基本介紹
電池是一種能量轉化與儲存的裝置。它通過(guò)反應將化學(xué)能或物理能轉化為電能。電池即一種化學(xué)電源，它由兩種不同成分的電化學(xué)活性電極分別組成正負極，兩電極浸泡在能提供媒體傳導作用的電解質(zhì)中，當連接在某一外部載體上時(shí)，通過(guò)轉換其內部的化學(xué)能來(lái)提供能。作為一種電的貯存裝置，當兩種金屬（通常是性質(zhì)有差異的金屬）浸沒(méi)于電解液之中，它們可以導電，并在“極板”之間產(chǎn)生一定電動(dòng)勢。電動(dòng)勢大小（或電壓）與所使用的金屬有關(guān)，不同種類(lèi)的電池其電動(dòng)勢也不同。
電池的性能參數主要有電動(dòng)勢、容量、比能量和電阻。電動(dòng)勢等于單位正電荷由負極通過(guò)電池內部移到正極時(shí)，電池非靜電力（化學(xué)力）所做的功。電動(dòng)勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無(wú)關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量，通常用安培小時(shí)作單位。在電池反應中，1千克反應物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱(chēng)為電池的理論比能量。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進(jìn)行，同時(shí)電池內阻也要引起電動(dòng)勢降，因此常把比能量高的電池稱(chēng)做高能電池。電池的面積越大，其內阻越小。
電池的能量?jì)Υ嬗邢蓿姵厮茌敵龅目傠姾闪拷凶鏊娜萘浚ǔＳ冒才嘈r(shí)作單位，它也是電池的一個(gè)性能參數。電池的容量與電極物質(zhì)的數量有關(guān)，即與電極的體積有關(guān)。
實(shí)用的化學(xué)電池可以分成兩個(gè)基本類(lèi)型：原電池與蓄電池。原電池制成后即可以產(chǎn)生電流，但在放電完畢即被廢棄。蓄電池又稱(chēng)為二次電池，使用前須先進(jìn)行充電，充電后可放電使用，放電完畢后還可以充電再用。蓄電池充電時(shí)，電能轉換成化學(xué)能；放電時(shí)，化學(xué)能轉換成電能。
電池的發(fā)展史
在古代，人類(lèi)有可能已經(jīng)不斷地在研究和測試“電”這種東西了。一個(gè)被認為有數千年歷史的粘土瓶在1932年于伊拉克的巴格達附近被發(fā)現。它有一根插在銅制圓筒里的鐵條－可能是用來(lái)儲存靜電用的，然而瓶子的秘密可能永遠無(wú)法被揭曉。
不管制造這個(gè)粘土瓶的祖先是否知道有關(guān)靜電的事情，但可以確定的是古希臘人絕對知道。他們曉得如果磨擦一塊琥珀，就能吸引輕的物體。亞里斯多德(Aristotle)也知道有磁石這種東西，它是一種具有強大磁力能吸引鐵和金屬的礦石。
1780年的一天，意大利解剖學(xué)家伽伐尼在做青蛙解剖時(shí)，兩手分別拿著(zhù)不同的金屬器械，無(wú)意中同時(shí)碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到電流的刺激，而只用一種金屬器械去觸動(dòng)青蛙，卻并無(wú)此種反就。伽伐尼認為，出現這種現象是因為動(dòng)物軀體內部產(chǎn)生的一種電，他稱(chēng)之為“生物電”。伽伐尼于1791年將此實(shí)驗結果寫(xiě)成論文，公布于學(xué)術(shù)界。
伽伐尼的發(fā)現引起了物理學(xué)家們極大興趣，他們競相重復枷伐尼的實(shí)驗，企圖找到一種產(chǎn)生電流的方法，意大利物理學(xué)家伏特在多次實(shí)驗后認為：伽伐尼的“生物電”之說(shuō)并不正確，青蛙的肌肉之所以能產(chǎn)生電流，大概是肌肉中某種液體在起作用。為了論證自己的觀(guān)點(diǎn)，伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進(jìn)行試驗。結果發(fā)現，這兩種金屬片中，只要有一種與溶液發(fā)生了化學(xué)反應，金屬片之間就能夠產(chǎn)生電流。
1799年，伏特把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里，發(fā)現連接兩塊金屬的導線(xiàn)中有電流通過(guò)。于是，他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片，平疊起來(lái)。用手觸摸兩端時(shí)，會(huì )感到強烈的電流刺激。伏特用這種方法成功的制成了世界上第一個(gè)電池──“伏特電堆”。這個(gè)“伏特電堆”實(shí)際上就是串聯(lián)的電池組。它成為早期電學(xué)實(shí)驗，電報機的電力來(lái)源。
意大利物理學(xué)家伏打就多次重復了伽伐尼的實(shí)驗。作為物理學(xué)家，他的注意點(diǎn)主要集中在那兩根金屬上，而不在青蛙的神經(jīng)上。對于伽伐尼發(fā)現的蛙腿抽搐的現象，他想這可能與電有關(guān)，但是他認為青蛙的肌肉和神經(jīng)中是不存在電的，他推想電的流動(dòng)可能是由兩種不同的金屬相互接觸產(chǎn)生的，與金屬是否接觸活動(dòng)的或死的動(dòng)物無(wú)關(guān)。實(shí)驗證明，只要在兩種金屬片中間隔以用鹽水或堿水浸過(guò)的（甚至只要是濕和）硬紙、麻布、皮革或其它海綿狀的東西（他認為這是使實(shí)驗成功所必須的），并用金屬線(xiàn)把兩個(gè)金屬片連接起來(lái)，不管有沒(méi)有青蛙的肌肉，都會(huì )有電流通過(guò)。這就說(shuō)明電并不是從蛙的組織中產(chǎn)生的，蛙腿的作用只不過(guò)相當于一個(gè)非常靈敏的驗電器而已。
1836年，英國的丹尼爾對“伏打電堆”進(jìn)行了改良。他使用稀硫酸作電解液，解決了電池極化問(wèn)題，制造出第一個(gè)不極化，能保持平衡電流的鋅─銅電池，又稱(chēng)“丹尼爾電池”。此后，又陸續有去極化效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問(wèn)世。但是，這些電池都存在電壓隨使用時(shí)間延長(cháng)而下降的問(wèn)題。
1860年，法國的普朗泰發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨特之處是，當電池使用一段使電壓下降時(shí)，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因為這種電池能充電，可以反復使用，所以稱(chēng)它為“蓄電池”。
然而，無(wú)論哪種電池都需在兩個(gè)金屬板之間灌裝液體，因此搬運很不方便，特別是蓄電池所用液體是硫酸，在挪動(dòng)時(shí)很危險。
也是在1860年，法國的雷克蘭士(GeorgeLeclanche)還發(fā)明了世界廣受使用的電池（碳鋅電池）的前身。它的負極是鋅和汞的合金棒(鋅－伏特原型電池的負極，經(jīng)證明是作為負極材料的最佳金屬之一)，而它的正極是以一個(gè)多孔的杯子盛裝著(zhù)碾碎的二氧化錳和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作為電流收集器。負極棒和正極杯都被浸在作為電解液的氯化銨溶液中。此系統被稱(chēng)為“濕電池”。雷克蘭士制造的電池雖然簡(jiǎn)陋但卻便宜，所以一直到1880年才被改進(jìn)的“干電池”取代。負極被改進(jìn)成鋅罐（即電池的外殼），電解液變?yōu)楹隣疃且后w，基本上這就是現在我們所熟知的碳鋅電池。
1887年，英國人赫勒森發(fā)明了最早的干電池。干電池的電解液為糊狀，不會(huì )溢漏，便于攜帶，因此獲得了廣泛應用。
電池的原理
在化學(xué)電池中，化學(xué)能直接轉變?yōu)殡娔苁强侩姵貎炔孔园l(fā)進(jìn)行氧化、還原等化學(xué)反應的結果，這種反應分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。負極活性物質(zhì)由電位較負并在電解質(zhì)中穩定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質(zhì)由電位較正并在電解質(zhì)中穩定的氧化劑組成，如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物，氧或空氣，鹵素及其鹽類(lèi)，含氧酸及其鹽類(lèi)等。電解質(zhì)則是具有良好離子導電性的材料，如酸、堿、鹽的水溶液，有機或無(wú)機非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當外電路斷開(kāi)時(shí)，兩極之間雖然有電位差(開(kāi)路電壓)，但沒(méi)有電流，存儲在電池中的化學(xué)能并不轉換為電能。當外電路閉合時(shí)，在兩電極電位差的作用下即有電流流過(guò)外電路。同時(shí)在電池內部，由于電解質(zhì)中不存在自由電子，電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質(zhì)與電解質(zhì)界面的氧化或還原反應，以及反應物和反應產(chǎn)物的物質(zhì)遷移。電荷在電解質(zhì)中的傳遞也要由離子的遷移來(lái)完成。因此，電池內部正常的電荷傳遞和物質(zhì)傳遞過(guò)程是保證正常輸出電能的必要條件。充電時(shí)，電池內部的傳電和傳質(zhì)過(guò)程的方向恰與放電相反；電極反應必須是可逆的，才能保證反方向傳質(zhì)與傳電過(guò)程的正常進(jìn)行。因此，電極反應可逆是構成蓄電池的必要條件。為吉布斯反應自由能增量(焦)；F為法拉第常數＝96500庫＝26.8安·小時(shí)；n為電池反應的當量數。這是電池電動(dòng)勢與電池反應之間的基本熱力學(xué)關(guān)系式，也是計算電池能量轉換效率的基本熱力學(xué)方程式。實(shí)際上，當電流流過(guò)電極時(shí)，電極電勢都要偏離熱力學(xué)平衡的電極電勢，這種現象稱(chēng)為極化。電流密度（單位電極面積上通過(guò)的電流）越大，極化越嚴重。極化現象是造成電池能量損失的重要原因之一。極化的原因有三：①由電池中各部分電阻造成的極化稱(chēng)為歐姆極化；②由電極－電解質(zhì)界面層中電荷傳遞過(guò)程的阻滯造成的極化稱(chēng)為活化極化；③由電極－電解質(zhì)界面層中傳質(zhì)過(guò)程遲緩而造成的極化稱(chēng)為濃差極化。減小極化的方法是增大電極反應面積、減小電流密度、提高反應溫度以及改善電極表面的催化活性。
電池主要性能參數
電池的主要性能包括額定容量、額定電壓、充放電速率、阻抗、壽命和自放電率。
額定容量
在設計規定的條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下，電池應能放出的最低容量，單位為安培小時(shí)，以符號C表示。容量受放電率的影響較大，所以常在字母C的右下角以阿拉伯數字標明放電率，如C20=50，表明在20時(shí)率下的容量為50安·小時(shí)。電池的理論容量可根據電池反應式中電極活性物質(zhì)的用量和按法拉第定律計算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當量精確求出。由于電池中可能發(fā)生的副反應以及設計時(shí)的特殊需要，電池的實(shí)際容量往往低于理論容量。
額定電壓
電池在常溫下的典型工作電壓，又稱(chēng)標稱(chēng)電壓。它是選用不同種類(lèi)電池時(shí)的參考。電池的實(shí)際工作電壓隨不同使用條件而異。電池的開(kāi)路電壓等于正、負電極的平衡電極電勢之差。它只與電極活性物質(zhì)的種類(lèi)有關(guān)，而與活性物質(zhì)的數量無(wú)關(guān)。電池電壓本質(zhì)上是直流電壓，但在某些特殊條件下，電極反應所引起的金屬晶體或某些成相膜的相變會(huì )造成電壓的微小波動(dòng)，這種現象稱(chēng)為噪聲。波動(dòng)的幅度很小但頻率范圍很寬，故可與電路中自激噪聲相區別。
充放電速率
有時(shí)率和倍率兩種表示法。時(shí)率是以充放電時(shí)間表示的充放電速率，數值上等于電池的額定容量(安·小時(shí))除以規定的充放電電流（安）所得的小時(shí)數。倍率是充放電速率的另一種表示法，其數值為時(shí)率的倒數。原電池的放電速率是以經(jīng)某一固定電阻放電到終止電壓的時(shí)間來(lái)表示。放電速率對電池性能的影響較大。
阻抗
電池內具有很大的電極-電解質(zhì)界面面積，故可將電池等效為一大電容與小電阻、電感的串聯(lián)回路。但實(shí)際情況復雜得多，尤其是電池的阻抗隨時(shí)間和直流電平而變化，所測得的阻抗只對具體的測量狀態(tài)有效。
壽命
儲存壽命指從電池制成到開(kāi)始使用之間允許存放的最長(cháng)時(shí)間，以年為單位。包括儲存期和使用期在內的總期限稱(chēng)電池的有效期。儲存電池的壽命有干儲存壽命和濕儲存壽命之分。循環(huán)壽命是蓄電池在滿(mǎn)足規定條件下所能達到的最大充放電循環(huán)次數。在規定循環(huán)壽命時(shí)必須同時(shí)規定充放電循環(huán)試驗的制度，包括充放電速率、放電深度和環(huán)境溫度范圍等。
自放電率
電池在存放過(guò)程中電容量自行損失的速率。用單位儲存時(shí)間內自放電損失的容量占儲存前容量的百分數表示。
化學(xué)電池
化學(xué)電池，是指通過(guò)電化學(xué)反應，把正極、負極活性物質(zhì)的化學(xué)能，轉化為電能的一類(lèi)裝置。經(jīng)過(guò)長(cháng)期的研究、發(fā)展，化學(xué)電池迎來(lái)了品種繁多，應用廣泛的局面。大到一座建筑方能容納得下的巨大裝置，小到以毫米計的品種。無(wú)時(shí)無(wú)刻不在為我們的美好生活服務(wù)。現代電子技術(shù)的發(fā)展，對化學(xué)電池提出了很高的要求。每一次化學(xué)電池技術(shù)的突破，都帶來(lái)了電子設備革命性的發(fā)展。現代社會(huì )的人們，每天的日常生活中，越來(lái)越離不開(kāi)化學(xué)電池了。現在世界上很多電化學(xué)科學(xué)家，把興趣集中在做為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的化學(xué)電池領(lǐng)域。
干電池和液體電池
干電池和液體電池的區分僅限于早期電池發(fā)展的那段時(shí)期。最早的電池由裝滿(mǎn)電解液的玻璃容器和兩個(gè)電極組成。后來(lái)推出了以糊狀電解液為基礎的電池，也稱(chēng)做干電池。
現在仍然有“液體”電池。一般是體積非常龐大的品種。如那些做為不間斷電源的大型固定型鉛酸蓄電池或與太陽(yáng)能電池配套使用的鉛酸蓄電池。對于移動(dòng)設備，有些使用的是全密封，免維護的鉛酸蓄電池，這類(lèi)電池已經(jīng)成功使用了許多年，其中的電解液硫酸是由硅凝膠固定或被玻璃纖維隔板吸付的。
一次性電池和可充電電池
一次性電池俗稱(chēng)“用完即棄”電池，因為它們的電量耗盡后，無(wú)法再充電使用，只能丟棄。常見(jiàn)的一次性電池包括堿錳電池、鋅錳電池、鋰電池、鋅電池、鋅空電池、鋅汞電池、水銀電池、氫氧電池和鎂錳電池。
可充電電池按制作材料和工藝上的不同，常見(jiàn)的有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳鐵電池、鎳氫電池、鋰離子電池。其優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)壽命長(cháng)，它們可全充放電200多次，有些可充電電池的負荷力要比大部分一次性電池高。普通鎳鎘、鎳氫電池使用中，特有的記憶效應，造成使用上的不便，常常引起提前失效。
電池的理論充電時(shí)間
電池的理論充電時(shí)間：電池的電量除以充電器的輸出電流。
例如：以一塊電量為800MAH的電池為例，充電器的輸出電流為500MA那么充電時(shí)間就等于800MAH/500MA=1.6小時(shí)，當充電器顯示充電完成后，最好還要給電池大約半個(gè)小時(shí)左右的補電時(shí)間。
燃料電池
燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能透過(guò)電化學(xué)反應直接轉化成電能的裝置燃料電池是利用氫氣在陽(yáng)極進(jìn)行的是氧化反應，將氫氣氧化成氫離子，而氧氣在陰極進(jìn)行還原反應，與由陽(yáng)極傳來(lái)的氫離子結合生成水。氧化還原反應過(guò)程中就可以產(chǎn)生電流。燃料電池的技術(shù)包括了出現堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固態(tài)氧化物燃料電池（SOFC），以及直接甲醇燃料電池（DMFC）等，而其中，利用甲醇氧化反應作為正極反應的燃料電池技術(shù)，更是被業(yè)界所看好而積極發(fā)展。
