電池

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電池(Battery)

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電池概述

  電池,一般狹義上的定義是將本身儲存的化學能轉成電能的裝置,廣義的定義為將預先儲存起的能量轉化為可供外用電能的裝置。因此,像太陽能電池只有轉化而無儲存功能的裝置不算是電池。其他名稱有電瓶、電芯,而中文池及瓶也有儲存作用之意。

  英文中,單一個電池結構叫做 “Cell”(單電池),內部有多個Cell並連或串連的結構叫做“Battery”(電池組)。市售一般乾電池其實構造上是“Cell”但英文上習慣稱“Battery”,汽車用鉛酸電池與方形9V電池則是真正的“Battery”。

  廣義概念上的電池包括電化學電池和物理電池。電化學電池是通過氧化還原反應將化學能直接轉換成直流電能的裝置,又常稱之為化學電源;物理電池是將物理過程產生的能量轉換成電能的裝置。所謂電池均指電化學電池。

常用電池分類[1]

  電池大體上有四種分類方法。

  (1)按電解液種類分類

  ①鹼性電池。鹼性電池電解質主要以氫氧化鉀水溶液為主的電池,如:鹼性鋅錳電池(俗稱鹼錳電池或鹼性電池)、鎘鎳電池、氫鎳電池等。

  ②酸性電池。酸性電池主要以硫酸水溶液為介質,如鉛酸蓄電池。

  ③中性電池。中性電池以鹽溶液為介質,如鋅錳乾電池(也稱之為酸性電池)、海水激活電池等。

  ④有機電解液電池。有機電解液電池主要以有機溶液為介質的電池,如鋰電池、鋰離子電池等。

  (2)按工作性質和儲存方式分類

  ①一次電池。又稱原電池,即不能再充電的電池,如鋅錳乾電池、鋰原電池等。

  ②二次電池。即可充電電池,如氫鎳電池、鋰離子電池、鎘鎳電池等。

  ③燃料電池。即活性材料在電池工作時才連續不斷地從外部加入電池,如氫氧燃料電池等。

  ④儲備電池。即電池儲存時不直接接觸電解液,直到電池使用時,才加入電解液,如鎂一氯化銀電池又稱海水激活電池等。

  (3)按電池所用正、負極材料分類

  ①鋅系列電池,如鋅錳電池、鋅銀電池等;鎳系列電池,如鎘鎳電池、氫鎳電池等。

  ②鉛系列電池,如鉛酸電池等;鋰系列電池、鋰鎂電池。

  ③二氧化錳系列電池,如鋅錳電池、鹼錳電池等。

  ④空氣(氧氣)系列電池,如鋅空電池等。

  (4)按蓄電池用途分類

  ①啟動型蓄電池。主要用於汽車、摩托車、拖拉機、柴油機等啟動和照明系統。

  ②固定型蓄電池。主要用於通信、發電廠、電腦系統作為保護、自動控制的備用電源。

  ③牽引型蓄電池。主要作為各種蓄電池車、叉車、鏟車等動力電源。

  ④鐵路用蓄電池。主要用作鐵路內燃機車、電力機車、客車的啟動、照明的動力。

  ⑤儲能用蓄電池。主要用於風力、太陽能等發電用電能儲存。

電池的條件

  要實現化學能向電能的直接轉換,電池必須滿足以下條件:

  1)必須把化學反應中得失電子或電子對偏移的過程限制在正極和負極兩個區域進行,這一點有別於一般的氧化還原反應;

  2)兩極間必須有具有離子導電的介質(電解質);

  3)電池中能量轉換過程的電子傳遞必須經由外電路,這一點與腐蝕微電池有本質不同。

電池的構成[2]

  實用中的電池由正極、負極、電解質、隔膜和容器五部分構成。正極物質具有較高電極電勢,電池放電時,正極接受由外電路傳遞過來的電子,發生還原過程即陰極過程。負極物質具有較低電極電勢,電極工作時,發生氧化反應即陽極過程,向外電路輸送電子。電解質提供電池內部的導電機能,多為電解質水溶液、固體電解質或熔鹽。隔膜是為保證電池內正負極之間既有儘可能小的距離(減小內阻),又絕對不發生短路。電池容器就是外殼,它能耐受電解質的腐蝕。

  電池的基本單元稱為單體電池,根據使用需要常將它們串聯、並聯組合成電池組。

電池常用性能指標[3]

  表徵電池的儘量常用如下性能指標:

  (1)開路電壓和工作電壓在外電路電流無窮小(電路斷開)時兩極間的電勢差,即開路電壓在數值上接近電池電動勢。某些電極如氣體電極,其電極過程受催化劑品種和數量的影響較大,組成電池的開路電壓,與電動勢有較大差異。工作電壓是電池接通負荷後在放電過程中顯示的電壓,亦稱放電電壓(負荷電壓或閉路電壓)。電路接通負荷後,由於電阻和過電勢的存在,其工作電壓總低於開路電壓。

  (2)電池容量指電池放電時能提供的能量,常以符號C表示,以A·h或mA·h為單位。單位質量或單位體積的電池能給出的電量稱為電池的比容量,分別以A·h.kg − 1:或A·h·L − 1表示。由於實際電池的活性物質不可能完全被有效利用,所以實際容量低於理論容量。放電速率快,放電電流大、工作溫度低都可使電池容量降低。

  (3)壽命和貯存期電池在貯存期間雖無負荷卻因自放電(俗稱漏電)而使電池容量白行損失,損失過大時,電池則不能正常工作,甚至報廢,因此每種電池都有一定的貯存期限。蓄電池還規定有充放電周期數(亦稱迴圈數)作為使用壽命或使用年限,

參考文獻

  1. 秦鳴峰.蓄電池的使用與維護.化學工業出版社,2011.09.
  2. 《電氣工程師手冊》第二版編輯委員會編.電氣工程師手冊.機械工業出版社,2000年06月第2版.
  3. 何培之,王世駒.普通化學.科學出版社,2001年02月第1版.
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