电池的基本分类

电池的基本分类电池的种类很多，常用电池主要是干电池、蓄电池，以及体积小的微型电池。此外，还有金属-空气电池、燃料电池以及其他能量转换电池如太阳电池、温差电池、核电池等。干电池常用的一种是碳－锌干电池（图3）。负极是锌做的圆筒，内有氯化铵作为电解质，少量氯化锌、惰性填料及水调成的糊状电解质，正极是四周裹以掺有二氧化锰的糊状电解质的一根碳棒。电极反应是：负极处锌原子成为锌离子（Zn++），释出电子，正极处铵离子(NH嬃)得到电子而成为氨气与氢气。用二氧化锰驱除氢气以消除极化。电动势约为1.5伏。蓄电池种类很多，共同的特点是可以经历多次充电、放电循环，反复使用。铅蓄电池最为常用，其极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸。两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后，正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅，负极处硫酸铅转变成金属铅。放电时，则发生反方向的化学反应。铅蓄电池的电动势约为2伏，常用串联方式组成6伏或12伏的蓄电池组。电池放电时硫酸浓度减小，可用测电解液比重的方法来判断蓄电池是否需要充电或者充电过程是否可以结束。铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，缺点是比能量（单位重量所蓄电能）小，对环境腐蚀性强。由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成。充电后的正极板是棕褐色的二氧化铅（PbO2），负极板是灰色的绒状铅（Pb），当两极板放置在浓度为27％～37％的硫酸(H2SO4)水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反应，二价的铅正离子（Pb2+）转移到电解液中，在负极板上留下两个电子(2e-)。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围，而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅（PbO2）渗入电解液，其中两价的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质——氢氧化铅〔Pb（OH4〕）。氢氧化铅由4价的铅正离子（Pb4+）和4个氢氧根〔4（OH）-〕组成。4价的铅正离子（Pb4+）留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子（H+）和硫酸根负离子（SO42-），在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅(PbSO4)。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子（Pb4+）化合成2价的铅正离子（Pb2+），并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。随着蓄电池的放电，正负极板都受到硫化，同时电解液中的硫酸逐渐减少，而水分增多，从而导致电解液的比重下降在实际使用中，可以通过测定电解液的比重来确定蓄电池的放电程度。在正常使用情况下，铅蓄电池不宜放电过度，否则将使和活性物质混在一起的细小硫酸铅晶体结成较大的体，这不仅增加了极板的电阻，而且在充电时很难使它再还原，直接影响蓄池的容量和寿命。铅蓄电池充电是放电的逆过程。铅蓄电池的工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广泛。采用新型铅合金，可改进铅蓄电池的性能。如用铅钙合金作板栅，能保证铅蓄电池最小的浮充电流、减少添水量和延长其使用寿命；采用铅锂合金铸造正板栅，则可减少自放电和满足密封的需要。此外，开口式铅蓄电池要逐步改为密封式，并发展防酸、防爆式和消氢式铅蓄电池。铅晶蓄电池铅晶蓄电池应用的是专有技术，所采用的高导硅酸盐电解质是传统铅酸电池电解质的复杂性改型，无酸雾内化成工艺是定型工艺的革新。这些技术工艺均属国内外首创，该产品在生产、使用及废弃物中都不存在污染问题，更符合环保要求，由于铅晶蓄电池用硅酸盐取代硫酸液作电解质，从而克服了铅酸电池使用寿命短，不能大电流充放电的一系列缺点，更加符合动力电池的必备条件，铅晶电池也必将对动力电池领域产生巨大的推动作用。铅晶蓄电池较铅酸电池具有无可比拟的优越性：1、铅晶电池的使用寿命长一般铅酸电池循环充放电都在350次左右，而铅晶电池在额定容量放电60%的前提下，循环寿命700多次，相当于铅酸电池寿命的一倍。2、高倍率放电性能好特殊的工艺使铅晶电池具有高倍率放电的特性，一般铅酸电池放电只有3C，铅晶电池放电最大可以达到10C。3、深度放电性能好铅晶电池可深度放电到0V，继续充电可恢复全部额定容量，这一特性相对铅酸电池来讲是难以达到的境界。4、耐低温性能好铅晶电池的温度适应范围比较广，从-20—50℃都能适应，特别是在-20℃的情况下，放电能达到87%。对广大低温地区是不可多得的首选佳品。5、环保性好铅晶电池所采用的新材料、新工艺和新配方，不存在酸雾等挥发的有害物质，对土地、河流等不会造成污染，更加符合环保要求。铁镍蓄电池也叫爱迪生电池。铅蓄电池是一种酸性蓄电池，与之不同，铁镍蓄电池的电解液是碱性的氢氧化钾溶液，是一种碱性蓄电池。其正极为氧化镍，负极为铁。充电、放电的化学反应是电动势约为1.3～1.4伏。其优点是轻便、寿命长、易保养，缺点是效率不高。镍镉蓄电池正极为氢氧化镍，负极为镉，电解液是氢氧化钾溶液，充电、放电的化学反应是其优点是轻便、抗震、寿命长，常用于小型电子设备。银锌蓄电池正极为氧化银，负极为锌，电解液为氢氧化钾溶液。银锌蓄电池的比能量大，能大电流放电，耐震，用作宇宙航行、人造卫星、火箭等的电源。充、放电次数可达约100～150次循环。其缺点是价格昂贵，使用寿命较短。燃料电池一种把燃料在燃烧过程中释放的化学能直接转换成电能的装置。与蓄电池不同之处，是它可以从外部分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂而不需要充电。燃料电池由燃料（例如氢、甲烷等）、氧化剂（例如氧和空气等）、电极和电解液等四部分构成。其电极具有催化性能，且是多孔结构的，以保证较大的活性面积。工作时将燃料通入负极，氧化剂通入正极，它们各自在电极的催化下进行电化学反应以获得电能。燃料电池把燃烧反应所放出的能量直接转变为电能，所以它的能量利用率高，约等于热机效率的2倍以上。此外它还有下述优点：①设备轻巧；②不发噪音，很少污染；③可连续运行；④单位重量输出电能高等。因此，它已在宇宙航行中得到应用，在军用与民用的各个领域中已展现广泛应用的前景。太阳电池把太阳光的能量转换为电能的装置。当日光照射时，产生端电压，得到电流，用于人造卫星、宇宙飞船中的太阳电池是半导体制成的（常用硅光电池）。日光照射太阳电池表面时，半导体PN结的两侧形成电位差。其效率在百分之十以上，典型的输出功率是5～10毫瓦每平方厘米（结面积）。温差电池两种金属接成闭合电路，并在两接头处保持不同温度时，产生电动势，即温差电动势，这叫做塞贝克效应（见温差电现象），这种装置叫做温差电偶或热电偶。金属温差电偶产生的温差电动势较小，常用来测量温度差。但将温差电偶串联成温差电堆时，也可作为小功率的电源，这叫做温差电池。用半导体材料制成的温差电池，温差电效应较强。核电池把核能直接转换成电能的装置(目前的核发电装置是利用核裂变能量使蒸汽受热以推动发电机发电，还不能将核裂变过程中释放的核能直接转换成电能）。通常的核电池包括辐射β射线（高速电子流）的放射性源（例如锶-90），收集这些电子的集电器，以及电子由放射性源到集电器所通过的绝缘体三部分。放射性源一端因失去负电成为正极，集电器一端得到负电成为负极。在放射性源与集电器两端的电极之间形成电位差。这种核电池可产生高电压，但电流很小。它用于人造卫星及探测飞船中，可长期使用。原电池经一次放电（连续或间歇）到电池容量耗尽后，不能再有效地用充电方法使其恢复到放电前状态的电池。特点是携带方便、不需维护、可长期（几个月甚至几年）储存或使用。原电池主要有锌锰电池、锌汞电池、锌空气电池、固体电解质电池和锂电池等。锌锰电池又分为干电池和碱性电池两种。锌锰干电池制造最早而至今仍大量生产的原电池。有圆柱型和叠层型两种结构。其特点是使用方便、价格低廉、原材料来源丰富、适合大量自动化生产。但放电电压不够平稳，容量受放电率影响较大。适于中小放电率和间歇放电使用。新型锌锰干电池采用高浓度氯化锌电解液、优良的二氧化锰粉和纸板浆层结构，使容量和寿命均提高一倍，并改善了密封性能。碱性锌锰电池以碱性电解质代替中性电解质的锌锰电池。有圆柱型和钮扣型两种。这种电池的优点是容量大，电压平稳，能大电流连续放电，可在低温(-40℃)下工作。这种电池可在规定条件下充放电数十次。锌汞电池由美国S.罗宾发明，故又名罗宾电池。是最早发明的小型电池。有钮扣型和圆柱型两种。放电电压平稳，可用作要求不太严格的电压标准。缺点是低温性能差（只能在0℃以上使用），并且汞有毒。锌汞电池已逐渐被其他系列的电池代替。锌空气电池以空气中的氧为正极活性物质，因此比容量大。有碱性和中性两种系列，结构上又有湿式和干式两种。湿式电池只有碱性一种，用NaOH为电解液，价格低廉，多制成大容量（100安·小时以上）固定型电池供铁路信号用。干式电池则有碱性和中性两种。中性空气干电池原料丰富、价格低廉，但只能在小电流下工作。碱性空气干电池可大电流放电，比能量大，连续放电比间歇放电性能好。所有的空气干电池都受环境湿度影响，使用期短，可靠性差，不能在密封状态下使用。固体电解质电池以固体离子导体为电解质，分高温、常温两类。高温的有钠硫电池，可大电流工作。常温的有银碘电池，电压0.6伏，价格昂贵，尚未获得应用。已使用的是锂碘电池，电压2.7伏。这种电池可靠性很高，可用于心脏起搏器。但这种电池放电电流只能达到微安级。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。近年来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。储备电池有两种激活方式，一种是将电解液和电极分开存放，使用前将电解液注入电池组而激活，如镁海水电池、储备式铬酸电池和锌银电池等。另一种是用熔融盐电解质，常温时电解质不导电，使用前点燃加热剂将电解质迅速熔化而激活，称为热电池。这种电池可用钙、镁或锂合金为负极，KCl和LiCl的低共熔体为电解质，CaCrO4、PbSO4或V2O5等为正极，以锆粉或铁粉为加热剂。采用全密封结构可长期储存（10年以上）。储备电池适于特殊用途。标准电池最著名的是惠斯顿标准电池，分饱和型和非饱和型两种。其标准电动势为1.01864伏(20℃)。非饱和型的电压温度系数约为饱和型的1/4。糊式锌-锰干电池由锌筒、电糊层、二氧化锰正极、炭棒、铜帽等组成。最外面的一层是锌筒，它既是电池的负极又兼作容器，在放电过程中它要被逐渐溶解；中央是一根起集流作用的碳棒；紧紧环绕着这根碳棒的是一种由深褐色的或黑色的二氧化锰粉与一种导电材料（石墨或乙炔黑）所构成的混合物，它与碳棒一起构成了电池的正极体，也叫炭包。为避免水分的蒸发，干电池的上部用石蜡或沥青密封。锌-锰干电池工作时的电极反应为锌极：Zn→Zn2+＋2e纸板式锌-锰干电池在糊式锌-锰干电池的基础上改进而成。它以厚度为70～100微米的不含金属杂质的优质牛皮纸为基，用调好的糊状物涂敷其表面，再经过烘干制成纸板，以代替糊式锌-锰干电池中的糊状电解质层。纸板式锌-锰干电池的实际放电容量比普通的糊式锌-锰干电池要高出2～3倍。标有“高性能”字样的干电池绝大部分为纸板式。碱性锌-锰干电池其电解质由汞齐化的锌粉、35％的氢氧化钾溶液再加上一些钠羧甲基纤维素经糊化而成。由于氢氧化钾溶液的凝固点较低、内阻小，因此碱性锌-锰干电池能在－20℃温度下工作，并能大电流放电。碱性锌-锰干电池可充放电循环40多次，但充电前不能进行深度放电（保留60％～70％的容量），并需严格控制充电电流和充电期终的电压。叠层式锌-锰干电池由几个结