基本介紹
電池是一種能量轉(zhuǎn)化與儲存的裝置。它通過反應(yīng)將化學(xué)能或物理能轉(zhuǎn)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(fù)極，兩電極浸泡在能提供媒體傳導(dǎo)作用的電解質(zhì)中，當(dāng)連接在某一外部載體上時(shí)，通過轉(zhuǎn)換其內(nèi)部的化學(xué)能來提供能。作為一種電的貯存裝置，當(dāng)兩種金屬（通常是性質(zhì)有差異的金屬）浸沒于電解液之中，它們可以導(dǎo)電，并在“極板”之間產(chǎn)生一定電動勢。電動勢大小（或電壓）與所使用的金屬有關(guān)，不同種類的電池其電動勢也不同。
電池的性能參數(shù)主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負(fù)極通過電池內(nèi)部移到正極時(shí)，電池非靜電力（化學(xué)力）所做的功。電動勢取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì)，與電池的大小無關(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(yīng)中，1千克反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱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?yàn)殡姵刂械姆磻?yīng)物并不全按電池反應(yīng)進(jìn)行，同時(shí)電池內(nèi)阻也要引起電動勢降，因此常把比能量高的電池稱做高能電池。電池的面積越大，其內(nèi)阻越小。
電池的能量儲存有限，電池所能輸出的總電荷量叫做它的容量，通常用安培小時(shí)作單位，它也是電池的一個(gè)性能參數(shù)。電池的容量與電極物質(zhì)的數(shù)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(zhuǎn)換成化學(xué)能；放電時(shí)，化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。
電池的發(fā)展史
在古代，人類有可能已經(jīng)不斷地在研究和測試“電”這種東西了。一個(gè)被認(rèn)為有數(shù)千年歷史的粘土瓶在1932年于伊拉克的巴格達(dá)附近被發(fā)現(xiàn)。它有一根插在銅制圓筒里的鐵條－可能是用來儲存靜電用的，然而瓶子的秘密可能永遠(yuǎn)無法被揭曉。
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(qiáng)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)，兩手分別拿著不同的金屬器械，無意中同時(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青蛙，卻并無此種反就。伽伐尼認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因?yàn)閯游镘|體內(nèi)部產(chǎn)生的一種電，他稱之為“生物電”。伽伐尼于1791年將此實(shí)驗(yàn)結(jié)果寫成論文，公布于學(xué)術(shù)界。
伽伐尼的發(fā)現(xiàn)引起了物理學(xué)家們極大興趣，他們競相重復(fù)枷伐尼的實(shí)驗(yàn)，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(yàn)后認(rèn)為：伽伐尼的“生物電”之說并不正確，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(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩種金屬片中，只要有一種與溶液發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，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(xiàn)連接兩塊金屬的導(dǎo)線中有電流通過。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。用手觸摸兩端時(shí)，會感到強(qiáng)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(yàn)，電報(bào)機(jī)的電力來源。
意大利物理學(xué)家伏打就多次重復(fù)了伽伐尼的實(shí)驗(yàn)。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(xiàn)的蛙腿抽搐的現(xiàn)象，他想這可能與電有關(guān)，但是他認(rèn)為青蛙的肌肉和神經(jīng)中是不存在電的，他推想電的流動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的或死的動物無關(guān)。實(shí)驗(yàn)證明，只要在兩種金屬片中間隔以用鹽水或堿水浸過的（甚至只要是濕和）硬紙、麻布、皮革或其它海綿狀的東西（他認(rèn)為這是使實(shí)驗(yàn)成功所必須的），并用金屬線把兩個(gè)金屬片連接起來，不管有沒有青蛙的肌肉，都會有電流通過。這就說明電并不是從蛙的組織中產(chǎn)生的，蛙腿的作用只不過相當(dāng)于一個(gè)非常靈敏的驗(yàn)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“丹尼爾電池”。此后，又陸續(xù)有去極化效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等問世。但是，這些電池都存在電壓隨使用時(shí)間延長而下降的問題。
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(dú)特之處是，當(dāng)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?yàn)檫@種電池能充電，可以反復(fù)使用，所以稱它為“蓄電池”。
然而，無論哪種電池都需在兩個(gè)金屬板之間灌裝液體，因此搬運(yùn)很不方便，特別是蓄電池所用液體是硫酸，在挪動時(shí)很危險(xiǎn)。
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(fù)極是鋅和汞的合金棒(鋅－伏特原型電池的負(fù)極，經(jīng)證明是作為負(fù)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(fù)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(tǒng)被稱為“濕電池”。雷克蘭士制造的電池雖然簡陋但卻便宜，所以一直到1880年才被改進(jìn)的“干電池”取代。負(fù)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(xiàn)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，不會溢漏，便于攜帶，因此獲得了廣泛應(yīng)用。
電池的原理
在化學(xué)電池中，化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁强侩姵貎?nèi)部自發(fā)進(jìn)行氧化、還原等化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，這種反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。負(fù)極活性物質(zhì)由電位較負(fù)并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的還原劑組成，如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳?xì)浠衔锏?。正極活性物質(zhì)由電位較正并在電解質(zhì)中穩(wěn)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，含氧酸及其鹽類等。電解質(zhì)則是具有良好離子導(dǎo)電性的材料，如酸、堿、鹽的水溶液，有機(jī)或無機(jī)非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當(dāng)外電路斷開時(shí)，兩極之間雖然有電位差(開路電壓)，但沒有電流，存儲在電池中的化學(xué)能并不轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)外電路閉合時(shí)，在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時(shí)在電池內(nèi)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(yīng)，以及反應(yīng)物和反應(yīng)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完成。因此，電池內(nèi)部正常的電荷傳遞和物質(zhì)傳遞過程是保證正常輸出電能的必要條件。充電時(shí)，電池內(nèi)部的傳電和傳質(zhì)過程的方向恰與放電相反；電極反應(yīng)必須是可逆的，才能保證反方向傳質(zhì)與傳電過程的正常進(jìn)行。因此，電極反應(yīng)可逆是構(gòu)成蓄電池的必要條件。為吉布斯反應(yīng)自由能增量(焦)；F為法拉第常數(shù)＝96500庫＝26.8安·小時(shí)；n為電池反應(yīng)的當(dāng)量數(shù)。這是電池電動勢與電池反應(yīng)之間的基本熱力學(xué)關(guān)系式，也是計(jì)算電池能量轉(zhuǎn)換效率的基本熱力學(xué)方程式。實(shí)際上，當(dāng)電流流過電極時(shí)，電極電勢都要偏離熱力學(xué)平衡的電極電勢，這種現(xiàn)象稱為極化。電流密度（單位電極面積上通過的電流）越大，極化越嚴(yán)重。極化現(xiàn)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為歐姆極化；②由電極－電解質(zhì)界面層中電荷傳遞過程的阻滯造成的極化稱為活化極化；③由電極－電解質(zhì)界面層中傳質(zhì)過程遲緩而造成的極化稱為濃差極化。減小極化的方法是增大電極反應(yīng)面積、減小電流密度、提高反應(yīng)溫度以及改善電極表面的催化活性。
電池主要性能參數(shù)
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(shè)計(jì)規(guī)定的條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下，電池應(yīng)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?dāng)?shù)字標(biāo)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(jù)電池反應(yīng)式中電極活性物質(zhì)的用量和按法拉第定律計(jì)算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量精確求出。由于電池中可能發(fā)生的副反應(yīng)以及設(shè)計(jì)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，又稱標(biāo)稱電壓。它是選用不同種類電池時(shí)的參考。電池的實(shí)際工作電壓隨不同使用條件而異。電池的開路電壓等于正、負(fù)電極的平衡電極電勢之差。它只與電極活性物質(zhì)的種類有關(guān)，而與活性物質(zhì)的數(shù)量無關(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(yīng)所引起的金屬晶體或某些成相膜的相變會造成電壓的微小波動，這種現(xiàn)象稱為噪聲。波動的幅度很小但頻率范圍很寬，故可與電路中自激噪聲相區(qū)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(shù)值上等于電池的額定容量(安·小時(shí))除以規(guī)定的充放電電流（安）所得的小時(shí)數(shù)。倍率是充放電速率的另一種表示法，其數(shù)值為時(shí)率的倒數(shù)。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)間來表示。放電速率對電池性能的影響較大。
阻抗
電池內(nèi)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(fù)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始使用之間允許存放的最長時(shí)間，以年為單位。包括儲存期和使用期在內(nèi)的總期限稱電池的有效期。儲存電池的壽命有干儲存壽命和濕儲存壽命之分。循環(huán)壽命是蓄電池在滿足規(guī)定條件下所能達(dá)到的最大充放電循環(huán)次數(shù)。在規(guī)定循環(huán)壽命時(shí)必須同時(shí)規(guī)定充放電循環(huán)試驗(yàn)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
電池在存放過程中電容量自行損失的速率。用單位儲存時(shí)間內(nèi)自放電損失的容量占儲存前容量的百分?jǐn)?shù)表示。
化學(xué)電池
化學(xué)電池，是指通過電化學(xué)反應(yīng)，把正極、負(fù)極活性物質(zhì)的化學(xué)能，轉(zhuǎn)化為電能的一類裝置。經(jīng)過長期的研究、發(fā)展，化學(xué)電池迎來了品種繁多，應(yīng)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(jì)的品種。無時(shí)無刻不在為我們的美好生活服務(wù)?，F(xiàn)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，都帶來了電子設(shè)備革命性的發(fā)展?，F(xiàn)代社會的人們，每天的日常生活中，越來越離不開化學(xué)電池了。現(xiàn)在世界上很多電化學(xué)科學(xué)家，把興趣集中在做為電動汽車動力的化學(xué)電池領(lǐng)域。
干電池和液體電池
干電池和液體電池的區(qū)分僅限于早期電池發(fā)展的那段時(shí)期。最早的電池由裝滿電解液的玻璃容器和兩個(gè)電極組成。后來推出了以糊狀電解液為基礎(chǔ)的電池，也稱做干電池。
現(xiàn)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能電池配套使用的鉛酸蓄電池。對于移動設(shè)備，有些使用的是全密封，免維護(hù)的鉛酸蓄電池，這類電池已經(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“用完即棄”電池，因?yàn)樗鼈兊碾娏亢谋M后，無法再充電使用，只能丟棄。常見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，它們可全充放電200多次，有些可充電電池的負(fù)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(yīng)，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(dāng)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(bǔ)電時(shí)間。
燃料電池
燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能透過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置燃料電池是利用氫氣在陽極進(jìn)行的是氧化反應(yīng)，將氫氣氧化成氫離子，而氧氣在陰極進(jìn)行還原反應(yīng)，與由陽極傳來的氫離子結(jié)合生成水。氧化還原反應(yīng)過程中就可以產(chǎn)生電流。燃料電池的技術(shù)包括了出現(xiàn)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(yīng)作為正極反應(yīng)的燃料電池技術(shù)，更是被業(yè)界所看好而積極發(fā)展。
