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电池与环保
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发布日期：2009-04-23 |
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废旧电池潜在的污染已引起社会各界的广泛关注。我国是世界上头号干电池生产和消费大国，有资料表明，我国目前有1400多家电池生产企业，1980年干电池的生产量已超过美国而跃居世界。1998年我国干电池的生产量达到140亿只，而同年世界干电池的总产量约为300亿只。
如此庞大的电池数量，使得一个极大的问题暴露出来，那就是如何让这么多的电池不去破坏污染我们生存的环境。据我们调查，废旧电池内含有大量的重金属以及废酸、废碱等电解质溶液。如果随意丢弃，腐败的电池会破坏我们的水源，侵蚀我们赖以生存的庄稼和土地，我们的生存环境面临着巨大的威胁。如果一节一号电池在地里腐烂，它的有毒物质能使一平方米的土地失去使用价值；扔一粒纽扣电池进水里，它其中所含的有毒物质会造成60万升水体的污染，相当于一个人一生的用水量；废旧电池中含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰等，其中镉、铅、汞是对人体危害较大的物质。而镍、锌等金属虽然在一定浓度范围内是有益物质，但在环境中超过极限，也将对人体造成危害。废旧电池渗出的重金属会造成江、河、湖、海等水体的污染，危及水生物的生存和水资源的利用，间接威胁人类的健康。废酸、废碱等电解质溶液可能污染土地，使土地酸化和盐碱化，这就如同埋在我们身边的一颗定时炸弹。因此，对废旧电池的收集与处置非常重要，如果处置不当，可能对生态环境和人类健康造成严重危害。随意丢弃废旧电池不仅污染环境，也是一种资源浪费。有人算了一笔帐以全国每年生产100亿只电池计算，全年消耗15.6万吨锌，22.6万吨二氧化锰，2080吨铜，2.7万吨氯化锌，7.9万吨氯化铵，4.3万吨碳棒。尽管先进的科技已给了我们正确的指向，但我国的电池污染现象仍不容乐观。目前我国的大部分废旧电池混入生活垃圾被一并埋入地下，久而久之，经过转化使电池腐烂，重金属溶出，既可能污染地下水体，又可能污染土壤，最终通过各种途径进入人的食物链。生物从环境中摄取的重金属经过食物链的生物放大作用，逐级在较的生物中成千上万倍地富集，然后经过食物链进入人的身体，在某些器官中积蓄造成慢性中毒，日本的水俣病就是汞中毒的典型案例。
电池一般分为一次性电池和充电电池。主要的一次性电池包括锌锰电池(含锌及二氧化锰)、锌汞电池（含锌及氧化汞）及锂电池等几类。主要的充电电池则包括镉—镍、铁—镍、锌—银、锌—空气和锂—硫化铁及铅酸蓄电池等。我们日常生活中使用最多的是锌锰电池及锌汞电池，而使电池造成污染的主要是汞（Hg）和镉(Cd)。
汞的毒性
汞即我们俗称的“水银”，是一种常温下为液体的物质，可以阻止电池中阴极金属锌的氧化，这一作法提高了电池的贮存寿命。因此，早在以前采用的锌做阴极度的电池几乎都有一定量的汞做防腐剂。但是汞和汞的化合都具有神经毒性，对内分泌系统，免疫系统等也有不良影响，它会引发人的口齿不清、步态不稳、四肢麻痹，最后导致全身痉挛，精神失常而死。
长期以来，我国在生产干电池时，要加入一种有毒物质——汞或汞的化合物。我国的碱性干电池的汞含量达1%~5%，中性干电池为0.025%，全国每年用于生产干电池的汞就达几十吨之多。随着科技的进步，电池开始逐渐实行低汞化和无汞化，汞的代替品表面活性剂Forafac氟化聚合物，在防止锌的腐蚀上取得了良好的效果。
镉的毒性
镉不是人体所必需的痕量元素，新生婴儿体内并没有镉，而是随着年龄的增长，逐渐累积起来的。镉具有肾毒性，它所致的肾损伤是不可逆的。同时肾损伤后还可能继发骨质疏松、软骨症和骨折。在1993年，国际抗癌联盟就将镉定为IA级致癌物。基于以上原因，许多发达国家已建议禁止使用镉镍电池而镍氢电池已取代镉镍电池，避免了镉的使用。而我国的绝大多数电池生产企业仍用镉作为生产电池的原料，使得电池的危害进一步加大。
汞
废弃在自然界电池中的汞会慢慢从电池中溢出来，进入土壤或水源，再在微生物的作用下，无机汞可以转化成甲基汞，聚集在鱼类的身体里，人食用了这种鱼后，甲基汞会进入人的大脑细胞，使人的神经系统受到严重破坏，重者会发疯致死。的日本水俣病就是甲基汞所致。
锰
过量的锰蓄积于体内可引起神经功能障碍，早期表现为综合性功能紊乱，较重的出现言语单调，表情呆板，感情冷漠，伴有精神症状。
镉
长期食用受镉污染的水和食物，可导致骨痛病，镉进入人体后，引起骨质软化骨骼变形，严重时形成自然骨折，以致死亡。
铅
铅主要作用于神经系统、造血系统、消化系统、和肝、肾等器官，能抑制血红蛋白的的合成代谢，还能直接作用于成熟红细胞，对婴、幼儿的很大，它将导致儿童体格发育迟缓，慢性铅中素的儿童智力低下。
镍
镍粉溶解于血液，参加体内循环，有较强毒性，能损害中枢神经，引起血管变异，严重者导致癌症。
废电池的回收
废电池虽小，危害却甚大。但是，由于废电池污染不象垃圾、空气和水污染那样可以凭感官感觉得到，具有很大的隐蔽性，所以没有得到应有的重视。目前，我国以成为电池生产和消费的大国，废电池污染是迫切需要解决的一个重大环境问题。
据环保专家介绍，在废电池中每回收1000克金属，其中就有82克汞、88克镉，可以说，回收处置废电池不仅处理了污染源，而且也实现了资源的回收再利用。国外发达国家对废电池的回收与利用极为重视。西欧许多国家不仅在商店，而且直接在大街上都设有专门的废电池回收箱，废电池中95％的物质均可以回收，尤其是重金属回收价值很高。如国外再生铅业发展迅速，现有铅生产量的55％均来自于再生铅。而再生铅业中，废铅蓄电池的再生处理占据了很大比例。100千克废铅蓄电池可以回收50～60千克铅。对于含镉废电池的再生处理，国外已有较成熟的技术，处理100千克含镉废电池可回收20千克左右的金属镉，对于含汞电池则主要采用环境无害化处理手段防止其污染环境。而我国目前在这方面的管理相当薄弱。
注意:不可电池两端连接,否则电池将会短路,损坏电池
锂离子电池保护电路设计
1 电路设计
1.1 电路概述
锂离子电池保护电路包括过度充电保护、过电流/ 短路保护和过放电保护等,该电路就是要确保这样的过度充电及放电状态时的安全,并防止特性劣化。它主要由集成保护电路IC、贴片电阻、贴片电容、场效应管(MOSFET) 、有的还有热敏电阻(NTC) 、识别电阻( ID) 、保险丝( FUSE) 等构成。其电路图如图1所示。
锂离子电池保护电路图
其中集成保护电路IC 用来检测保护电路当前的电压、电流、时间等参数以此来控制场效应管的开关状态;场效应管(MOSFET) 则根据保护IC 来控制回路中是否有需开或关; 贴片电阻用作限流; 贴片电容作用为滤波、调节延迟时间;热敏电阻用来检测电池块内的环境温度; 保险丝防止流过电池的电流过大,切断电流回路。
1.2 电路原理及参数确定
1.2.1 过度充电保护
当充电器对锂电池过度充电时,锂电池会因温度上升而导致内压上升,需终止当前充电的状态。此时,集成保护电路IC 需检测电池电压,当到达4.25V 时(假设电池过充电压临界点为4.25 V) 即激活过度充电保护,将功率MOS 由开转为切断,进而截止充电。另外,为防止由于噪音所产生的过度充电而误判为过充保护,因此需要设定延迟时间,并且延迟时间不能短于噪音的持续时间以免误判。过充电保护延时时间tvdet1计算公式为:
t vdet1 = { C3 ×( Vdd - 0. 7) }/ (0. 48 ×10 - 6 ) (1)
式中: Vdd为保护N1 的过充电检测电压值。
简便计算延时时间: t = C3/ 0. 01 ×77 (ms) (2)
如若C3 容值为0.22 F ,则延时值为:0. 22 /0. 01 ×77 = 1694 (ms)
1.2.2 过度放电保护
在过度放电的情况下,电解液因分解而导致电池特性劣化,并造成充电次数的降低。过度放电保护IC 原理:为了防止锂电池的过度放电状态,假设锂电池接上负载,当锂电池电压低于其过度放电电压检测点(假定为2.3 V) 时将激活过度放电保护,使功率MOS FET 由开转变为切断而截止放电,以避免电池过度放电现象产生,并将电池保持在低静态电流的待机模式,此时的电流仅0.1μA 。当锂电池接上充电器,且此时锂电池电压高于过度放电电压时,过度放电保护功能方可解除。另外,考虑到脉<IMG src="https://resource.ebdoor.com/Image/Common/No.gif" name=pn5>冲放电的情况,过放电检测电路设有延迟时间以避免产生误动作。
1.2.3 过电流及短路电流保护
因为不明原因(放电时或正负极遭金属物误触) 造成过电流或短路,为确保安全,必须使其立即停止放电。过电流保护IC 原理为,当放电电流过大或短路情况产生时,保护IC 将激活过(短路) 电流保护,此时过电流的检测是将功率MOSFET 的Rds (on) 当成感应阻抗用以监测其电压的下降情形,如果比所定的过电流检测电压还高则停止放电,运算公式为:
V_ = I ×Rds ( on) ×2 ( V_为过电流检测电压, I 为放电电流) (3)假设V_ = 0. 2V , Rds (on) = 25 mΩ,则保护电流的大小为I = 4 A 。
同样,过电流检测也必须设有延迟时间以防有突发电流流入时产生误动作。通常在过电流产生后,若能去除过电流因素(例如马上与负载脱离) ,将会恢复其正常状态,可以再进行正常的充放电动作。
2 结束语
在进行保护电路设计时使电池充电到饱满的状态是使用者很关心的问题,同时兼顾到安全性问题,因此需要在达到容许电压时截止充电状态。要同时符合这两个条件,必须有高精密度的检测器,目前检测器的精密度为25 mV 。另外还必须考虑到集成保护电路IC 功耗、耐高电压问题。此外为了使功率MOSFET的Rds ( on) 在充电电流与放电电流时有效应用, 需使该阻抗值尽量低, 目前该阻抗约为20～30 mΩ,这样过电流检测电压就可较低。
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