电池基础知识

干电池

干电池使用固定化的电解质，可最大程度减少水分并具有出色的便携性。

定义干电池

在电力中，电池是由一个或多个电化学电池组成的设备，该电化学电池将存储的化学能转换为电能。干电池是电化学电池的许多常规类型之一。

干电池将电解质固定为糊状，其中只有足够的水分以使电流流动。与干电池不同，干电池可以在任何方向上操作而不会溢出，因为它不含游离液体。这种多功能性使其适用于便携式设备。相比之下，第一批湿电池通常是易碎的玻璃容器，其引线杆从敞开的顶部悬挂。因此，他们需要仔细处理以避免溢出。干电池的发展使电池的安全性和便携性取得了重大进步。

常见的干电池是锌碳电池，它使用的电池有时称为Leclanché电池。电池由外部锌容器组成，该锌容器充当阳极。阴极是中央碳棒，被碳和二氧化锰(IV)(MnO 2)的混合物包围。电解质是氯化铵(NH 4 Cl)的糊状物。纤维织物将两个电极隔开，位于电池中心的黄铜销将电传导到外部电路。

锌碳干电池：锌碳干电池的图示。在其中，锌壳充当阳极，包围碳棒，碳棒充当阴极。在它们之间，电解质浆料充当电池。电池的每个部分都会发生化学反应，以便进行能量存储。可以使用描述电子流的平衡化学方程式描述反应。氯化铵糊剂根据以下半反应进行反应：

2NH4(水)+2?-→2NH3(G)+H2(G)2NH4(水)+2?-→2NH3(G)+H2(G)电池中的锰(IV)氧化物根据以下反应除去氯化铵产生的氢：

2二氧化锰2(s)+H2(G)→锰2?3(s)+H2?(升)2二氧化锰2(s)+H2(G)→锰2?3(s)+H2?(升)这两个反应的合并结果在阴极发生。将这两个反应加在一起，我们得到：

2NH4(水)+2二氧化锰2(s)+2?→锰2?3(s)+2NH3(G)+H2?(升)2NH4(水)+2二氧化锰2(s)+2?→锰2?3(s)+2NH3(G)+H2?(升)最后，阳极半反应如下：

锌(s)→锌2++2?-锌(s)→锌2++2?-因此，该单元格的总等式为：

锌(s)+2二氧化锰2(s)+2NH4(水)→锰2?3(s)+H2?(升)+锌2+2NH3(G)锌(s)+2二氧化锰2(s)+2NH4(水)→锰2?3(s)+H2?(升)+锌2+2NH3(G)上述反应的电势为1.50V。

干电池的另一个例子是碱性电池。碱性电池与锌碳电池几乎相同，不同之处在于所使用的电解质是氢氧化钾(KOH)而不是氯化铵。在某些容量比标准碱性电池低得多的所谓“高功率”电池中，氯化铵被氯化锌代替。

汞电池

汞电池是一种常见的电化学电池，根据1996年的《电池法》在美国逐渐淘汰了其主流用途。

氧化汞电池的应用

汞电池在20世纪非常普遍，并在许多常见的小型和大型电器中使用。

汞电池的优势包括其较长的保质期和稳定的电压输出。

汞电池使用汞化合物作为阴极，并使用锌阳极。

汞法与其他依靠重金属的电池一起被《电池法》淘汰，该法力求减少一次性电池对环境的影响。

阳极：发生氧化的电化学电池的电极。

电解质：在溶液中或熔融时会电离并导电的物质。

阴极：发生还原的电化学电池的电极。

汞电池，也称为氧化汞电池或汞电池，是不可充电的电化学电池。这些电池以纽扣电池的形式用于手表，助听器和计算器，并以较大的形式用于其他设备(包括对讲机)。

汞手表电池：汞电池由于尺寸大而方便。这是一款小型手表水银电池。汞电池具有长达10年的超长保质期和稳定的电压输出的优势。尽管这些电池在20世纪中叶非常普遍，但出于对环境的关注，1996年美国通过的《含汞和可充电电池管理法》(《电池法》)在很大程度上淘汰了汞电池。

汞电池使用纯氧化汞或氧化汞与二氧化锰的混合物作为阴极。氧化汞电池由锌阳极，氧化汞阴极和氢氧化钾或氢氧化钠作为电解质构成。由于氧化汞是非导体，因此将一些石墨混入其中。这有助于防止汞收集成大滴。在放电过程中，锌氧化为氧化锌，氧化汞还原为元素汞。电池中会放一些多余的氧化汞，以防止氢气在其使用寿命结束时放出。

在汞电池中，氢氧化钠或氢氧化钾用作电解质。氢氧化钠电池在低放电电流下具有几乎恒定的电压，使其成为助听器，计算器和电子表的理想选择。氢氧化钾电池又可在较高电流下提供恒定电压，使其适合需要电涌的应用，例如带闪光灯的照相相机和带背光的手表。氢氧化钾电池在较低温度下也具有更好的性能。

电池法

1996年，《含汞和可充电电池管理法》(《电池法》;公共法104-142)在美国签署为法律。该法案的预期目标是减少城市废物，溪流和地下水中的重金属。这是由于一次性电池中的汞以及其他有毒金属(例如铅酸电池中的铅和可充电电池中的镉)的处置所致。因此，该法律试图逐步淘汰电池中汞的使用，因为它对环境造成了破坏。

铅蓄电池

铅酸电池可提供大电流并能长时间存储电荷，因此对于车辆至关重要。

铅酸电池，也称为铅蓄电池，可以存储大量电荷并在短时间内提供高电流。

自1859年Planté设计铅酸电池以来，其基本设计并未发生太大变化，尽管Faure进行了一些改进。

铅酸电池可以充电，这对于在汽车中使用非常重要。

释放存储的能量依赖于正极板和负极板都变成硫酸铅(II)，并且电解液损失了大部分溶解的硫酸。

木质素磺酸盐：水溶性阴离子聚电解质聚合物;它们是使用亚硫酸盐制浆生产木浆的副产品。

铅电池

铅蓄电池，也称为铅酸蓄电池，是最古老的可再充电电池，也是最常见的储能设备之一。这些电池是法国物理学家加斯顿·普兰特(GastonPlanté)于1859年发明的，至今仍在各种应用中使用。大多数人习惯于在车辆中使用它们，因为他们有能力提供大电流来提升动力。

尽管电池是可靠的，但它们的寿命有限，运输时很重，并且含有有毒材料，需要在使用寿命结束时采取特殊的清除方法。铅酸电池具有中等的功率密度和良好的响应时间。取决于所采用的电源转换技术，电池可以从接受能量到瞬间提供能量。铅酸电池受温度影响，必须维护以达到最大预期寿命。

设计铅蓄电池

在Planté的铅酸电池设计中，正极板和负极板由两个螺旋状的铅箔制成，并用一块布将其分开，然后盘绕起来。电池最初容量低。需要缓慢的“成型”过程来腐蚀铅箔，在板上形成二氧化铅并使它们变粗糙以增加表面积。Planté板仍用于某些固定式应用中，在这些固定式应用中，将板机械开槽以增加表面积。

铅蓄电池：表示铅蓄电池如何由六个串联的两个2伏电池组成的图。还显示了每个单元格的组成。Camille Alphonse Faure的粘贴板结构是当今汽车电池的典型代表。每块板均由一个矩形的铅栅组成。网格的孔充满了红铅和33%的稀硫酸的糊剂。这种多孔糊状物使酸与板内部的铅发生反应，从而增加了表面积。干燥后，将板与合适的隔板堆叠在一起，然后插入电池容器中。通常使用奇数个极板，负极板比正极板多一个。每个备用板都已连接。

糊状物包含炭黑，硫酸钡和木质素磺酸盐。硫酸钡用作硫酸铅-硫酸铅反应的晶种。木质素磺酸盐可防止负极板在放电周期中形成固体，而可形成长的针状晶体。炭黑抵消了由木质素磺酸盐引起的抑制形成的作用。

放电化学

在放电状态下，正极板和负极板均变为硫酸铅(II)(PbSO 4)。电解质会损失掉大部分溶解的硫酸，主要变成水。放电过程是由电子从负极板传导回外部电路中正极板上的电池驱动的。

板反应阴性：Pb(s)+ HSO 4 –(aq)→PbSO 4(s)+ H +(aq)+ 2e –

正极板反应：PbO 2(s)+ HSO 4 –(水溶液)+ 3H +(aq)+ 2e – →PbSO 4(s)+ 2H 2 O(l)

结合这两个反应，可以确定总体反应：

Pb(s)+ PbO 2(s)+ 2H +(aq)+ 2HSO 4 –(aq)→2PbSO 4(s)+ 2H 2 O(l)

电荷化学

这种类型的电池可以充电。在充电状态下，每个电池在大约4.2 M的硫酸(H 2 SO 4)电解质中包含元素铅(Pb)的负极板和氧化铅(IV)(PbO 2)正极板。充电过程是通过强制将电子从正极板中移出并通过充电源将其强制引入负极板来实现的。

板反应阴性：PbSO 4(s)+ H +(aq)+ 2e – →Pb(s)+ HSO 4 –(aq)

正极板反应：PbSO 4(s)+ 2H 2 O(l)→PbO 2(s)+ HSO 4 –(水溶液)+ 3H +(aq)+ 2e –

结合这两个反应，整体反应与放电反应相反：

2PbSO 4(s)+ 2H 2 O(l)→Pb(s)+ PbO 2(s)+ 2H +(aq)+ 2HSO 4 –(aq)

请注意，充电反应与放电反应完全相反。

其他可充电电池

对许多种类的可再充电电池的需求是由于它们较低的成本和较低的环境影响。

可充电电池通过可逆的化学反应存储能量，这使电池耗尽后可以再次存储电荷。

可充电电池的总使用成本和对环境的影响均低于一次性电池，这可能就是为什么美国对可充电电池的需求增长快于对非可充电电池的需求的原因。

常见的充电电池类型包括铅酸，镍镉(NiCd)，镍氢(NiMH)，锂离子(Li-ion)，锂离子聚合物(LiPo)和可充电碱性电池。

二次电池：可充电的电池，因为它通过可逆的化学反应将化学能转化为电能。

能量密度：相对于电池体积可以存储的能量量。

可充电电池

可再充电电池是由一个或多个电化学电池组成的一种电池。由于其电化学反应是电可逆的，因此被称为二次电池。换句话说，在耗尽存储的电荷后，电池的化学反应会反过来再次发生，以存储新的电荷。美国对可充电电池的需求增长速度是对非可充电电池的两倍，部分原因是可充电电池对环境的影响和总使用成本低于一次性电池。

电网储能应用将充电电池用于负载均衡。负载均衡涉及存储电能以在峰值负载期间使用。通过在电力需求低时为电池充电以在电力需求高时使用，负载均衡有助于消除对昂贵的峰值发电厂的需求，并有助于在更长的运行小时内降低发电机的成本。

充电电池构造

与所有电池一样，可充电电池由阳极，阴极和电解质组成。在充电期间，阳极材料被氧化，产生电子，阴极被还原，消耗电子。

电池充电：电池充电图。这些电子构成了外部电路中的电流。电解质可以用作电极之间内部离子流动的简单缓冲液(如锂离子和镍镉电池)，也可以是电化学反应的积极参与者(如铅酸电池)。

可充电电池的类型

充电电池中通常使用几种不同的化学药品组合。不同类型包括铅酸，镍镉(NiCd)，镍金属氢化物(NiMH)，锂离子(Li-ion)，锂离子聚合物(LiPo)和可充电碱性电池。

铅酸电池

铅酸电池是法国物理学家GastonPlanté于1859年发明的，是最古老的可充电电池。它们提供高浪涌电流的能力意味着电池保持相对较大的功率重量比。这些特征以及低成本使得它们对于需要大电流的机动车辆具有吸引力。

镍氢电池

镍氢电池，简称NiMH或Ni-MH，与镍镉电池(NiCd)非常相似。NiMH电池和NiCd一样都使用羟基氧化镍(NiOOH)的正极，但是负极使用吸氢合金代替镉。NiMH电池的容量是同等大小的NiCd电池的两到三倍，其能量密度接近锂离子电池的能量密度。

锂离子电池

锂离子电池是一类可再充电电池，其中锂离子在放电过程中从负极移动到正极，并在充电时从负极移动到正极。常规锂离子电池的负极由碳制成。正极是金属氧化物，电解质是有机溶剂中的锂盐。它们是便携式电子设备中最受欢迎的可再充电电池之一，具有最佳的能量密度之一，并且在不使用时充电缓慢。锂离子电池比NiCd电池更昂贵，但可以在更宽的温度范围内工作，同时体积更小，重量更轻。它们非常脆弱，因此需要保护电路来限制峰值电压。

锂离子聚合物电池

锂离子聚合物(LiPo)电池通常由并联的几个相同的二次电池组成，以增加放电电流的能力。它们通常以串联“包装”的形式提供，以增加总的可用电压。它们与锂离子电池的主要区别在于它们的锂盐电解质不保存在有机溶剂中。相反，它处于固体聚合物复合材料中，例如聚环氧乙烷或聚丙烯腈。LiPo优于锂离子设计的优势包括潜在的较低制造成本，对各种包装形状的适应性，可靠性和坚固性。它们的主要缺点是电荷较少。

碱性电池

还存在碱性电池的可充电形式，其是取决于锌(Zn)和二氧化锰(MnO 2)之间反应的一种原电池。它们在制造过程中充满电，能够携带数年的电量，比大多数自放电的NiCd和NiMH电池更长。与一次性电池相比，可充电碱性电池还可以具有较高的充电效率并且对环境的影响较小。

锂离子电池

锂离子电池是消费电子产品中常用的可充电电池。他们依靠Li +迁移。

优异的能量密度，无记忆效应，以及不使用时仅缓慢失去电荷的特性，使锂离子电池普遍用于消费电子，军事，电动汽车和航空航天应用。

阳极通常是含锂的化合物，而阴极通常是含碳的化合物。

放电反应依赖于电解质中的锂离子从阴极中提取出来并移动到阳极，而在充电反应中则相反。

阳极：发生氧化的电化学电池的电极。

阴极：发生还原的电化学电池的电极。

电解质：在溶液中或熔融时会电离并导电的物质。

锂离子电池(锂离子电池或LIB)是一类可再充电电池，其中，锂离子在放电过程中会从负极移动到正极。电池充电时，离子遵循相反的路径。锂离子电池使用锂化合物作为电极材料。

锂离子电池的用途

锂离子电池在消费电子产品中很常见。它们是便携式电子设备中最受欢迎的可再充电电池之一，因为它们具有最佳的能量密度之一，并且在不使用时充电缓慢。

笔记本电脑锂离子电池：锂离子电池非常适合用于便携式电子产品，包括笔记本电脑。

除消费电子领域外，LIB在军事，电动汽车和航空航天应用中也越来越受欢迎。研究正在产生对传统LIB技术的一系列改进，重点是能量密度，耐用性，成本和安全性。

锂离子电池的类型

化学，性能，成本和安全性随LIB的类型而异。手持式电子产品大多使用基于钴酸锂(LCO)的LIB，该LIB具有高能量密度，但具有众所周知的安全问题，尤其是在损坏时。磷酸铁锂(LFP)，锂锰氧化物(LMO)和锂镍锰钴氧化物(LiNMC)电池具有较低的能量密度，但使用寿命更长，并且具有固有的安全性。这些化学成分或化学物质被广泛用于为电动工具和医疗设备供电。

充电与放电

锂离子电池中电化学反应的三个参与者是阳极，阴极和电解质。作为含锂化合物的阳极和作为含碳化合物的阴极都是锂离子可迁移到其中的材料。电解质是有机溶剂中的锂盐。当锂基电池放电时，正锂离子会从阴极中提取出来并插入阳极中，从而释放出存储的能量。电池充电时，会发生相反的情况。

阴极和阳极材料

商业上最流行的阴极材料是石墨。阳极通常是以下三种材料之一：层状氧化物(例如钴酸锂)，聚阴离子(例如磷酸铁锂)或尖晶石(例如锰酸锂)。电解质通常是包含锂离子络合物的有机碳酸酯的混合物，例如碳酸亚乙酯或碳酸二乙酯。

在锂离子电池中，锂离子往返于阴极或阳极传输。过渡金属钴(Co)在充电过程中从Co 3+氧化为Co 4+，在放电过程中从Co 4+还原为Co 3+。

燃料电池

燃料电池是电池的引人注目的替代品，但它们仍处于开发的早期阶段。

燃料电池是一种通过与氧气或另一种氧化剂的化学反应将燃料中的化学能转化为电能的装置。

电池在密闭系统中工作，而燃料电池则需要补充其反应物。

在燃料电池中使用氢作为主要燃料来源有许多优点和缺点，这使其在主流用途方面一直存在争议。

燃料电池由三个相邻的部分组成：阳极，电解质和阴极。

阳极：发生氧化的电化学电池的电极。

燃料电池：一种通过与氧气或其他氧化剂发生化学反应将燃料中的化学能转化为电能的装置。

阴极：发生还原的电化学电池的电极。

电池：通过两种物质之间的化学反应产生电能的设备。

简介与历史

燃料电池是通过与氧气或另一种氧化剂的化学反应将燃料的化学能转化为电能的装置。氢是最常见的燃料，但有时会使用碳氢化合物，例如天然气和酒精。燃料电池与电池的不同之处在于，它们需要恒定的燃料和氧气来运行，但是只要提供这些输入，它们就可以连续发电。微型燃料电池的发展可以提供一种廉价，有效且可重复使用的电池替代品。

威廉·格罗夫(William Grove)在1839年开发了第一批粗燃料电池。燃料电池的第一种商业用途是在NASA太空计划中，以为探测器，卫星和太空舱发电。当前，燃料电池用于商业，工业和住宅建筑物以及偏远或无法进入的区域的主电源和备用电源。它们用于为燃料电池汽车提供动力，包括汽车，公共汽车，叉车，飞机，轮船，摩托车和潜艇。

燃料电池的结构与功能

燃料电池的类型很多，但都由阳极(负极)，阴极(正极)和电解质(允许电荷在燃料电池的两侧之间移动)组成。

燃料电池：燃料电池通过与氧气或其他氧化剂的化学反应将燃料的化学能转化为电能。但是，使用氢作为燃料电池中的主要燃料来源有很多利弊，这使其在主流用途中一直存在争议。电子通过外部电路从阳极吸引到阴极，产生直流电。燃料电池按其使用的电解质分类，这是各种类型燃料电池之间的主要区别。单个燃料电池产生相对较小的电位(约0.7伏)，因此将电池“堆叠”或串联放置以增加电压。除电力外，燃料电池还产生水，热量，并根据燃料来源产生非常少量的二氧化氮和其他排放物。燃料电池的能量效率通常在40%至60%之间;如果将余热收集起来使用，则可达到85%。

尽管燃料电池类型多种多样，但它们都以相同的通用方式工作。在三个不同部分的界面处发生两个化学反应。这两个反应的最终结果是消耗了燃料，产生了水或二氧化碳，并产生了电流，该电流可用于为电气设备供电，通常称为“负载”。

在阳极处，催化剂将燃料(通常为氢)氧化，从而将燃料转变为带正电的离子和带负电的电子。电解质是专门设计的物质，因此离子可以穿过电解质，而电子不能穿过。释放的电子穿过导线，产生电流。离子穿过电解质到达阴极。在那里，离子与电子重新结合，并且两者与第三种化学物质(通常是氧气)反应生成水或二氧化碳。

燃料电池的优缺点

在某些应用中，氢燃料电池的使用存在争议。首先，由于能量用于产生氢比得上能量中的氢，它是低效率的，并且因此是昂贵的。如果使用传统的发电厂生产氢气，那么目前的污染率充其量不会有任何积极的变化。其他类型的燃料电池则没有这个问题。例如，生物燃料电池从食物残渣中获取葡萄糖和甲醇，然后将其转化为氢和食物，以分解细菌。

但是，氢燃料电池有几个优点。如果使用清洁的可再生能源(例如太阳能和风能)产生的电能来产生氢气，则与大型电池组相比，该能量可以更容易地存储。

还有一些实际问题需要克服。尽管在不久的将来可能会在消费产品中使用燃料电池，但是如果朝上放置，大多数当前设计将无法使用。此外，当前的燃料电池无法按比例缩小到便携式设备(如手机)所需的小尺寸。当前的设计还需要排气，因此不能在水下运行。由于燃油可能会通过通风孔泄漏，因此它们可能无法在飞机上使用。最后，用于安全消费燃料电池的技术还没有到位。

汽车中的燃料电池：燃料电池是不使用汽油行驶的汽车的潜在能源。然而，尽管燃料电池提供清洁的可再生能源，但其广泛采用仍存在一些障碍。