快捷搜索:

科学知识

当前位置:betway必威官网手机版 > 科学知识 > 电池在干电池和充电电池间寻找平衡点,生物充

电池在干电池和充电电池间寻找平衡点,生物充

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-10-05 06:02

《星战》系列作为永恒的经典,装载了一代人的记忆。在今年的星球大战日,连线网站就登了一篇文章专门研究《星球大战》中的机器人C-3P0到底需要背多大一坨电池的问题。

betway必威官网手机版,       日常生活中,可能我们看到的一般就是干电池或者是充电电池,圆柱形的偏多,比如18650圆柱电池,干电池,扣式电池(电子)等,其实还有很多不同形态的电池,比如软包方形电池,我们平时用的数码产品或手机等用的居多。根据电池材料的不同电池可分为锌锰电池、碱性电池、锂电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池等。深圳电池厂商告诉你各类电池不同的性能特点,以便平时在选购电池的时候能选到正确合适的电池。

1 依材质区分

电池在干电池和充电电池间寻找平衡点,生物充电器挑战电池续航瓶颈。智能手机电量不足、低能量是影响智能设备使用的“痛点”。目前众厂商的研发团队正极力在电池和续航能力上寻求突破,以满足强烈的市场需求。 据国外媒体报道,目前,智利几位工程师最新研制一种生物充电器“E-Kaia”,只需将手机、平板电脑等设备充电线插入室内植物土壤中便能充电,产品有望于今年年底实现销售。 处于实验室的生物充电器距离产业化或许还需时日,但这反映出,前言技术对发现新材料解决电池续航能力的积极态度。伴随技术进步,电池续航能力或许将不再是痛点。 花样翻新的生物充电器 根据媒体报告,E-Kaia从植物土壤中获取能量,再转换成为电能传输至手机等设备。E-Kaia的工作原理是植物在进行光合作用过程中会制造有机物质促进其生长,它将转换光能成为化学能。在植物根茎周围,微生物会分解这些有机物质产生能量促使植物生长,但会有一些电流作为副产物释放出来。阳光进入植物叶绿体,水分解为氧气、质子和电子。生物充电器的特征是一个电极捕获电子,再将它们以电流形式传输至用电设备。 一株植物生物充电器可输出电压为5伏,输出电流为600毫安,可以对智能手机充电1个半小时,也可以对台灯等设备充电。据悉,这支设计团队已得到智利经济发展局的资金支持。 对于生物充电器的探索并非仅有智利。去年8月,美国化学学会推出一个贴在身上的生物电池,通过人体排汗来获取能量。这种生物电池的能源来自乳酸,而乳酸存在于人剧烈活动后的汗水中。这一技术不久就能用于心脏监护器、电子表,甚至是智能手机。 美国化学学会报告表示:“这是第一个利用汗水的装置,现在能量还不够高,只有4微瓦,我们正在进行提升,以便能驱动小的电子装置。” 另在去年年初,英国《每日邮报》报道称,英国布里斯托尔市的一家机器人研究所在梅琳达和比尔。盖茨基金会资助下,成功实现用人类尿液培养微生物燃料电池来为手机充电。 目前,智能手机电量不足、低能量状态已影响正常的使用体验。如果哪一款生物充电器真的能研制成功,以后外出就不用担心手机续航问题。 难破电池技术瓶颈 值得注意的是,生物充电器技术还在研究中,其研发周期与量产使用时间还是未知数。事实上,业内一直在探索电池续航能力的解决之道。最早手机多使用的是镍镉电池,镍镉电池有着严重的记忆效应,每次必须完全放电后才能对其进行充电,否则电池就会进行记忆缩短使用时间。且镉元素有毒,镍镉电池在长时间通话后还会发热变形。 此后,镍氢电池开始用在手机中使用。相比镍镉电池其更轻、更薄、不再有毒,且能量密度也有所增大,同时电池记忆效应大大减小(仍需20次完全充放电),不过发热变形问题依然存在。 锂离子电池的使用是手机电池革命的里程碑。其重量很轻,与镍氢电池相比能量密度提升30%,不再有记忆效应。随着科技的发展又出现锂聚合物电池,其不但体积更小容量更高。从2007年1月第一代iPhone发布至今,锂电池技术被广泛应用。

由于近来电子产品愈来愈耗电,电池的能量密度差不多成了判断电池优劣的关键。但其实在能量密度之外,电量的保持力、充电的记忆效应、价格、回收难易度和会不会爆炸其实都有着相当的影响。充电电池和干电池在这些方面都互有输赢,但可惜没有一方是完美的,因此我们很高兴看到充电电池生产 Uniross 试着将两者的差距拉近些。

严格来说 C-3PO 的属性应该叫做Droid,也就是人形机器人。我们通常所说的机器人只是具有某种功能的高度自动化的机械,例如所谓的割草机机器人和扫地机器人,只能完成一种任务。与其说它们长得像人,不如说长得像踩了旱冰鞋的小强。抛开机器人的智慧程度不谈,以目前人类的科技水平,制造一个能够和人类体态类似、能够直立行走的机器人也是非常困难的,因此制造C-3PO这样的机器人在可以预见的未来仍然是天顶星才能掌握的技术。不过这并不妨碍我们先考虑模仿C-3PO的一部分功能。在wired.com的文章中,作者 Rhett Allain 的关注点则是 C-3PO 需要什么样的电池的问题。

        锌锰电池:电压较高(新电池的开路电压可达1 .5V)、价格便宜、但容最小、内阻大、稳定性不好;废电池对环境有污染。

■碳锌电池 Heavy Duty Battery

他们的 Hybrio 电池像干电池一样,包装打开就是充满电的,而且一包四颗附充电器售价仅 900 台币上下,让你有更好的理由说服自已丢掉干电池。在充电的部份,Hybrio 大约在一年后还能保有 70% 的电量,整个生命周期中大约可以经历 500 次左右的充电循环。

能量消耗的计数

首先我们需要一些基本的假设,当然主要还是依靠猜测,因为《星球大战》中并没有附带C-3PO的说明书,目前也没有可供查证的资料证明他的能耗。一个可能的办法是将机器人的能耗与人类比较,那么一个人每天需要多少能量呢?粗略说来大约是每天 1000 卡,也就是 1000 大卡,这个单位的存在又是对广大希望减肥的同学的摧残,如果你一直也分不清卡、卡路里、大卡、小卡之类的单位的话,请看下面的说明:

人们在谈论食物和营养的时候,最常用的单位是“大卡”, 1 大卡等于 1000 小卡,因此大卡也被称为“千卡”。 1 小卡才是真正的 1 卡路里,也就是将 1 克水的温度在 1 标准大气压下提升 1 摄氏度所需要的能量。细心的同学可能已经发现这个定义的问题了,因为水的比热在不同温度下是不同的,所以这个定义并不准确。卡路里在不同的场合还有不同的衍生定义:

● 营养学中常使用“15度卡路里”的概念:水温从14.5摄氏度提升到15.5摄氏度所需要的能量,大约是 4.1855 焦耳。

● 4度卡路里:水温从3.5度升高到4.5度所需要的能量。

● 平均卡路里:将水温从0度提上到100度所需要的能量除以100所得到的平均数,约为4.190焦耳。

● 国际蒸汽表卡路里:约为4.1868焦耳。

● 热力学和化学使用的卡路里:约等于4.184焦耳。

除了定义模糊,“卡路里”这个单位还经常被滥用。在食品包装上使用的“卡”实际上是千卡,所以如果看到某饮料上面的标识写的是 200 卡,可千万要注意这其实是 20 万卡路里。

        碱性电池:电压高(新电池的开路电压可达1.5~1.6V)、容量大,稳定性好、放置时间长、小电流放电性能极好、尤其适用于长期需要小电流放电的环境(如石英钟、收音机)中。但低温性能不好、大电流放电效果不好(单可适用于没有电流保护的闪光灯),废电池对环境有污染。

亦称为锌锰电池,是目前最普遍之干电池,它有价格低廉和使用安全可靠的特点,基于环保因素的考量,

当然,各种新电池技术层出不穷,但 Hybrio 似乎是个大进展 -- 大到世界自然基金会最近允许他们在包装上贴上他们的标志。如果有任何东西能激起我们买东西的欲望的话,那肯定是可爱的大熊猫了,对吧?

机器人消耗的能量

言归正传,如果我们假设 C-3PO 需要的能量是 1000 大卡的话,按照每卡路里等于 4.2 焦耳来计算,那么它每天需要的能量就是:

betway必威官网手机版 1

这也就是 420 万焦耳,当然只是 C-3PO 的起步价。 虽然这不太可能是 C-3PO 的真实能耗,不过下面的理由或许可以作为我们采取这个数值的辩护:

● 这是C-3PO!这位大兄弟跟许三多一样杵在那儿站一天军姿能需要多少能量?

● 他身体的大部分应该是金属制造的,估计他抬个胳膊做的功比人俯卧撑一下还大。

● 他有心脏和肺吗?估计他也是没心没肺,那就不用消耗能量去保证它们正常运转了。

● 他的脑袋用什么样的处理器呢?一般来说性能越高的处理器能耗也就越高,一般的笔记本电脑大概能耗是60瓦,如果功率恒定的话,那么使用一天消耗的能量大概是500万焦耳。

所以这些七七八八地算下来,要想准确地估算C-3PO 的能耗绝非易事,因此我们还是暂时先按照 420 万焦耳来计算吧。以这个数字为准的话,C-3PO的功率是多少?按照定义,功率就是消耗的能量除以时间,那么

betway必威官网手机版 2

既然这只是一个估算,我们就假设它是 50 瓦特好了。

         锂电池:电压高(不同规格的电池电压不同)、容量大、稳定性好、放置时间长、大电流和小电流放电性能都很好;使用中,电压长时间保持稳定、并下降缓慢;废电池对环境有严重污染。

由于仍含有镉之成份,因此必须回收,以免对地球环境造成破坏。

[原文连接]

《星球大战》中的电池

betway必威官网手机版 3

要想准确推算C-3PO所需要的电池类型,首先需要搞清楚两个基本问题:电池的续航时间(两次充电之间的时间)有多长?电池的体积有多大?

可惜《星球大战》中没有介绍C-3PO多久需要打尖多久需要住店,就像武侠小说中的大侠一样,从来不需要去五谷轮回之所,让敌人追急了还能不吃不喝日行千里夜行八百。在《星球大战》中,天行者卢克只是给 C-3PO 洗过油浴,免得他到时候腰酸背痛腿抽筋。可他似乎从来没有给C-3PO冲过电。

理论上说 C-3PO 的确是应该定期充电的,除非他像哆啦A梦一样,体内有一个能将食物转化成能量的原子炉(传说中的 2112 年科技)。如果你不幸拥有一个需要充电的 C-3PO,你希望多久给C-3PO充一次电呢?我想怎么也要比手机强点吧,或者再贪心点,假设1周充一次电怎么样?如果按照他的平均功率是 50 瓦特计算的话,那么每次充电的所需要的能量就是3000万焦耳。

C-3PO的电池如果有这么大容量的话,那么体积应该是多大呢?从剧中来看,他背上这一坨似乎就是传说中的电池:

betway必威官网手机版 4

如果C-3PO的身高大约与人类相仿的话,那么这个电池大概有25厘米宽、15厘米高,再加上10厘米的厚度(从上图来看可能没有这么厚,不过侧视图相对明显)。

这样算来,电池的体积就是3.75 x 10 3 立方米,那么能量密度是多少呢?按照定义,能量密度就是每单位体积所储存的能量,我们这里借用表示物质密度的希腊字母 ρ 来代表能量密度,那么

betway必威官网手机版 5

换算下来也就是 8 百万焦耳/升,参考维基百科上的能量密度表,大约比锌空气电池的能量密度稍高,比液氢的能量密度稍低。是普通锂离子电池的4-10倍左右,是镍氢电池的6倍左右(不过C-3PO肯定不想用镍氢电池,否则电池的记忆效应恐怕就要变成他的记忆效应了)。锌空气电池的在封存时虽然基本没有自放电,但是它不能充电,一般常用在助听器等设备上,因此如果 C-3PO 用锌空气电池的话,他每周得去买块新电池换上才行。唯一的好处是在茫茫星际之中,随意丢弃几个废电池估计不会造成太大的污染。

         镍镉电池:电压比碱性电池和锌锰电池都低(正常电压为1.2V,刚充满电时电压可达1.3V);相对于镍氢电池价格使宜、但容量比镍氢电池小;内阻小、稳定性不好;有明显的记忆效应。充电不满或放电不彻底都会影响电池的容量、低温性能不好、小电流放电效果不好,仔细充电可反复充电200-500次;废电池对环境有严重污染.

■碱性电池 Alkaline Battery

注:世界自然基金会(Worldwide Wildlife Fund for Nature, WWF)的标志是大熊猫。

用干电池的C-3PO

如果有一天你买了一个C-3PO,只是包装盒上写着“电池另售”怎么办?特别淘宝、eBay、亚马逊都买到 C-3PO 的专用电池怎么办?是不是可以考虑改造一下C-3PO,让他试着换个口味尝尝舌尖上的地球,比如干电池?当然选用干电池的另一原因是原文作者Rhett Allain之前已经研究过干电池的能量密度了,根据他的研究成果,一节质量比较好的干电池存储的能量大概是1万焦耳。如果C-3PO需要3000万焦耳的能量的话,他就需要3000节五号电池才行。3000节五号电池是什么概念呢?

betway必威官网手机版 6

16节排列成方阵的五号电池的体积大约是5.5厘米×5.5厘米×5厘米,体积大约是9.45E-6立方米,那么3000节这样的电池放在一起的体积大约是2.8E-2立方米。如果将它们放在一个正方形的盒子中的话,每边的边长大约是30厘米。尽管比上面推测的C-3PO原装电池大了7倍,但是还没有我们想象中的那么夸张。 下图就是背上干电池的C-3PO的大概样子:

betway必威官网手机版 7

虽然没有大到不能忍受的地步,不过看来C-3PO在地球上是没法躺着睡觉了……

上面的计算有很大的推测成分在内,不过《星球大战》本来也是编的,我们就把这个电池当做送给C-3PO的礼物好了。

原文来自: wired.com

        镍氢电池:电压比碱性电池和锌锰电池都低(正常电压为1.2V,刚充满电时电压可达1.3V);但容量大、内阻小、稳定性好;充电电流大、充电时间短、耐充性强,没有明显的记忆效应;低温性能好、大电流放电效果极好(非常适用于闪光灯、数码相机、手机和笔记本电脑);仔细充电可反复充电500次以上。好的镍氢电池如瓦尔塔(VARTA)、可充电1000次,甚至1200次;废电池对环境严重污染很小。

亦称为碱性干电池,适用于需放电量大及长时间使用。电池内阻较低,因此产生之电流较一般锰电池为大,而环保型含汞量只有0.025%,无须回收。

         锂离子电池:电压高(不同规格的电池电压不同)、容量大,内阻小、稳定性好;大电流放电性能好;使用中,电压长时间保持稳定,但一旦电量耗尽,电压会一下子降到0;完全没有记忆效应,充电不满或放电不彻底都不会影响电池的容量、低温性能不好、小电流放电效果不好、仔细充电可反复充电400-500次;废电池对环境有严重污染。

■水银电池 Silver Oxide Button Cell

水银电池,因为污染和电容量之故线已逐渐被锂-锰配方取代

■锂电池

■镍镉充电电池 Ni-Cd (Nickel Cadmium Battery)

已为大众早期广泛使用,可重覆约500次之充放电,但约10次充放电后即会产生记忆效应;另一个缺点是,在充放电时,阴极会长出镉的针状结晶,有时会穿透分隔物而引起内部枝状晶体式的短路。由于含有镉之成份,因此必须回收。

■镍氢充电电池 Ni-MH (Nickel metal Hyoride Battery)

为目前市场主流之充电电池,它是使用氧化镍作为阳极,以及吸收了氢的金属合金作为阴极,一般可进行500次以上的充放电循环。由于不含汞及镉之原料,不必回收。

■锂充电电池 Rechargeable Lithium ion Battery

■铅酸电池 Sealed Lead-Acid Battery

■太阳能电池

在化学电池中,根据能否用充电方式恢复电池存储电能的特性,可以分为一次电池和二次电池(又名蓄电池,俗称可充电电池,可以多次重复使用)两大类。一次电池又可分为普通锌锰、碱性锌锰、锌汞、锌空、镁锰和锌银六个系列;二次电池主要有镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、碱锰充电电池和铅蓄电池等类型。在数码设备中,常用的电池类型是干电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等。

■干电池

这是使用最普遍的电池类型之一,很多人用过干电池,但了解其构造的人却不多。一般我们常用的干电池又称为锌锰电池。可分为碳锌电池(Carbon-Zinc)和氯化锌电池 (Zinc-Chloride),其优点是能量密度较高,电流密度适当,易实现机械化生产等。在大卖场中这两类电池被成盒成盒的以低廉的售价拍卖着。但很可惜的由于能量密度不足,一般这种电池只用于耗电量较小的电子产品,如:闹钟,计算器等。如果你打算用他来驱动你的数码相机恐怕你会大失所望。

圆筒型锌锰电池因隔离物的区别可分为糊式锌锰电池和纸板锌锰电池。其中纸板锌锰电池因配方组成的差异引起电性能的不同,又分为C型纸板电池,也称为高容量电池;P型纸板电池,又称为高功率电池。, 一般超市或零售市场上的干电池皆为此类电池,其标示为Super Heavy Duty。"C"型的电力容量较"P"型电池低约20%, 一般随货赠送的电池多为此类电池,干电池的包装分为纸壳, PVC, 铁壳及铅皮等四类包装, 同时依含汞量(基本标准为15ppm)来区分还有环保和非环保之不同。

本文由betway必威官网手机版发布于科学知识,转载请注明出处:电池在干电池和充电电池间寻找平衡点,生物充

关键词: