电池

       如太阳能电池。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。利用电池作为能量来源，可以得到具有稳定电压，稳定电流，长时间稳定供电，受外界影响很小的电流，并且电池结构简单，携带方便，充放电操作简便易行，不受外界气候和温度的影响，性能稳定可靠，在现代社会生活中的各个方面发挥有很大作用。　

概述

       在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。当外电路断开时，两极之间虽然有电位差（开路电压），但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。电荷在电解质中的传递也要由离子的迁移来完成。因此，电池内部正常的电荷传递和物质传递过程是保证正常输出电能的必要条件。充电时，电池内部的传电和传质过程的方向恰与放电相反；电极反应必须是可逆的，才能保证反方向传质与传电过程的正常进行。因此，电极反应可逆是构成蓄电池的必要条件。G为吉布斯反应自由能增量（焦）；F为法拉第常数=96500库=26.8安·小时；n为电池反应的当量数。这是电池电动势与电池反应之间的基本热力学关系式，也是计算电池能量转换效率的基本热力学方程式。实际上，当电流流过电极时，电极电势都要偏离热力学平衡的电极电势，这种现象称为极化。电流密度（单位电极面积上通过的电流）越大，极化越严重。极化现象是造成电池能量损失的重要原因之一。

       极化的原因有三：

       ①由电池中各部分电阻造成的极化称为欧姆极化；

       ②由电极－电解质界面层中电荷传递过程的阻滞造成的极化称为活化极化；

       ③由电极－电解质界面层中传质过程迟缓而造成的极化称为浓差极化。减小极化的方法是增大电极反应面积、减小电流密度、提高反应温度以及改善电极表面的催化活性。

发展历程

       1746年，荷兰莱顿大学的马森布罗克在发明了收集电荷的“莱顿瓶”。因为他看到好不容易收集的电却很容易地在空气中逐渐消失，他想寻找一种保存电的方法。有一天，他用一支枪管悬在空中，用起电机与枪管连着，另用一根铜线从枪管中引出，浸入一个盛有水的玻璃瓶中，他让一个助手一只手握着玻璃瓶，马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将中另一只手与枪管碰上，他猛然感到一次强烈的电击，喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下，让助手摇起电机，他自己一手拿水瓶子，另一只手去碰枪管。

       1780年，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi Galvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。伽伐尼认为，出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。

       伽伐尼的发现引起了物理学家们极大兴趣的，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法，意大利物理学家伏特在多次实验后认为：伽伐尼的“生物电”之说并不正确，青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。

       1799年，意大利物理学家伏特把一块锌板和一块锡板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功地制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。它成为早期电学实验，电报机的电力来源。

       1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌—铜电池此后，这些电池都存在电压随着使用时间延长而下降的问题。

       当电池使用一段时间后电压下降时，可以给他通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。

       也是在1860年，法国的雷克兰士（George Leclanche）还发明了世界广受使用的电池（碳锌电池）的前身。它的负极是锌和汞的合金棒（锌－伏特原型电池的负极，经证明是作为负极制作材料的最佳金属之一），而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作为电流收集器。负极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中。此系统被称为“湿电池”。雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜，所以一直到1880年才被改进的“干电池”取代。负极被改进成锌罐（即电池的外壳），电解液变为糊状而非液体，基本上这就是我们所熟知的碳锌电池。

       1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。

       1890年爱迪生（Thomas Edison）发明可充电铁镍电池。

常见电池

干电池

       干电池也叫锰锌电池，所谓干电池是相对于伏打电池而言，所谓锰锌是指其原材料。针对其它材料的干电池如氧化银电池，镍镉电池而言。锰锌电池的电压是1.5V。干电池是消耗化学原料产生电能的。它的电压不高，所能产生的持续电流不能超过1安培。

铅蓄电池

       蓄电池是应用最广泛的电池之一。用一个玻璃槽或塑料槽，注满硫酸，再插入两块铅板，一块与充电机正极相连，一块与充电机负极相连，经过十几小时的充电就形成了一块蓄电池。它的正负极之间有2伏的电压。蓄电池的好处是可以反复多次使用。另外，由于它的内阻极小，所以可以提供很大的电流。用它给汽车的发动机供电，瞬时电流可达20多安培。蓄电池充电时是将电能贮存起来，放电时又把化学能转化为电能。

锂电池

       以锂为负极的电池。它是60年代以后发展起来的新型高能量电池。按所用电解质不同分为：

       ①高温熔融盐锂电池；

       ②有机电解质锂电池；

       ③无机非水电解质锂电池；

       ④固体电解质锂电池；

       ⑤锂水电池。

       锂电池的优点是单体电池电压高，比能量大，储存寿命长（可达10年），高低温性能好，可在-40～150℃使用。缺点是价格昂贵，安全性不高。另外电压滞后和安全问题尚待改善。大力发展动力电池和新的正极材料的出现，特别是磷酸亚铁锂材料的发展，对锂电发展有很大帮助。

       2022年9月，哈佛大学的科学家为电动汽车(EV)开发了一种新型固态锂金属电池，该电池在实验中实现3分钟内完全充电，生命周期内可循环超过1万次，并且可持续使用二十年。

性能参数

电动势

       电动势是两个电极的平衡电极电位之差，以铅酸蓄电池为例，E=Ф+0-Ф-0+RT/F*In（αH2SO4/αH2O）。

       其中：E—电动势

       Ф+0—正极标准电极电位，其值为1.690V

       Ф-0—负极标准电极电位，其值为-0.356V

       R—通用气体常数，其值为8.314J/ (mol*K)

       T—温度，与电池所处温度有关

       F—法拉第常数，其值为96485C/mol

       αH2SO4—硫酸的活度，与硫酸浓度有关

       αH2O—水的活度，与硫酸浓度有关

       从上式中可看出，铅酸蓄电池的标准电动势为1.690-（-0.356）=2.046V，因此蓄电池的标称电压为2V。铅酸蓄电池的电动势与温度及硫酸浓度有关。

额定容量

       在设计规定的条件（如温度、放电率、终止电压等）下，电池应能放出的最低容量，单位为安培/每小时，以符号C表示。容量受放电率的影响较大，所以常在字母C的右下角以阿拉伯数字标明放电率，如C20=50，表明在20时率下的容量为50安·小时。电池的理论容量可根据电池反应式中电极活性物质的用量和按法拉第定律计算的活性物质的电化学当量精确求出。由于电池中可能发生的副反应以及设计时的特殊需要，电池的实际容量往往低于理论容量。

额定电压

       电池在常温下的典型工作电压，又称标称电压。它是选用不同种类电池时的参考。电池的实际工作电压随不同使用条件等于正、负电极的平衡电极电势之差。它只与电极活性物质的种类有关，而与活性物质的数量无关。电池电压本质上是直流电压，但在某些特殊条件下，电极反应所引起的金属晶体或某些成相膜的相变会造成电压的微小波动，这种现象称为噪声。波动的幅度很小但频率范围很宽，故可与电路中自激噪声相区别。

开路电压

       电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池在断路时（即没有电流通过两极时）电池的正极电极电势与负极的电极电势之差。电池的开路电压用V开表示，即V开=Ф+-Ф-，其中Ф+、Ф-分别为电池的正负极电极电位。电池的开路电压，一般均小于它的电动势。这是因为电池的两极在电解液溶液中所建立的电极电位，通常并非平衡电极电位，而是稳定电极电位。一般可近似认为电池的开路电压就是电池的电动势。

内阻

       电池的内阻是指电流通过电池内部时受到的阻力。它包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。由于内阻的存在，电池的工作电压总是小于电池的电动势或开路电压。电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化（逐渐变大），这是因为活性物质的组成，电解液的浓度和温度都在不断的改变。欧姆内阻遵守欧姆定律，极化内阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系。常随电流密度增大而增加。

       内阻是决定电池性能的一个重要指标，它直接影响电池的工作电压，工作电流，输出的能量和功率，对于电池来说，其内阻越小越好。

阻抗

       电池内具有很大的电极-电解质界面面积，故可将电池等效为一大电容与小电阻、电感的串联回路。但实际情况复杂得多，尤其是电池的阻抗随时间和直流电平而变化，所测得的阻抗只对具体的测量状态有效。

充放速率

       有时率和倍率两种表示法。时率是以充放电时间表示的充放电速率，数值上等于电池的额定容量（安·小时）除以规定的充放电电流（安）所得的小时数。倍率是充放电速率的另一种表示法，其数值为时率的倒数。原电池的放电速率是以经某一固定电阻放电到终止电压的时间来表示。放电速率对电池性能的影响较大。

寿命

       储存寿命指从电池制成到开始使用之间允许存放的最长时间，以年为单位。包括储存期和使用期在内的总期限称电池的有效期。储存电池的寿命有干储存寿命和湿储存寿命之分。循环寿命是蓄电池在满足规定条件下所能达到的最大充放电循环次数。在规定循环寿命时必须同时规定充放电循环试验的制度，包括充放电速率、放电深度和环境温度范围等。

自放电率

       电池在存放过程中电容量自行损失的速率。用单位储存时间内自放电损失的容量占储存前容量的百分数表示。

有关计算

       其中E为电动势，r为电源内阻，内电压U内=Ir，E=U内+U外

       适用范围：任何电路

       闭合电路中的能量转化：

       E=U+Ir

       EI=UI+I^2R

       P释放=EI

       P输出=UI

       纯电阻电路中

       P输出=I^2R

       =E^2R/（R+r）^2

       =E^2/（R^2+2r+r^2/R）

       当r=R时P输出最大，P输出=E^2/4r（均值不等式）

电池常识

正常充电

       不同电池各有特性，用户必须依照厂商说明书指示的方法进行充电。在待机备用状态下，电话也要耗费电池，如果要进行快速充电，宜先将手机关闭或把电池拆下进行充电。

快速充电

       有些自动化的智能型快速充电器当指示灯信号转变时，只表示充满了90%，充电器会自动改用慢速充电将电池完全充满。用户最好将电池完全充满后使用，否则会缩短使用时间。

记忆效应

       如果电池属镍镉电池，长期不彻底充、放电，会在电池内留下痕迹，降低电池容量，这种现象被称为电池记忆效应。

消除记忆

       方法是把电池完全放电，然后重新充满。放电可利用放电器或具有放电功能的充电器，也可以利用手机待机备用模式，如要加速放电可把显示屏及电话按键的照明灯打开。要确保电池能重新充满，应依照说明书的指示来控制时间，重复充、放电两至三次。

电池储存

       锂电池可贮存在环境温度为-5°C—35°C，相对湿度不大于75%的清洁、干燥、通风的室内，应避免与腐蚀性物质接触，远离火源及热源。电池电量保持标称容量的30%到50%。推荐贮存的电池每6个月充电一次。

选购电池

       1、选购有“国家免检”、“中国名牌”标志的电池产品和地方名牌电池产品，这些产品质量有保障。

       2、根据电器的要求，选择适用的电池类型和规格尺寸，并根据电器耗电的大小和特点，购买适合电器的电池。

       3、注意查看电池的生产日期和保质期，购买电池（新电池），新电池性能好。

       4、注意查看电池的外观，应选购包装精致、外观整洁、干净，无漏液迹象的电池。

       5、注意电池的标志，电池商标上应标明生产厂名、电池极性、电池型号、标称电压、商标等；销售包装上（如2只热缩或4只热缩，或吊牌挂卡）应有中文厂址、生产日期和保质期或标明保质期的截止期限、执行标准的编号（一般为国家标准GB/T××××-××××）。不要购买无中文厂名、无生产日期和保质期或无标明保质期的截止期限、无执行标准的产品。购买碱性锌锰电池时应看型号有无ALKALINE或LR字样。

       6、由于电池中的汞对环境有害，为了保护环境，在购买时应选用商标上标有“无汞”、“0%汞”、“不添加汞”字样的电池。