電池知識(shí)大學(xué)堂--電池的分類及解釋

鋰電池



以鋰為負(fù)極的電池。它是60年代以后發(fā)展起來的新型高能量電池。按所用電解質(zhì)不同分為：①高溫熔融鹽鋰電池；②有機(jī)電解質(zhì)鋰電池；③無機(jī)非水電解質(zhì)鋰電池；④固體電解質(zhì)鋰電池；⑤鋰水電池。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)是單體電池電壓高，比能量大，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)（可達(dá)10年），高低溫性能好，可在-40～150℃使用。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，安全性不高。另外電壓滯后和安全問題尚待改善。近年來大力發(fā)展動(dòng)力電池和新的正極材料的出現(xiàn)，特別是磷酸亞鐵鋰材料的發(fā)展，對(duì)鋰電發(fā)展有很大幫助。

儲(chǔ)備電池



有兩種激活方式，一種是將電解液和電極分開存放，使用前將電解液注入電池組而激活，如鎂海水電池、儲(chǔ)備式鉻酸電池和鋅銀電池等。另一種是用熔融鹽電解質(zhì)，常溫時(shí)電解質(zhì)不導(dǎo)電，使用前點(diǎn)燃加熱劑將電解質(zhì)迅速熔化而激活，稱為熱電池。這種電池可用鈣、鎂或鋰合金為負(fù)極，KCl和LiCl的低共熔體為電解質(zhì)，CaCrO4、pbSO4或V2O5等為正極，以鋯粉或鐵粉為加熱劑。采用全密封結(jié)構(gòu)可長(zhǎng)期儲(chǔ)存（10年以上）。儲(chǔ)備電池適于特殊用途。

標(biāo)準(zhǔn)電池



最著名的是惠斯頓標(biāo)準(zhǔn)電池，分飽和型和非飽和型兩種。其標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為1.01864伏(20℃)。非飽和型的電壓溫度系數(shù)約為飽和型的1/4。

糊式鋅-錳干電池



由鋅筒、電糊層、二氧化錳正極、炭棒、銅帽等組成。最外面的一層是鋅筒，它既是電池的負(fù)極又兼作容器，在放電過程中它要被逐漸溶解；中央是一根起集流作用的碳棒；緊緊環(huán)繞著這根碳棒的是一種由深褐色的或黑色的二氧化錳粉與一種導(dǎo)電材料（石墨或乙炔黑）所構(gòu)成的混合物，它與碳棒一起構(gòu)成了電池的正極體，也叫炭包。為避免水分的蒸發(fā)，干電池的上部用石蠟或?yàn)r青密封。鋅-錳干電池工作時(shí)的電極反應(yīng)為鋅極：Zn→Zn2+＋2e

紙板式鋅-錳干電池



在糊式鋅-錳干電池的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。它以厚度為70～100微米的不含金屬雜質(zhì)的優(yōu)質(zhì)牛皮紙為基，用調(diào)好的糊狀物涂敷其表面，再經(jīng)過烘干制成紙板，以代替糊式鋅-錳干電池中的糊狀電解質(zhì)層。紙板式鋅-錳干電池的實(shí)際放電容量比普通的糊式鋅-錳干電池要高出2～3倍。標(biāo)有“高性能”字樣的干電池絕大部分為紙板式。

堿性鋅-錳干電池



其電解質(zhì)由汞齊化的鋅粉、35％的氫氧化鉀溶液再加上一些鈉羧甲基纖維素經(jīng)糊化而成。由于氫氧化鉀溶液的凝固點(diǎn)較低、內(nèi)阻小，因此堿性鋅-錳干電池能在－20℃溫度下工作，并能大電流放電。堿性鋅-錳干電池可充放電循環(huán)40多次，但充電前不能進(jìn)行深度放電（保留60％～70％的容量），并需嚴(yán)格控制充電電流和充電期終的電壓。

疊層式鋅-錳干電池



由幾個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的扁平形單體電池疊在一起構(gòu)成。每一個(gè)單體電池均由塑料外殼、鋅皮、導(dǎo)電膜以及隔膜紙、炭餅（正極）組成。隔膜紙是一種吸有電解液的表面有淀粉層的漿層紙，它貼在鋅皮的上面；隔膜紙上面是炭餅。隔膜紙如同糊式干電池的電糊層，起隔離鋅皮負(fù)極和炭餅正極的作用。疊層式鋅-錳干電池減去了圓筒形糊式干電池串聯(lián)組合的麻煩，其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、體積比容量大，但貯存壽命短且內(nèi)阻較大，因而放電電流不宜過大。



納米電池



納米即10-9米,納米電池即用納米材料(如納米MnO2,LiMn2O4,Ni(OH)2等)制作的電池,納米材料具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能(如量子尺寸效應(yīng),表面效應(yīng)和隧道量子效應(yīng)等。目前國內(nèi)技術(shù)成熟的納米電池是納米活性碳纖維電池。主要用于電動(dòng)汽車，電動(dòng)摩托，電動(dòng)助力車上。該種電池可充電循環(huán)1000次，連續(xù)使用達(dá)10年左右一次充電只需20分鐘左右，平路行程達(dá)400km，重量在128kg，已經(jīng)超越美日等國的電池汽車水平。它們生產(chǎn)的鎳氫電池充電約需6-8小時(shí)平路行程300km。

干電池

常用的一種是碳－鋅干電池（圖3）。負(fù)極是鋅做的圓筒，內(nèi)有氯化銨作為電解質(zhì)，少量氯化鋅、惰性填料及水調(diào)成的糊狀電解質(zhì)，正極是四周裹以摻有二氧化錳的糊狀電解質(zhì)的一根碳棒。電極反應(yīng)是：負(fù)極處鋅原子成為鋅離子（Zn++），釋出電子，正極處銨離子(NH嬃)得到電子而成為氨氣與氫氣。用二氧化錳驅(qū)除氫氣以消除極化。電動(dòng)勢(shì)約為1.5伏。

蓄電池

種類很多，共同的特點(diǎn)是可以經(jīng)歷多次充電、放電循環(huán)，反復(fù)使用。

鉛蓄電池

最為常用，其極板是用鉛合金制成的格柵，電解液為稀硫酸。兩極板均覆蓋有硫酸鉛。但充電后，正極處極板上硫酸鉛轉(zhuǎn)變成二氧化鉛，負(fù)極處硫酸鉛轉(zhuǎn)變成金屬鉛。放電時(shí)，則發(fā)生反方向的化學(xué)反應(yīng)。

鉛蓄電池的電動(dòng)勢(shì)約為2伏，常用串聯(lián)方式組成6伏或12伏的蓄電池組。電池放電時(shí)硫酸濃度減小，可用測(cè)電解液比重的方法來判斷蓄電池是否需要充電或者充電過程是否可以結(jié)束。

鉛蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是放電時(shí)電動(dòng)勢(shì)較穩(wěn)定，缺點(diǎn)是比能量（單位重量所蓄電能）小，對(duì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)。

由正極板群、負(fù)極板群、電解液和容器等組成。充電后的正極板是棕褐色的二氧化鉛（pbO2），負(fù)極板是灰色的絨狀鉛（pb），當(dāng)兩極板放置在濃度為27％～37％的硫酸(H2SO4)水溶液中時(shí)，極板的鉛和硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，二價(jià)的鉛正離子（pb2+）轉(zhuǎn)移到電解液中，在負(fù)極板上留下兩個(gè)電子(2e-)。由于正負(fù)電荷的引力，鉛正離子聚集在負(fù)極板的周圍，而正極板在電解液中水分子作用下有少量的二氧化鉛（pbO2）滲入電解液，其中兩價(jià)的氧離子和水化合，使二氧化鉛分子變成可離解的一種不穩(wěn)定的物質(zhì)——?dú)溲趸U〔pb（OH4〕）。氫氧化鉛由4價(jià)的鉛正離子（pb4+）和4個(gè)氫氧根〔4（OH）-〕組成。4價(jià)的鉛正離子（pb4+）留在正極板上，使正極板帶正電。由于負(fù)極板帶負(fù)電，因而兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)接通外電路，電流即由正極流向負(fù)極。在放電過程中，負(fù)極板上的電子不斷經(jīng)外電路流向正極板，這時(shí)在電解液內(nèi)部因硫酸分子電離成氫正離子（H+）和硫酸根負(fù)離子（SO42-），在離子電場(chǎng)力作用下，兩種離子分別向正負(fù)極移動(dòng)，硫酸根負(fù)離子到達(dá)負(fù)極板后與鉛正離子結(jié)合成硫酸鉛(pbSO4)。在正極板上，由于電子自外電路流入，而與4價(jià)的鉛正離子（pb4+）化合成2價(jià)的鉛正離子（pb2+），并立即與正極板附近的硫酸根負(fù)離子結(jié)合成硫酸鉛附著在正極上。

隨著蓄電池的放電，正負(fù)極板都受到硫化，同時(shí)電解液中的硫酸逐漸減少，而水分增多，從而導(dǎo)致電解液的比重下降在實(shí)際使用中，可以通過測(cè)定電解液的比重來確定蓄電池的放電程度。在正常使用情況下，鉛蓄電池不宜放電過度，否則將使和活性物質(zhì)混在一起的細(xì)小硫酸鉛晶體結(jié)成較大的體，這不僅增加了極板的電阻，而且在充電時(shí)很難使它再還原，直接影響蓄池的容量和壽命。鉛蓄電池充電是放電的逆過程。

鉛蓄電池的工作電壓平穩(wěn)、使用溫度及使用電流范圍寬、能充放電數(shù)百個(gè)循環(huán)、貯存性能好（尤其適于干式荷電貯存）、造價(jià)較低，因而應(yīng)用廣泛。采用新型鉛合金，可改進(jìn)鉛蓄電池的性能。如用鉛鈣合金作板柵，能保證鉛蓄電池最小的浮充電流、減少添水量和延長(zhǎng)其使用壽命；采用鉛鋰合金鑄造正板柵，則可減少自放電和滿足密封的需要。此外，開口式鉛蓄電池要逐步改為密封式，并發(fā)展防酸、防爆式和消氫式鉛蓄電池。

鉛晶蓄電池

鉛晶蓄電池應(yīng)用的是專有技術(shù)，所采用的高導(dǎo)硅酸鹽電解質(zhì)是傳統(tǒng)鉛酸電池電解質(zhì)的復(fù)雜性改型，無酸霧內(nèi)化成工藝是定型工藝的革新。

這些技術(shù)工藝均屬國內(nèi)外首創(chuàng)，該產(chǎn)品在生產(chǎn)、使用及廢棄物中都不存在污染問題，更符合環(huán)保要求，由于鉛晶蓄電池用硅酸鹽取代硫酸液作電解質(zhì)，從而克服了鉛酸電池使用壽命短，不能大電流充放電的一系列缺點(diǎn)，更加符合動(dòng)力電池的必備條件，鉛晶電池也必將對(duì)動(dòng)力電池領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的推動(dòng)作用。

鉛晶蓄電池較鉛酸電池具有無可比擬的優(yōu)越性：

1、鉛晶電池的使用壽命長(zhǎng)

一般鉛酸電池循環(huán)充放電都在350次左右，而鉛晶電池在額定容量放電60%的前提下，循環(huán)壽命700多次，相當(dāng)于鉛酸電池壽命的一倍。

2、高倍率放電性能好

特殊的工藝使鉛晶電池具有高倍率放電的特性，一般鉛酸電池放電只有3C，鉛晶電池放電最大可以達(dá)到10C。

3、深度放電性能好

鉛晶電池可深度放電到0V，繼續(xù)充電可恢復(fù)全部額定容量，這一特性相對(duì)鉛酸電池來講是難以達(dá)到的境界。

4、耐低溫性能好

鉛晶電池的溫度適應(yīng)范圍比較廣，從-20—50℃都能適應(yīng)，特別是在-20℃的情況下，放電能達(dá)到87%。對(duì)廣大低溫地區(qū)是不可多得的首選佳品。

5、環(huán)保性好

鉛晶電池所采用的新材料、新工藝和新配方，不存在酸霧等揮發(fā)的有害物質(zhì)，對(duì)土地、河流等不會(huì)造成污染，更加符合環(huán)保要求。

鐵鎳蓄電池

也叫愛迪生電池。鉛蓄電池是一種酸性蓄電池，與之不同，鐵鎳蓄電池的電解液是堿性的氫氧化鉀溶液，是一種堿性蓄電池。其正極為氧化鎳，負(fù)極為鐵。充電、放電的化學(xué)反應(yīng)是

電動(dòng)勢(shì)約為1.3～1.4伏。其優(yōu)點(diǎn)是輕便、壽命長(zhǎng)、易保養(yǎng)，缺點(diǎn)是效率不高。

鎳鎘蓄電池

正極為氫氧化鎳，負(fù)極為鎘，電解液是氫氧化鉀溶液，充電、放電的化學(xué)反應(yīng)是

其優(yōu)點(diǎn)是輕便、抗震、壽命長(zhǎng)，常用于小型電子設(shè)備。

銀鋅蓄電池

正極為氧化銀，負(fù)極為鋅，電解液為氫氧化鉀溶液。

銀鋅蓄電池的比能量大，能大電流放電，耐震，用作宇宙航行、人造衛(wèi)星、火箭等的電源。充、放電次數(shù)可達(dá)約100～150次循環(huán)。其缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，使用壽命較短。

燃料電池

一種把燃料在燃燒過程中釋放的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。與蓄電池不同之處，是它可以從外部分別向兩個(gè)電極區(qū)域連續(xù)地補(bǔ)充燃料和氧化劑而不需要充電。燃料電池由燃料（例如氫、甲烷等）、氧化劑（例如氧和空氣等）、電極和電解液等四部分構(gòu)成。其電極具有催化性能，且是多孔結(jié)構(gòu)的，以保證較大的活性面積。工作時(shí)將燃料通入負(fù)極，氧化劑通入正極，它們各自在電極的催化下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)以獲得電能。

燃料電池把燃燒反應(yīng)所放出的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽运哪芰坷寐矢撸s等于熱機(jī)效率的2倍以上。此外它還有下述優(yōu)點(diǎn)：①設(shè)備輕巧；②不發(fā)噪音，很少污染；③可連續(xù)運(yùn)行；④單位重量輸出電能高等。因此，它已在宇宙航行中得到應(yīng)用，在特種與民用的各個(gè)領(lǐng)域中已展現(xiàn)廣泛應(yīng)用的前景。

太陽電池

把太陽光的能量轉(zhuǎn)換為電能的裝置。當(dāng)日光照射時(shí)，產(chǎn)生端電壓，得到電流，用于人造衛(wèi)星、宇宙飛船中的太陽電池是半導(dǎo)體制成的（常用硅光電池）。日光照射太陽電池表面時(shí)，半導(dǎo)體pN結(jié)的兩側(cè)形成電位差。其效率在百分之十以上，典型的輸出功率是5～10毫瓦每平方厘米（結(jié)面積）。

溫差電池

兩種金屬接成閉合電路，并在兩接頭處保持不同溫度時(shí)，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即溫差電動(dòng)勢(shì)，這叫做塞貝克效應(yīng)（見溫差電現(xiàn)象），這種裝置叫做溫差電偶或熱電偶。金屬溫差電偶產(chǎn)生的溫差電動(dòng)勢(shì)較小，常用來測(cè)量溫度差。但將溫差電偶串聯(lián)成溫差電堆時(shí)，也可作為小功率的電源，這叫做溫差電池。用半導(dǎo)體材料制成的溫差電池，溫差電效應(yīng)較強(qiáng)。

核電池

把核能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置(目前的核發(fā)電裝置是利用核裂變能量使蒸汽受熱以推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，還不能將核裂變過程中釋放的核能直接轉(zhuǎn)換成電能）。通常的核電池包括輻射β射線（高速電子流）的放射性源（例如鍶-90），收集這些電子的集電器，以及電子由放射性源到集電器所通過的絕緣體三部分。放射性源一端因失去負(fù)電成為正極，集電器一端得到負(fù)電成為負(fù)極。在放射性源與集電器兩端的電極之間形成電位差。這種核電池可產(chǎn)生高電壓，但電流很小。它用于人造衛(wèi)星及探測(cè)飛船中，可長(zhǎng)期使用。

原電池

經(jīng)一次放電（連續(xù)或間歇）到電池容量耗盡后，不能再有效地用充電方法使其恢復(fù)到放電前狀態(tài)的電池。特點(diǎn)是攜帶方便、不需維護(hù)、可長(zhǎng)期（幾個(gè)月甚至幾年）儲(chǔ)存或使用。原電池主要有鋅錳電池、鋅汞電池、鋅空氣電池、固體電解質(zhì)電池和鋰電池等。鋅錳電池又分為干電池和堿性電池兩種。

鋅錳干電池

制造最早而至今仍大量生產(chǎn)的原電池。有圓柱型和疊層型兩種結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是使用方便、價(jià)格低廉、原材料來源豐富、適合大量自動(dòng)化生產(chǎn)。但放電電壓不夠平穩(wěn)，容量受放電率影響較大。適于中小放電率和間歇放電使用。新型鋅錳干電池采用高濃度氯化鋅電解液、優(yōu)良的二氧化錳粉和紙板漿層結(jié)構(gòu)，使容量和壽命均提高一倍，并改善了密封性能。

堿性鋅錳電池

以堿性電解質(zhì)代替中性電解質(zhì)的鋅錳電池。有圓柱型和鈕扣型兩種。這種電池的優(yōu)點(diǎn)是容量大，電壓平穩(wěn)，能大電流連續(xù)放電，可在低溫(-40℃)下工作。這種電池可在規(guī)定條件下充放電數(shù)十次。

鋅汞電池

由美國S.羅賓發(fā)明，故又名羅賓電池。是最早發(fā)明的小型電池。有鈕扣型和圓柱型兩種。放電電壓平穩(wěn)，可用作要求不太嚴(yán)格的電壓標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是低溫性能差（只能在0℃以上使用），并且汞有毒。鋅汞電池已逐漸被其他系列的電池代替。

鋅空氣電池

以空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，因此比容量大。有堿性和中性兩種系列，結(jié)構(gòu)上又有濕式和干式兩種。濕式電池只有堿性一種，用NaOH為電解液，價(jià)格低廉，多制成大容量（100安·小時(shí)以上）固定型電池供鐵路信號(hào)用。干式電池則有堿性和中性兩種。中性空氣干電池原料豐富、價(jià)格低廉，但只能在小電流下工作。堿性空氣干電池可大電流放電，比能量大，連續(xù)放電比間歇放電性能好。所有的空氣干電池都受環(huán)境濕度影響，使用期短，可靠性差，不能在密封狀態(tài)下使用。

固體電解質(zhì)電池

以固體離子導(dǎo)體為電解質(zhì)，分高溫、常溫兩類。高溫的有鈉硫電池，可大電流工作。常溫的有銀碘電池，電壓0.6伏，價(jià)格昂貴，尚未獲得應(yīng)用。已使用的是鋰碘電池，電壓2.7伏。這種電池可靠性很高，可用于心臟起搏器。但這種電池放電電流只能達(dá)到微安級(jí)。

堿性蓄電池

與同容量的鉛蓄電池相比，其體積小，壽命長(zhǎng)，能大電流放電，但成本較高。堿性蓄電池按極板活性材料分為鐵鎳、鎘

鎳、鋅銀蓄電池等系列。以鎘鎳蓄電池為例，堿性蓄電池的工作原理是：蓄電池極板的活性物質(zhì)在充電后，正極板為氫氧化鎳〔Ni（OH）3〕，負(fù)極板為金屬鎘（Cd）；而放電終止時(shí)，正極板轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸瘉嗘嚒睳i(OH2)〕，負(fù)極板轉(zhuǎn)變?yōu)闅溲趸k〔Cd(OH)2〕，電解液多選用氫氧化鉀（KOH）溶液。

金屬-空氣電池

以空氣中的氧氣作為正極活性物質(zhì)，金屬作為負(fù)極活性物質(zhì)的一種高能電池。使用的金屬一般是鎂、鋁、鋅、鎘、鐵等；電解質(zhì)為水溶液。其中鋅?空氣電池已成為成熟的產(chǎn)品。

金屬-空氣電池具有較高的比能量，這是因?yàn)榭諝獠挥?jì)算在電池的重量之內(nèi)。鋅?空氣電池的比能量是現(xiàn)生產(chǎn)的電池中最高的，已達(dá)400瓦·小時(shí)／千克（Wh／kg），是一種高性能中功率電池，并正向高功率電池的方向發(fā)展。目前生產(chǎn)的金屬-空氣電池主要是一次電池；研制中的二次金屬-空氣電池為采用更換金屬電極的機(jī)械再充電電池。由于金屬-空氣電池工作時(shí)要不斷地供應(yīng)空氣，因此它不能在密封狀態(tài)或缺少空氣的環(huán)境中工作。此外，電池中的電解質(zhì)溶液易受空氣濕度的影響而使電池性能下降；空氣中的氧會(huì)透過空氣電極并擴(kuò)散到金屬電極上，形成腐蝕電池引起自放電