電池基礎知識

干電池

干電池使用固定化的電解質，可最大程度減少水分并具有出色的便攜性。

定義干電池

在電力中，電池是由一個或多個電化學電池組成的設備，該電化學電池將存儲的化學能轉換為電能。干電池是電化學電池的許多常規類型之一。

干電池將電解質固定為糊狀，其中只有足夠的水分以使電流流動。與干電池不同，干電池可以在任何方向上操作而不會溢出，因為它不含游離液體。這種多功能性使其適用于便攜式設備。相比之下，第一批濕電池通常是易碎的玻璃容器，其引線桿從敞開的頂部懸掛。因此，他們需要仔細處理以避免溢出。干電池的發展使電池的安全性和便攜性取得了重大進步。

常見的干電池是鋅碳電池，它使用的電池有時稱為Leclanché電池。電池由外部鋅容器組成，該鋅容器充當陽極。陰極是中央碳棒，被碳和二氧化錳(IV)(MnO 2)的混合物包圍。電解質是氯化銨(NH 4 Cl)的糊狀物。纖維織物將兩個電極隔開，位于電池中心的黃銅銷將電傳導到外部電路。

鋅碳干電池：鋅碳干電池的圖示。在其中，鋅殼充當陽極，包圍碳棒，碳棒充當陰極。在它們之間，電解質漿料充當電池。電池的每個部分都會發生化學反應，以便進行能量存儲。可以使用描述電子流的平衡化學方程式描述反應。氯化銨糊劑根據以下半反應進行反應：

2NH4(水)+2?-→2NH3(G)+H2(G)2NH4(水)+2?-→2NH3(G)+H2(G)電池中的錳(IV)氧化物根據以下反應除去氯化銨產生的氫：

2二氧化錳2(s)+H2(G)→錳2?3(s)+H2?(升)2二氧化錳2(s)+H2(G)→錳2?3(s)+H2?(升)這兩個反應的合并結果在陰極發生。將這兩個反應加在一起，我們得到：

2NH4(水)+2二氧化錳2(s)+2?→錳2?3(s)+2NH3(G)+H2?(升)2NH4(水)+2二氧化錳2(s)+2?→錳2?3(s)+2NH3(G)+H2?(升)最后，陽極半反應如下：

鋅(s)→鋅2++2?-鋅(s)→鋅2++2?-因此，該單元格的總等式為：

鋅(s)+2二氧化錳2(s)+2NH4(水)→錳2?3(s)+H2?(升)+鋅2+2NH3(G)鋅(s)+2二氧化錳2(s)+2NH4(水)→錳2?3(s)+H2?(升)+鋅2+2NH3(G)上述反應的電勢為1.50V。

干電池的另一個例子是堿性電池。堿性電池與鋅碳電池幾乎相同，不同之處在于所使用的電解質是氫氧化鉀(KOH)而不是氯化銨。在某些容量比標準堿性電池低得多的所謂“高功率”電池中，氯化銨被氯化鋅代替。

汞電池

汞電池是一種常見的電化學電池，根據1996年的《電池法》在美國逐漸淘汰了其主流用途。

氧化汞電池的應用

汞電池在20世紀非常普遍，并在許多常見的小型和大型電器中使用。

汞電池的優勢包括其較長的保質期和穩定的電壓輸出。

汞電池使用汞化合物作為陰極，并使用鋅陽極。

汞法與其他依靠重金屬的電池一起被《電池法》淘汰，該法力求減少一次性電池對環境的影響。

陽極：發生氧化的電化學電池的電極。

電解質：在溶液中或熔融時會電離并導電的物質。

陰極：發生還原的電化學電池的電極。

汞電池，也稱為氧化汞電池或汞電池，是不可充電的電化學電池。這些電池以紐扣電池的形式用于手表，助聽器和計算器，并以較大的形式用于其他設備(包括對講機)。

汞手表電池：汞電池由于尺寸大而方便。這是一款小型手表水銀電池。汞電池具有長達10年的超長保質期和穩定的電壓輸出的優勢。盡管這些電池在20世紀中葉非常普遍，但出于對環境的關注，1996年美國通過的《含汞和可充電電池管理法》(《電池法》)在很大程度上淘汰了汞電池。

汞電池使用純氧化汞或氧化汞與二氧化錳的混合物作為陰極。氧化汞電池由鋅陽極，氧化汞陰極和氫氧化鉀或氫氧化鈉作為電解質構成。由于氧化汞是非導體，因此將一些石墨混入其中。這有助于防止汞收集成大滴。在放電過程中，鋅氧化為氧化鋅，氧化汞還原為元素汞。電池中會放一些多余的氧化汞，以防止氫氣在其使用壽命結束時放出。

在汞電池中，氫氧化鈉或氫氧化鉀用作電解質。氫氧化鈉電池在低放電電流下具有幾乎恒定的電壓，使其成為助聽器，計算器和電子表的理想選擇。氫氧化鉀電池又可在較高電流下提供恒定電壓，使其適合需要電涌的應用，例如帶閃光燈的照相相機和帶背光的手表。氫氧化鉀電池在較低溫度下也具有更好的性能。

電池法

1996年，《含汞和可充電電池管理法》(《電池法》;公共法104-142)在美國簽署為法律。該法案的預期目標是減少城市廢物，溪流和地下水中的重金屬。這是由于一次性電池中的汞以及其他有毒金屬(例如鉛酸電池中的鉛和可充電電池中的鎘)的處置所致。因此，該法律試圖逐步淘汰電池中汞的使用，因為它對環境造成了破壞。

鉛蓄電池

鉛酸電池可提供大電流并能長時間存儲電荷，因此對于車輛至關重要。

鉛酸電池，也稱為鉛蓄電池，可以存儲大量電荷并在短時間內提供高電流。

自1859年Planté設計鉛酸電池以來，其基本設計并未發生太大變化，盡管Faure進行了一些改進。

鉛酸電池可以充電，這對于在汽車中使用非常重要。

釋放存儲的能量依賴于正極板和負極板都變成硫酸鉛(II)，并且電解液損失了大部分溶解的硫酸。

木質素磺酸鹽：水溶性陰離子聚電解質聚合物;它們是使用亞硫酸鹽制漿生產木漿的副產品。

鉛電池

鉛蓄電池，也稱為鉛酸蓄電池，是最古老的可再充電電池，也是最常見的儲能設備之一。這些電池是法國物理學家加斯頓·普蘭特(GastonPlanté)于1859年發明的，至今仍在各種應用中使用。大多數人習慣于在車輛中使用它們，因為他們有能力提供大電流來提升動力。

盡管電池是可靠的，但它們的壽命有限，運輸時很重，并且含有有毒材料，需要在使用壽命結束時采取特殊的清除方法。鉛酸電池具有中等的功率密度和良好的響應時間。取決于所采用的電源轉換技術，電池可以從接受能量到瞬間提供能量。鉛酸電池受溫度影響，必須維護以達到最大預期壽命。

設計鉛蓄電池

在Planté的鉛酸電池設計中，正極板和負極板由兩個螺旋狀的鉛箔制成，并用一塊布將其分開，然后盤繞起來。電池最初容量低。需要緩慢的“成型”過程來腐蝕鉛箔，在板上形成二氧化鉛并使它們變粗糙以增加表面積。Planté板仍用于某些固定式應用中，在這些固定式應用中，將板機械開槽以增加表面積。

鉛蓄電池：表示鉛蓄電池如何由六個串聯的兩個2伏電池組成的圖。還顯示了每個單元格的組成。Camille Alphonse Faure的粘貼板結構是當今汽車電池的典型代表。每塊板均由一個矩形的鉛柵組成。網格的孔充滿了紅鉛和33%的稀硫酸的糊劑。這種多孔糊狀物使酸與板內部的鉛發生反應，從而增加了表面積。干燥后，將板與合適的隔板堆疊在一起，然后插入電池容器中。通常使用奇數個極板，負極板比正極板多一個。每個備用板都已連接。

糊狀物包含炭黑，硫酸鋇和木質素磺酸鹽。硫酸鋇用作硫酸鉛-硫酸鉛反應的晶種。木質素磺酸鹽可防止負極板在放電周期中形成固體，而可形成長的針狀晶體。炭黑抵消了由木質素磺酸鹽引起的抑制形成的作用。

放電化學

在放電狀態下，正極板和負極板均變為硫酸鉛(II)(PbSO 4)。電解質會損失掉大部分溶解的硫酸，主要變成水。放電過程是由電子從負極板傳導回外部電路中正極板上的電池驅動的。

板反應陰性：Pb(s)+ HSO 4 –(aq)→PbSO 4(s)+ H +(aq)+ 2e –

正極板反應：PbO 2(s)+ HSO 4 –(水溶液)+ 3H +(aq)+ 2e – →PbSO 4(s)+ 2H 2 O(l)

結合這兩個反應，可以確定總體反應：

Pb(s)+ PbO 2(s)+ 2H +(aq)+ 2HSO 4 –(aq)→2PbSO 4(s)+ 2H 2 O(l)

電荷化學

這種類型的電池可以充電。在充電狀態下，每個電池在大約4.2 M的硫酸(H 2 SO 4)電解質中包含元素鉛(Pb)的負極板和氧化鉛(IV)(PbO 2)正極板。充電過程是通過強制將電子從正極板中移出并通過充電源將其強制引入負極板來實現的。

板反應陰性：PbSO 4(s)+ H +(aq)+ 2e – →Pb(s)+ HSO 4 –(aq)

正極板反應：PbSO 4(s)+ 2H 2 O(l)→PbO 2(s)+ HSO 4 –(水溶液)+ 3H +(aq)+ 2e –

結合這兩個反應，整體反應與放電反應相反：

2PbSO 4(s)+ 2H 2 O(l)→Pb(s)+ PbO 2(s)+ 2H +(aq)+ 2HSO 4 –(aq)

請注意，充電反應與放電反應完全相反。

其他可充電電池

對許多種類的可再充電電池的需求是由于它們較低的成本和較低的環境影響。

可充電電池通過可逆的化學反應存儲能量，這使電池耗盡后可以再次存儲電荷。

可充電電池的總使用成本和對環境的影響均低于一次性電池，這可能就是為什么美國對可充電電池的需求增長快于對非可充電電池的需求的原因。

常見的充電電池類型包括鉛酸，鎳鎘(NiCd)，鎳氫(NiMH)，鋰離子(Li-ion)，鋰離子聚合物(LiPo)和可充電堿性電池。

二次電池：可充電的電池，因為它通過可逆的化學反應將化學能轉化為電能。

能量密度：相對于電池體積可以存儲的能量量。

可充電電池

可再充電電池是由一個或多個電化學電池組成的一種電池。由于其電化學反應是電可逆的，因此被稱為二次電池。換句話說，在耗盡存儲的電荷后，電池的化學反應會反過來再次發生，以存儲新的電荷。美國對可充電電池的需求增長速度是對非可充電電池的兩倍，部分原因是可充電電池對環境的影響和總使用成本低于一次性電池。

電網儲能應用將充電電池用于負載均衡。負載均衡涉及存儲電能以在峰值負載期間使用。通過在電力需求低時為電池充電以在電力需求高時使用，負載均衡有助于消除對昂貴的峰值發電廠的需求，并有助于在更長的運行小時內降低發電機的成本。

充電電池構造

與所有電池一樣，可充電電池由陽極，陰極和電解質組成。在充電期間，陽極材料被氧化，產生電子，陰極被還原，消耗電子。

電池充電：電池充電圖。這些電子構成了外部電路中的電流。電解質可以用作電極之間內部離子流動的簡單緩沖液(如鋰離子和鎳鎘電池)，也可以是電化學反應的積極參與者(如鉛酸電池)。

可充電電池的類型

充電電池中通常使用幾種不同的化學藥品組合。不同類型包括鉛酸，鎳鎘(NiCd)，鎳金屬氫化物(NiMH)，鋰離子(Li-ion)，鋰離子聚合物(LiPo)和可充電堿性電池。

鉛酸電池

鉛酸電池是法國物理學家GastonPlanté于1859年發明的，是最古老的可充電電池。它們提供高浪涌電流的能力意味著電池保持相對較大的功率重量比。這些特征以及低成本使得它們對于需要大電流的機動車輛具有吸引力。

鎳氫電池

鎳氫電池，簡稱NiMH或Ni-MH，與鎳鎘電池(NiCd)非常相似。NiMH電池和NiCd一樣都使用羥基氧化鎳(NiOOH)的正極，但是負極使用吸氫合金代替鎘。NiMH電池的容量是同等大小的NiCd電池的兩到三倍，其能量密度接近鋰離子電池的能量密度。

鋰離子電池

鋰離子電池是一類可再充電電池，其中鋰離子在放電過程中從負極移動到正極，并在充電時從負極移動到正極。常規鋰離子電池的負極由碳制成。正極是金屬氧化物，電解質是有機溶劑中的鋰鹽。它們是便攜式電子設備中最受歡迎的可再充電電池之一，具有最佳的能量密度之一，并且在不使用時充電緩慢。鋰離子電池比NiCd電池更昂貴，但可以在更寬的溫度范圍內工作，同時體積更小，重量更輕。它們非常脆弱，因此需要保護電路來限制峰值電壓。

鋰離子聚合物電池

鋰離子聚合物(LiPo)電池通常由并聯的幾個相同的二次電池組成，以增加放電電流的能力。它們通常以串聯“包裝”的形式提供，以增加總的可用電壓。它們與鋰離子電池的主要區別在于它們的鋰鹽電解質不保存在有機溶劑中。相反，它處于固體聚合物復合材料中，例如聚環氧乙烷或聚丙烯腈。LiPo優于鋰離子設計的優勢包括潛在的較低制造成本，對各種包裝形狀的適應性，可靠性和堅固性。它們的主要缺點是電荷較少。

堿性電池

還存在堿性電池的可充電形式，其是取決于鋅(Zn)和二氧化錳(MnO 2)之間反應的一種原電池。它們在制造過程中充滿電，能夠攜帶數年的電量，比大多數自放電的NiCd和NiMH電池更長。與一次性電池相比，可充電堿性電池還可以具有較高的充電效率并且對環境的影響較小。

鋰離子電池

鋰離子電池是消費電子產品中常用的可充電電池。他們依靠Li +遷移。

優異的能量密度，無記憶效應，以及不使用時僅緩慢失去電荷的特性，使鋰離子電池普遍用于消費電子，軍事，電動汽車和航空航天應用。

陽極通常是含鋰的化合物，而陰極通常是含碳的化合物。

放電反應依賴于電解質中的鋰離子從陰極中提取出來并移動到陽極，而在充電反應中則相反。

陽極：發生氧化的電化學電池的電極。

陰極：發生還原的電化學電池的電極。

電解質：在溶液中或熔融時會電離并導電的物質。

鋰離子電池(鋰離子電池或LIB)是一類可再充電電池，其中，鋰離子在放電過程中會從負極移動到正極。電池充電時，離子遵循相反的路徑。鋰離子電池使用鋰化合物作為電極材料。

鋰離子電池的用途

鋰離子電池在消費電子產品中很常見。它們是便攜式電子設備中最受歡迎的可再充電電池之一，因為它們具有最佳的能量密度之一，并且在不使用時充電緩慢。

筆記本電腦鋰離子電池：鋰離子電池非常適合用于便攜式電子產品，包括筆記本電腦。

除消費電子領域外，LIB在軍事，電動汽車和航空航天應用中也越來越受歡迎。研究正在產生對傳統LIB技術的一系列改進，重點是能量密度，耐用性，成本和安全性。

鋰離子電池的類型

化學，性能，成本和安全性隨LIB的類型而異。手持式電子產品大多使用基于鈷酸鋰(LCO)的LIB，該LIB具有高能量密度，但具有眾所周知的安全問題，尤其是在損壞時。磷酸鐵鋰(LFP)，鋰錳氧化物(LMO)和鋰鎳錳鈷氧化物(LiNMC)電池具有較低的能量密度，但使用壽命更長，并且具有固有的安全性。這些化學成分或化學物質被廣泛用于為電動工具和醫療設備供電。

充電與放電

鋰離子電池中電化學反應的三個參與者是陽極，陰極和電解質。作為含鋰化合物的陽極和作為含碳化合物的陰極都是鋰離子可遷移到其中的材料。電解質是有機溶劑中的鋰鹽。當鋰基電池放電時，正鋰離子會從陰極中提取出來并插入陽極中，從而釋放出存儲的能量。電池充電時，會發生相反的情況。

陰極和陽極材料

商業上最流行的陰極材料是石墨。陽極通常是以下三種材料之一：層狀氧化物(例如鈷酸鋰)，聚陰離子(例如磷酸鐵鋰)或尖晶石(例如錳酸鋰)。電解質通常是包含鋰離子絡合物的有機碳酸酯的混合物，例如碳酸亞乙酯或碳酸二乙酯。

在鋰離子電池中，鋰離子往返于陰極或陽極傳輸。過渡金屬鈷(Co)在充電過程中從Co 3+氧化為Co 4+，在放電過程中從Co 4+還原為Co 3+。

燃料電池

燃料電池是電池的引人注目的替代品，但它們仍處于開發的早期階段。

燃料電池是一種通過與氧氣或另一種氧化劑的化學反應將燃料中的化學能轉化為電能的裝置。

電池在密閉系統中工作，而燃料電池則需要補充其反應物。

在燃料電池中使用氫作為主要燃料來源有許多優點和缺點，這使其在主流用途方面一直存在爭議。

燃料電池由三個相鄰的部分組成：陽極，電解質和陰極。

陽極：發生氧化的電化學電池的電極。

燃料電池：一種通過與氧氣或其他氧化劑發生化學反應將燃料中的化學能轉化為電能的裝置。

陰極：發生還原的電化學電池的電極。

電池：通過兩種物質之間的化學反應產生電能的設備。

簡介與歷史

燃料電池是通過與氧氣或另一種氧化劑的化學反應將燃料的化學能轉化為電能的裝置。氫是最常見的燃料，但有時會使用碳氫化合物，例如天然氣和酒精。燃料電池與電池的不同之處在于，它們需要恒定的燃料和氧氣來運行，但是只要提供這些輸入，它們就可以連續發電。微型燃料電池的發展可以提供一種廉價，有效且可重復使用的電池替代品。

威廉·格羅夫(William Grove)在1839年開發了第一批粗燃料電池。燃料電池的第一種商業用途是在NASA太空計劃中，以為探測器，衛星和太空艙發電。當前，燃料電池用于商業，工業和住宅建筑物以及偏遠或無法進入的區域的主電源和備用電源。它們用于為燃料電池汽車提供動力，包括汽車，公共汽車，叉車，飛機，輪船，摩托車和潛艇。

燃料電池的結構與功能

燃料電池的類型很多，但都由陽極(負極)，陰極(正極)和電解質(允許電荷在燃料電池的兩側之間移動)組成。

燃料電池：燃料電池通過與氧氣或其他氧化劑的化學反應將燃料的化學能轉化為電能。但是，使用氫作為燃料電池中的主要燃料來源有很多利弊，這使其在主流用途中一直存在爭議。電子通過外部電路從陽極吸引到陰極，產生直流電。燃料電池按其使用的電解質分類，這是各種類型燃料電池之間的主要區別。單個燃料電池產生相對較小的電位(約0.7伏)，因此將電池“堆疊”或串聯放置以增加電壓。除電力外，燃料電池還產生水，熱量，并根據燃料來源產生非常少量的二氧化氮和其他排放物。燃料電池的能量效率通常在40%至60%之間;如果將余熱收集起來使用，則可達到85%。

盡管燃料電池類型多種多樣，但它們都以相同的通用方式工作。在三個不同部分的界面處發生兩個化學反應。這兩個反應的最終結果是消耗了燃料，產生了水或二氧化碳，并產生了電流，該電流可用于為電氣設備供電，通常稱為“負載”。

在陽極處，催化劑將燃料(通常為氫)氧化，從而將燃料轉變為帶正電的離子和帶負電的電子。電解質是專門設計的物質，因此離子可以穿過電解質，而電子不能穿過。釋放的電子穿過導線，產生電流。離子穿過電解質到達陰極。在那里，離子與電子重新結合，并且兩者與第三種化學物質(通常是氧氣)反應生成水或二氧化碳。

燃料電池的優缺點

在某些應用中，氫燃料電池的使用存在爭議。首先，由于能量用于產生氫比得上能量中的氫，它是低效率的，并且因此是昂貴的。如果使用傳統的發電廠生產氫氣，那么目前的污染率充其量不會有任何積極的變化。其他類型的燃料電池則沒有這個問題。例如，生物燃料電池從食物殘渣中獲取葡萄糖和甲醇，然后將其轉化為氫和食物，以分解細菌。

但是，氫燃料電池有幾個優點。如果使用清潔的可再生能源(例如太陽能和風能)產生的電能來產生氫氣，則與大型電池組相比，該能量可以更容易地存儲。

還有一些實際問題需要克服。盡管在不久的將來可能會在消費產品中使用燃料電池，但是如果朝上放置，大多數當前設計將無法使用。此外，當前的燃料電池無法按比例縮小到便攜式設備(如手機)所需的小尺寸。當前的設計還需要排氣，因此不能在水下運行。由于燃油可能會通過通風孔泄漏，因此它們可能無法在飛機上使用。最后，用于安全消費燃料電池的技術還沒有到位。

汽車中的燃料電池：燃料電池是不使用汽油行駛的汽車的潛在能源。然而，盡管燃料電池提供清潔的可再生能源，但其廣泛采用仍存在一些障礙。