数码设备使用锂电池

芜湖市中学生 化学论文评选 数码设备使用锂电池的新途径

学校：芜湖一中 班级：高一24

学生姓名：张淼、刘淳渌、王序然 指导教师：杨勇 字数：2800

撰写时间：2014年2月

数码设备使用锂电池的新途径

摘要：数码设备的广泛应用和不断升级对电池提出了更高的要求，传统干电池、

充电电池存在较大缺点，新技术利用成本低廉的电子线路改变电压，让锂电池去适应数码设备的用电要求。通过实验，我们对这一技术创新加深了理解，得出了肯定性的结论。

关键词： 充电电池 锂电池 电压变换

研究途径： 实物测评、网络资料收集、向专业人士请教 研究成果： 评测报告与研究性学习小论文

使用设备： 镍镉、镍氢、镍锌电池、磷酸铁锂电池与相应的充电器 数种锂电池与充电器

电压变换1.5V锂电池与充电器

可通过RS-232串口连接电脑的明智牌智能充电器 数字万用表

带电参数测量的智能电源插座 主要研究步骤：

1）发现问题，确定研究目标 2）通过网络和专业书刊查找资料 3） 向专业人士请教

① 资深摄影家、业余无线电HAM张先生（电池使用者） ② 同学家长，电子商行经营者，电子技术专业人士 4） 各人收集各种电池、充电器，选择合适的实验器材 5） 充电，用带电量测量的智能插座估测电能-化学能转换效率 6） 放电，利用专业设备、软件绘制放电曲线 7） 分析、讨论、写出研究性学习报告

研究过程实况：

数码设备的广泛应用与逐步升级对其电源——电池提出了更高的要求。一般而言，数码设备使用的电池主要有传统干电池、镍镉或镍氢充电电池与锂电池。传统干电池具有全系列各种标准型号，易于取得等优点，但其只能一次性使用，性价比低的缺点，且对环境可造成严重污染。目前它的使用范围日益萎缩，所以我们本次实验中将其排除在外。鉴于类似的原因，一次性锂电池我们也未加考虑。

我们通过实验，对能找到的几种充电电池进行了比较。 1）镍镉、镍氢充电电池：

电能用完以后可以充电，反复使用，性价比较高，目前生产成本得到了较好的控制，单价下降了很多。但充电时间长、镍镉电池还有记忆特性，使用很不方便。特别是，由于其电化学的基本特性，决定了单只电池输出电压为1.2V，低于大多数数码设备的标准电压基数1.5V，电池的电能往往还没有用尽，由于电压下降，就已经导致数码设备不能工作了。

镍镉、镍氢充电电池工作的电化学反应式如下：

2）锂充电电池

为了解决上述两种电池存在的问题。许多厂家都在数码设备中改用了3.2~3.7V的锂充电电池。锂电池具有充电快、容量大等优点，但也具有电压偏高的缺点，特别在集成电路发展到纳米级别，安全工作电压逐渐降低的条件下，更是不合时宜。同时各种数码设备所用的锂电池种类繁多，外形各异，通用性极差，

有时甚至设备还是好的，但对应型号的电池已停产，结果设备就报废了。

此外，由于几种锂电池因化学工作方式有差异，输出电压有3.2V与3.7V之分，也容易误用，威胁设备安全。

为了解决这些问题，人们想出了许多方法。

改进途径一： 对传统的镍系电池加以改造，提高输出电压、对干电池加以

改造，使其能充电，循环使用

从镍镉、镍氢充电电池发展出一种镍锌电池，提高了电极电位，把输出电压分别提高到1.6V。又从干电池发展出一种碱性锌锰充电电池，输出电压仍为1.5V。它们都属于二次电池，具有充电功能。但前者使用寿命很短，后者容易腐烂，电解液外溢。在我们走访中，使用者印象普遍不佳，销售者也不愿进货。

改进途径二： 使用磷酸铁锂充电电池

磷酸铁锂充电电池是锂电池的新品种，具有很大的发展空间。其工作的电化学反应式是：

磷酸铁锂充电电池单只输出电压为3.2V，外形与 常见的AA或AAA电池一样，原来使用AA或AAA 电池的数码设备，每两节可以用一节磷酸铁锂电池加 一个占位筒替代。

磷酸铁锂电池电性能好，充电快，虽然单位质量可存储的电能不少，但由于密度低。所以体积不小。它还有不耐低温的缺点。同时，原设计使用奇数节干电池（如4.5V）的数码设备也是无法使用磷酸铁锂电池的。

磷酸铁锂充电电池更适合电动汽车等大型用电器，用在便携的数码设备上有点不太合适。

改进途径三：使用高效率的电压变换技术调整锂电池输出电压

如今，电子电路与锂电池或聚合物锂电池的生产技术都已经非常成熟了。电子电路的成本极为低廉。既然电化学告诉我们，几种电池的输出电压是不

能随意改变的，勉强改变也会导致效率下降，带来种种弊端，我们为什么不能在尊重客观规律的基础上，另辟蹊径呢？

人们在每一节输出电压为3.7V的锂电池上，加装一个微型的电子电路，实行电压变换，输出1.5V电压。这样，电芯依然是效率高、性能好、成本低、技术成熟的锂电池，充电时按3.7V接入，放电时通过电子电路转换为1.5V输出。

由于可以把外形做的与传统AA或AAA电池一样，所以它和传统电池可以轻而易举地互换。这真是一个巧妙地创新。

接着，我们对所收集到的几种充电电池进行了如下测试：

① 用明智牌智能充电器通过RS-232串口转换线接入电脑USB口，把充满电的电池放在智能充电器上放点，用充电器所附软件绘制放电曲线。

左图曲线为电池端电压随时间变化的对应关系图像。由于所选的四种电池电压接近，所以把放电电流统一控制在570毫安左右。四种电池标称容量（mAh）分别为： 电压变换锂电池 2800 镍锌电池 2500 锌锰电池 2300 镍氢电池 2000

从放电曲线可以看出镍氢电池（蓝线）放电时间长，可惜输出电压低。镍锌电池（棕色线）、锌锰电池虽然提高了输出电压，但放电时电压很快下降。相比而言，带电压变换电路的锂电池（红线）则表现良好。

磷酸铁锂电池因电压不适于明智牌智能充电器，故没有参加测试。 ② 充电器通过可测量电功率的插座接电，查看完全充电阶段的实际电功率，

统计充电时间，计算一次充满电所耗电能

变换电压锂电池 镍锌电池 5.0 177 53100 14400 0.271 镍氢电池 5.9 113 40002 80 0.216 充电功率（W） 1.9 充满时间（min） 294 所耗电能（J） 标称储量（J） 比率 计算公式：

耗能 = 充电功率*充满时间*60

33516 15120 0.451 储量 = 标准放电电流*标称电压*3600

从上表可以明显看出，电能转化为化学能的效率，锂电池较高，其余两种持平。特别要指出的是这个表中的数据只有参考价值。因为这是单次试验的结果，何况电池容量也存在虚标，充电过程中，供电功率也会变化，估算的电量及转换效率都会有较大的误差。但大体趋势还是比较明确的。

结论：1）锂电池是性能优异，技术成熟的供电电源。

2）使用微电子电压变换技术，可以充分发挥锂电池的优点，又可以

照顾到数码设备的使用需求，是一种巧妙的设计，值得推广。 3）创新要建筑在充分尊重客观规律的基础上，要努力把数种成熟的

技术整合起来，创造出新的产品。

后记：通过这次研究性学习活动，我们深刻体会到创新思维在生产、生活中的巨大作用。同时也感受到自己的不足，我们遇到了很多困难，很多资料、高校的课本很难看懂，动手能力更是低下。我们的论文是在老师和其他专家的指导下，几易其稿，勉强完成的。但我们仍然非常高兴，活动给我们带来了新的体验与认识。我们一定要带着探索的精神，更积极地投入到今后的化学学习中去。

（第三稿）

参考文献：

① 因特网

② 《图解实验观察大全（化学卷）》 [日]长仓三郎、武田一美 人民教育

出版社 （2009-10）

③ 《手机电池中的化学》 刘孝贤 山东科教出版社 （2009-09） ④ 《基础电化学及其测量》 郭鹤桐、 姚素薇 化学工业出版社 (2009-01) ⑤ 《电世界的奇葩—话说电化学》 谢乃贤 湖南教育出版社（2013-05） ⑥ 《GEEK（极客）》杂志