电池的性能退化一方面是使用和老化的自然结果,另一方面则由于缺乏维护、苛刻的使用环境以及不良的充电操作等等加速其劣化。下面将探讨充电电池各种难以克服的问题、其原因及弥补这些问题的方法。
高的自放电率
各种电池都存在自放电,但使用不当会促使这种状态的发展。自放电率呈渐近线规律,最高的放电率出现在刚充电之后,然后逐渐减小。
镍基电池表现出较高的自放电率。在正常环境温度下,新的镍鎘电池充电后,在第一个24h期间其电高 量约减少10%。此后,自放电率稳定至每个月约10%。通常温度较高,其放电率也增大。一般的准则是:温度每升高10℃自放电率增大1倍。镍金属氢化物电 池的自放电率比镍鎘电池约大30%。
镍基电池经过数百次循环后其自放电率也增大,电池的极板开始膨胀从而更紧密地挤压电极之间的隔膜,形成金属树枝状晶体,这是结晶体生长的结果(记忆效应),从而损坏了电池隔膜,增大了自放电率。如果镍基电池在24h的自放电达30%时,应予弃用。
镍离子电池在充电后的第一个24h的自放电率为5%。此后下降至每月1%-2%,电池的安全保护电路增加约3%。高的循环次数和老化对锂基电池的自放电率没有影响。铅酸电池的自放电率约每月5%或者每年50%,重复性的深度循环充放电则使自放电增大。
电池自放电的百分率可用电池分析仪加以测定,但此程序需要数小时。测得的电池内阻常可反映电池的内阻是否过高。此参数可用阻抗计测量或用电池分析仪的欧姆测试程序。
电池的匹配
即使采用了现代化的生产制造技术,电池的容量也不可能准确预测,尤其是对镍基电池。制造过程中,将 每个电池以其容量的大小加以检测并分类。高容量「A」类电池通常以优质级价格按特殊用途电池出售;中等容量「B」类电池应用于工业和商业产品;低端「C」 类电池则以廉价出售。通过循环充放电并不能改善低端类别电池的容量。购买低价的可充电电池所得的是低电池容量。
在以多个电池组成的电池组中,电池的匹配应控制在±2.5%以内。在组成电池个数多的电池组中,以 及需输出大负载电流和在低温下工作的电池组,需要更严格的电池容差控制。在一个新的电池组中的各个电池如果稍有小的失配,在经过数次充电循环后,将能互相 平衡自行适应。电池之间能否很好地平衡适应,关係到电池组是否具有较长的使用寿命。
为何电池的匹配如此重要?这是因为一个「弱」电池含有的容量较小,它比「强」电池更快地放充电。这 种放电过程的不平衡导致「弱」电池在放电经过低电压时,电池极性会反转。在充电时「弱」电池在被充过程中首先进入发热过充状态,而此时较强的电池仍能正常 地接受充电并不发热。在这两种情况下「弱」电池处于不利的状态,使它变得更「弱」而导致严重的失配。
优质电池比低质量电池的电容量更为一致也更为均衡。对高端大功率工具应选用高质量电池,因其在大负荷和极端的温度环境下可有高的耐久性。虽付出高成本,然而其回报是电池组有更长的寿命。
锂基电池从生产线上下来时其本质性能就匹配得很好。在电池组内部各单个电池需符合严格的容差是非常 重要的。电池组所有的电池必须在统一的时间之内达到充电满量,而且在放电终结时达到同样的门限电压。电池组内置的保护电路应在电池出现不正常的工作状态时 起到安全保护作用。
短路的电池
电池生产厂商常常无法解释当电池还处于较新的状态时,为何某些电池显示出高的漏电率或者出现电气短 路。其可疑的原因是电池在制造过程中可能混入了外来颗粒杂质。另一种是电极上的粗糙点造成对隔膜的损伤。因此对电池应改善其制造过程,这可大大地减少电池 的「早期失效率」(infant mortality)。
深度放电造成电池的极性反转也会导致电池短路。如果镍基电池在大电流放电至彻底放光时,这种状态也可能出现。高的反向电流可造成永久性的电短路。另一种原因是由不可控的晶状体的形成导致的隔膜损伤,这就是所谓的记忆效应。
采用瞬时大电流脉冲试图修復短路的电池,其成功率极为有限。这种短路可能暂时被蒸发,但是对隔膜材 料的损伤依然存在。这种修復后的电池常表现有高的放电率并且短路还会再次出现。在一个已老化的电池组中更换某个短路电池并非可取。除非这个新电池在电池电 压和容量上与电池组中的其它电池性能一样是匹配的。
电解液的损耗
电池虽然都是密封的,但在其使用寿命期间会损失一些电解液,特别是如果由于粗心不适当充电产生过大 的气体压力以致出现气体排放。一旦出现气体排放,在镍基电池上的弹簧加压的排气密封垫可能难以完好地再封闭,从而造成密封垫周围淀积起白色粉末,电解液的 损耗最终将降低电池容量。
渗透或是在气阀调节的铅酸电池(VRCA)中电解液的损耗是一个久已存在的问题。其原因是过充以及在高温下工作造成的。用加水补充电解液的损耗成效是有限的,虽然可以部分地恢覆电池容量,但电池的性能将不甚可靠。
如果正确地充电,锂离子电池应不产生气体以致出现排气的问题。但是锂离子电池在某些条件下也会产生内部压力。某些电池内部配置——电路开关,当电池压力达到某个临界值时,该开关可切断电流。另外有些电池则设计成一种可控的方式或打开安全隔膜以释放气体。