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事实揭露 揭密真相
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电池(Battery): 简单来说就是一种储能设备(Energy Storage)。 狭义定义: 将本身储存的化学能转成电能的装置 。广义定义: 将预先储存起的能量转化为可供外用电能的装置。 因此,像太阳能电池(Solar Cell),燃料电池(Fuel Cell)等都不能储存电能,不能算是电池,应该算是发电装置。

电池种类

电池可以分为一次电池二次电池两大类。

电池分类
制图: 黄至冬

一次电池

一次电池又称原电池,是属于化学电池的一种,将化学能转变为电能进而提供电力给外部使用。只可放电一次称之为一次电池。它有别于可以反复多次充电后再放电的蓄电池。

碳锌电池:阳极使用锌(Zn)放出电子,阴极使用二氧化锰(MnO2)包覆碳棒(石墨),电解液为氯化铵水溶液。碳锌电池的价格便宜、制造简单,但是不适合大电流连续放电,而且放电电压不稳定。

碱性电池:阳极使用锌放出电子,阴极使用二氧化锰,电解液为氢氧化钾水溶液,由于氢氧化钾是一种碱性物质,故称为“碱性电池”。碱性电池的放电电流较大、放电电压稳定,但是价格较高。

氢氧电池:阳极使用锌放出电子,阴极使用二氧化锰与氢氧化镍(NiOH)包覆碳棒,电解液为氯化铵与氯化锌水溶液。氢氧电池的能量密度是碱性电池的二倍,也是目前能量密度最高的一次电池,但是价格较高因此没有被大量使用。

汞电池(水银电池):阳极使用锌放出电子,阴极使用氧化汞及碳粉混合物,电解液为氧化锌与氢氧化钾水溶液。汞电池体积小、能量密度高、放电电压稳定,常用于电子计算机、电子表,而且价格较低,但是使用后丢弃,电池内的汞会造成环境污染。

银电池:阳极使用锌放出电子,阴极使用氧化银及碳粉混合物,电解液为氧化锌与氢氧化钾水溶液。银电池体积小、能量密度高、放电电压稳定,常用于电子计算机、电子表,但是价格较高。 [1]


二次电池比较表
制图: 黄至冬

二次电池

二次电池:是指可以重复充放电的电池。

铅蓄电池:阳极使用铅(Pb)放出电子,阴极使用氧化铅(PbO2),电解液为硫酸水溶液,由于硫酸是一种酸性物质,故又称为“铅酸电池”。铅蓄电池是第一个商业化与最广泛使用的二次电池,结构简单、重复使用寿命长、操作温度范围大、价格便宜,但是体积庞大、重量较重、不易携带,主要使用在汽车电池,通气式的铅蓄电池需要定期加水补充水分的蒸发,最近几年已经有密闭式的铅蓄电池出现,不需要加水补充比较方便。

镍镉电池:阳极使用镉(Cd)放出电子,阴极使用二氧化镍,电解液为碱性液体。镍镉电池体积小,原本是使用量最大的二次电池,曾经广泛的应用在各种电子产品,但是使用后丢弃,电池内的镉会造成环境污染,而且记忆效应较大,目前已经禁止使用了。

镍氢电池:阳极使用氢氧化镍放出电子,阴极使用储氢合金吸收电子同时放出氢原子,电解液为碱性液体。镍氢电池的能量密度是镍镉电池的二倍,组成材料与镍镉电池相似,由于不含镉比较不会造成环境污染,而且记忆效应较小,所以目前已经取代镍镉电池广泛的应用在各种电子产品。如何增加能量密度必须改良储氢合金,由于储氢合金是所有必须使用氢能的电池都要使用的技术,是氢能产业重要的技术,请参考<燃料电池>的详细介绍。

锂电池:阳极将锂离子嵌在石墨结构中,阴极使用锂钴氧化物(LiCoO2)、锂镍氧化物(LiNiO2)或锂锰氧化物(LiMn2O4),电解液为锂离子化合物有机溶液,后面会再特别针对锂电池详细介绍。 [2]

电池的原理

所有的电池的基本结构都是由阳极(负极)与阴极(正极)为基础,基本上都是由阳极(Anode)发生的化学反应产生电子(Electron)与阳离子(Ion),电子流入各式电子零件推动零件工作,也就是我们所称的电能;阳离子则经由电解液穿越多孔性的隔离膜到达阴极;最后阳离子与电子在阴极(Cathode)结合。

电池的能量密度

重量能量密度(Wh/Kg) 重量能量密度是指电池能量和质量之间的关系,电池能量是电池的额定电压与电容量的相乘积,重量能量密度以Wh/Kg(瓦时/公斤),当在一定的重量所拥有的能量越高,代表其电池容量越高。在相同的瓦时电池其重量能量密度越大者其重量越轻,反之重量能量密度越小者其重量越重。

体积能量密度(Wh/L) 体积能量密度是每单位体积所携带的能量,电池能量是电池的额定电压与电容量的相乘积,每单位体积以公升表示,体积能量密度以Wh/L(瓦时/公升),当在一定的体积所拥有的能量越高,代表其电池容量越高。在相同的瓦时电池其体积能量密度越大者其体积越小,反之体积能量密度越小其体积越大。

电池的记忆效应

每次充电时,在负极有氢氧化镉与电极作用,产生金属镉而沉积于负电极表面,放电时,负电极表面的金属镉反应形成氢氧化镉,这是溶解-沉积的反应;当充放电不完全时,电极内的镉金属会慢慢地产生大结晶体而使以后的化学反应受到阻碍,导致电容量在实质的表现上减少,此即所谓记忆效应。早期使用镍镉电池时,此效应最为明显。

镍镉电池因具有强烈的记忆效应,很容易因充放电不良,而造成可用容量降低,须约在使用十次后,做一次完全充放电,若已有记忆效应时,则可以连续做三次至五次完全充放电来释放记忆。镍氢电池因记忆效应较弱(可说是几乎没有),因此约在使用过约五十次时,做一次完全充放电即可。

自放电效应

电池的自放电效应,是指电池在充满电能之后,如果没有立刻使用,则电池内的化学物质仍然会产生化学反应,造成储存的电能慢慢减少,在所有的二次电池中,自放电效应最严重的是铅蓄电池与镍镉电池,最轻微的是锂电池。

原电池的工作原理 化学反应与能量 高中化学


原电池电解池原理对比

铅蓄电池结构与工作原理K

参考资料