升转而由峰值开始下降.
标称电压
镍镉电池在标准放电条件下放电时,电压会缓缓地下降直到当电量几乎释放完时,电压会大幅度地下降,此电压值称之为标称电压.一般 镍镉电池的标称电压为1.2V,与一般乾电池标注的1.5V是相同意思,都是标注於电池外壳上面. 镍镉电池只要有电量电压值一定至少在标称电压1.2V以上,储存的电量越多电压也越高.
放电终止电压
电池在放电时其电压会随著电池电量的减少而逐渐降低,当电压降到所要求的准位时就不再让它继续放电,称为放电终止,而此电压准位称之为放电终止电压.通常厂商建议的放电终止电压约在0.9V ~ 1.1V左右,电压放电到此准位时电量几乎已经放光了,此状况称为完全放电.镍镉电池已经完全放电了还不移掉负载而让它继续放电下去,那麼就成了过度放电,电压会急速下降直到0V为止.若电压尚未降到0V左右就终止放电,则电池电压会自动快速回升到标称电压1.2V左右.
过度放电
镍镉电池的一大致命伤就是被过度放电,将放电终止电压设定在此状况下,不但没有电力可以推动负载,对电池寿命也会造成损害.而且一旦不慎让电压继续下降到几乎等於0V时,就算想终止放电把负载移走恐怕也来不及了,电池的电压无法再自动回升,一般的充电器也无法再把电充进去,它的电压会一直固定住停留在0V不动.此刻的它就像是中风似的瘫痪在那边,就别说折寿了,更是往往一命呜呼哀哉不能再使用了.
电池容量的定义
电池的容量系指对电池放电,直到电压降到终止电压为止,在这期间所能取得的放电电荷量.若是在规定的电流和温度等标准放电条件下,对充饱电的电池进行放电直到放电终止,所得到的容量称之为额定容量(或标称容量).容量的大小与其所消耗的电极材料之活性物质的量有关,而标准放电条件则是依照电池种类的不同有所规定.容量是根据电池的放电反应来定义,而非充电反应来定义,因此我们常说的电池容量有多大,是指放电时可得到的累积放电电荷量有多少,而非充电时流进去的电荷量有多少.
电池容量的表示法
电池的容量的大小,可以用[(放电电流)x(电压降到放电终止电压所经之放电时间)],计算后所得到的值来表示.之前所介绍的基本电学公式中,电量为电流x时间,单位是库仑(Q),电池若以多少库仑来表示电池容量的话,可能是比较不好理解,因此电池的容量都是把电流x时间的值,直接以C=IT(单位以mAh或Ah)来表示,其中C是容量(与库仑是同意义),I是电流,A是安培,mA表示电流大小为豪安(千分之一安培,A),h代表小时(hour),也就是说以千分之一安培的电流放电一小时所累积的放电量为1mAh.因此C=I x T = 多少mAh, mAh就是库仑的等效表示方式.通常电池的外壳包装上面都会标明电池的额定容量,用来表示该电池的最大容量.新的镍镉电池在第一次充放电时容量都可以达额定容量,但容量会随著充放电次数的增加而减少.
例子: 以1安培电流放电需要二小时才能将电池电量放光,那麼电池容量约为2000 mAh.若将电池容量以库仑来表示的话,那麼C = I x T=1A x 7200 sec =7200 库伦.您是不是也发现用2000 mah来表示比用7200库伦来表示比较不空洞而明了多了呢。
C表示式
电池除了以安培(或毫安)做单位来表示电池的充放电流大小之外,也使用英文字母C(capacity)来当作额定容量(电流x时间)之电流部分,以它做为电流大小衡量的单位.比如说额定容量600mAh的电池,C就是600mA的意思,所以电流1C就是600mA,电流2C就是1.2mA,电流0.1C就是60mA.以后购买电池时若在规格上找不到充放电流的安培数时,请先别著急,别忘了找找看有没有写著多少C喔.
充放电率
所谓充(放)电率是将全部容量的电荷放(充)完所需要的时间,做为充(放)电时的标准速度.一般用来说明放(充)电的速度是多少,比如说二小时率的放电,是指用0.5C的电流,在二个小时的时间将电池全部容量放完.20分钟率表示用3C的电流在20分钟内将电池额定电量全部放完.在厂商的电池规格书上面,也常使用小时率来表示标准放电时间,只要根据额定容量来换算就知道标准放电电流是多少了.通常厂商提供的规格上额定容量是以温度20℃,而放电是以5小时率0.2C的条件来量测.
充电效率
电池不可能充多少电量进去就能储存有多少电量,一定会有所耗损,除了阳极和阴极漏电间的绝缘体漏电之外,材料也不可能无瑕地储存所有电量.电池放电时取出的电量与充电时流进去电池的电量之比,称之为充电效率.
通常电池厂商都是建议充电量必须为额定容量的1.5倍,才能将电池充饱.也就是说若以0.1C的电流充电需要充15小时,以3C的电流充电需要充半小时,虽理论填充量是额定容量的1.5倍,但实际填充量差不多刚好为额定容量.
利用率
虽然理论上电池的额定容量很大,但实际上充饱电后再放电时可得到的电量却往往小於理论容量,表示电池可储存的实际储存容量并没有那麼大,此实际容量相对於理论容量的比率称之为利用率.通常电池的放电电流越大,或者周遭温度降低时,利用率会减小.
放电深度
电池放电时所放电量与所储存电量的比率称之为放电深度,比百分比表示.例如放电深度20%表示电量放电到剩下80%电量的程度.