電池

電池

電池(Battery)指盛有電解質溶液金屬電極以產生電流的杯、槽或其他容器或複合容器的部分空間,能將化學能轉化成電能的裝置。具有正極負極之分。隨著科技的進步,電池泛指能產生電能的小型裝置。如太陽能電池。電池的性能參數主要有電動勢、容量、比能量電阻。利用電池作為能量來源,可以得到具有穩定電壓,穩定電流,長時間穩定供電,受外界影響很小的電流,並且電池結構簡單,攜帶方便,充放電操作簡便易行,不受外界氣候和溫度的影響,性能穩定可靠,在現代社會生活中的各個方面發揮有很大作用。

基本介绍

  • 中文名:電池
  • 外文名:Battery
  • 本質:將化學能轉化成電能的裝置
  • 優點:結構簡單,攜帶方便
發展歷程,原理簡述,性能參數,電動勢,額定容量,額定電壓,開路電壓,內阻,阻抗,充放速率,壽命,自放電率,有關計算,常見電池,乾電池,鉛蓄電池,鋰電池,電池型號,電池常識,正常充電,快速充電,記憶效應,消除記憶,電池儲存,選購電池,回收利用,國家標準,

發展歷程

1746年,荷蘭萊頓大學的馬森布羅克在發明了收集電荷的“萊頓瓶”。因為他看到好不容易收集的電卻很容易地在空氣中逐漸消失,他想尋找一種保存電的方法。有一天,他用一支槍管懸在空中,用起電機與槍管連著,另用一根銅線從槍管中引出,浸入一個盛有水的玻璃瓶中,他讓一個助手一隻手握著玻璃瓶,馬森布羅克在一旁使勁搖動起電機。這時他的助手不小心將中另一隻手與槍管碰上,他猛然感到一次強烈的電擊,喊了起來。馬森布羅克於是與助手互換了一下,讓助手搖起電機,他自己一手拿水瓶子,另一隻手去碰槍管。
1780年,義大利解剖學家伽伐尼(Luigi Galvani)在做青蛙解剖時,兩手分別拿著不同的金屬器械,無意中同時碰在青蛙的大腿上,青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下,仿佛受到電流的刺激,而如果只用一種金屬器械去觸動青蛙,就無此種反應。伽伐尼認為,出現這種現像是因為動物軀體內部產生的一種電,他稱之為“生物電”。
伽伐尼的發現引起了物理學家們極大興趣的,他們競相重複枷伐尼的實驗,企圖找到一種產生電流的方法,義大利物理學家伏特在多次實驗後認為:伽伐尼的“生物電”之說並不正確,青蛙的肌肉之所以能產生電流,大概是肌肉中某種液體在起作用。為了論證自己的觀點,伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進行試驗。結果發現,這兩種金屬片中,只要有一種與溶液發生了化學反應,金屬片之間就能夠產生電流。
1799年,義大利物理學家伏特把一塊鋅板和一塊錫板浸在鹽水裡,發現連線兩塊金屬的導線中有電流通過。於是,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,會感到強烈的電流刺激。伏特用這種方法成功地製成了世界上第一個電池──“伏特電堆”。這個“伏特電堆”實際上就是串聯的電池組。它成為早期電學實驗,電報機的電力來源。
電池電池
1836年,英國的丹尼爾對“伏特電堆”進行了改良。他使用稀硫酸作電解液,解決了電池極化問題,製造出第一個不極化,能保持平衡電流的鋅─銅電池此後,這些電池都存在電壓隨著使用時間延長而下降的問題。
當電池使用一段時間後電壓下降時,可以給他通以反向電流,使電池電壓回升。因為這種電池能充電,可以反覆使用,所以稱它為“蓄電池”。
也是在1860年,法國的雷克蘭士(GeorgeLeclanche)還發明了世界廣受使用的電池(碳鋅電池)的前身。它的負極是鋅和汞的合金棒(鋅-伏特原型電池的負極,經證明是作為負極製作材料的最佳金屬之一),而它的正極是以一個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。此系統被稱為“濕電池”。雷克蘭士製造的電池雖然簡陋但卻便宜,所以一直到1880年才被改進的“乾電池”取代。負極被改進成鋅罐(即電池的外殼),電解液變為糊狀而非液體,基本上這就是現在我們所熟知的碳鋅電池。
雷克蘭士發明的電池雷克蘭士發明的電池
1887年,英國人赫勒森發明了最早的乾電池。乾電池的電解液為糊狀,不會溢漏,便於攜帶,因此獲得了廣泛套用。
1890年愛迪生Thomas Edison)發明可充電鐵鎳電池。

原理簡述

在化學電池中,化學能直接轉變為電能是靠電池內部自發進行氧化、還原等化學反應的結果,這種反應分別在兩個電極上進行。負極活性物質由電位較負並在電解質中穩定的還原劑組成,如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質由電位較正並在電解質中穩定的氧化劑組成,如二氧化錳二氧化鉛氧化鎳金屬氧化物,氧或空氣,鹵素及其鹽類,含氧酸及其鹽類等。電解質則是具有良好離子導電性的材料,如酸、鹼、鹽的水溶液,有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質等。當外電路斷開時,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能並不轉換為電能。當外電路閉合時,在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時在電池內部,由於電解質中不存在自由電子,電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質與電解質界面的氧化或還原反應,以及反應物和反應產物的物質遷移。電荷在電解質中的傳遞也要由離子的遷移來完成。因此,電池內部正常的電荷傳遞和物質傳遞過程是保證正常輸出電能的必要條件。充電時,電池內部的傳電和傳質過程的方向恰與放電相反;電極反應必須是可逆的,才能保證反方向傳質與傳電過程的正常進行。因此,電極反應可逆是構成蓄電池的必要條件。G為吉布斯反應自由能增量(焦);F為法拉第常數=96500庫=26.8安·小時;n為電池反應的當量數。這是電池電動勢與電池反應之間的基本熱力學關係式,也是計算電池能量轉換效率的基本熱力學方程式。實際上,當電流流過電極時,電極電勢都要偏離熱力學平衡的電極電勢,這種現象稱為極化。電流密度(單位電極面積上通過的電流)越大,極化越嚴重。極化現象是造成電池能量損失的重要原因之一。
電池電池
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-電解質界面層中傳質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面積、減小電流密度、提高反應溫度以及改善電極表面的催化活性。

性能參數

電動勢

電動勢是兩個電極的平衡電極電位之差,以鉛酸蓄電池為例,E=Ф+0-Ф-0+RT/F*In(αH2SO4/αH2O)。
其中:E—電動勢
Ф+0—正極標準電極電位,其值為1.690V
Ф-0—負極標準電極電位,其值為-0.356V
R—通用氣體常數,其值為8.314
T—溫度,與電池所處溫度有關
F—法拉第常數,其值為96485
αH2SO4—硫酸的活度,與硫酸濃度有關
αH2O—水的活度,與硫酸濃度有關
從上式中可看出,鉛酸蓄電池的標準電動勢為1.690-(-0.0.356)=2.046V,因此蓄電池的標稱電壓為2V。鉛酸蓄電池的電動勢與溫度及硫酸濃度有關。

額定容量

在設計規定的條件(如溫度、放電率、終止電壓等)下,電池應能放出的最低容量,單位為安培/每小時,以符號C表示。容量受放電率的影響較大,所以常在字母C的右下角以阿拉伯數字標明放電率,如C20=50,表明在20時率下的容量為50安·小時。電池的理論容量可根據電池反應式中電極活性物質的用量和按法拉第定律計算的活性物質的電化學當量精確求出。由於電池中可能發生的副反應以及設計時的特殊需要,電池的實際容量往往低於理論容量。

額定電壓

電池在常溫下的典型工作電壓,又稱標稱電壓。它是選用不同種類電池時的參考。電池的實際工作電壓隨不同使用條件等於正、負電極的平衡電極電勢之差。它只與電極活性物質的種類有關,而與活性物質的數量無關。電池電壓本質上是直流電壓,但在某些特殊條件下,電極反應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,這種現象稱為噪聲。波動的幅度很小但頻率範圍很寬,故可與電路中自激噪聲相區別。

開路電壓

電池在開路狀態下的端電壓稱為開路電壓。電池的開路電壓等於電池在斷路時(即沒有電流通過兩極時)電池的正極電極電勢與負極的電極電勢之差。電池的開路電壓用V開表示,即V開=Ф+-Ф-,其中Ф+、Ф-分別為電池的正負極電極電位。電池的開路電壓,一般均小於它的電動勢。這是因為電池的兩極在電解液溶液中所建立的電極電位,通常並非平衡電極電位,而是穩定電極電位。一般可近似認為電池的開路電壓就是電池的電動勢。

內阻

電池的內阻是指電流通過電池內部時受到的阻力。它包括歐姆內阻和極化內阻,極化內阻又包括電化學極化內阻和濃差極化內阻。由於內阻的存在,電池的工作電壓總是小於電池的電動勢或開路電壓。電池的內阻不是常數,在充放電過程中隨時間不斷變化(逐漸變大),這是因為活性物質的組成,電解液的濃度和溫度都在不斷的改變。歐姆內阻遵守歐姆定律,極化內阻隨電流密度增加而增大,但不是線性關係。常隨電流密度增大而增加。
內阻是決定電池性能的一個重要指標,它直接影響電池的工作電壓,工作電流,輸出的能量和功率,對於電池來說,其內阻越小越好。

阻抗

電池內具有很大的電極-電解質界面面積,故可將電池等效為一大電容與小電阻、電感的串聯迴路。但實際情況複雜得多,尤其是電池的阻抗隨時間和直流電平而變化,所測得的阻抗只對具體的測量狀態有效。

充放速率

有時率和倍率兩種表示法。時率是以充放電時間表示的充放電速率,數值上等於電池的額定容量(安·小時)除以規定的充放電電流(安)所得的小時數。倍率是充放電速率的另一種表示法,其數值為時率的倒數。原電池的放電速率是以經某一固定電阻放電到終止電壓的時間來表示。放電速率對電池性能的影響較大。

壽命

儲存壽命指從電池製成到開始使用之間允許存放的最長時間,以年為單位。包括儲存期和使用期在內的總期限稱電池的有效期。儲存電池的壽命有乾儲存壽命和濕儲存壽命之分。循環壽命是蓄電池在滿足規定條件下所能達到的最大充放電循環次數。在規定循環壽命時必須同時規定充放電循環試驗的制度,包括充放電速率、放電深度和環境溫度範圍等。

自放電率

電池在存放過程中電容量自行損失的速率。用單位儲存時間內自放電損失的容量占儲存前容量的百分數表示。

有關計算

其中E為電動勢,r為電源內阻,內電壓U內=IrE=U內+U外
適用範圍:任何電路
閉合電路中的能量轉化:
E=U+Ir
EI=UI+I^2R
P釋放=EI
P輸出=UI
純電阻電路中
P輸出=I^2R
=E^2R/(R+r)^2
=E^2/(R^2+2r+r^2/R)
當 r=R時P輸出最大,P輸出=E^2/4r (均值不等式)

常見電池

乾電池

乾電池也叫錳鋅電池,所謂乾電池是相對於伏打電池而言,所謂錳鋅是指其原材料。針對其它材料的乾電池如氧化銀電池,鎳鎘電池而言。錳鋅電池的電壓是15V。乾電池是消耗化學原料產生電能的。它的電壓不高,所能產生的持續電流不能超過1安培。

鉛蓄電池

蓄電池是套用最廣泛的電池之一。用一個玻璃槽或塑膠槽,注滿硫酸,再插入兩塊鉛板,一塊與充電機正極相連,一塊與充電機負極相連,經過十幾小時的充電就形成了一塊蓄電池。它的正負極之間有2伏的電壓。蓄電池的好處是可以反覆多次使用。另外,由於它的內阻極小,所以可以提供很大的電流。用它給汽車的發動機供電,瞬時電流可達20多安培。蓄電池充電時是將電能貯存起來,放電時又把化學能轉化為電能。
電池

鋰電池

以鋰為負極的電池。它是60年代以後發展起來的新型高能量電池。按所用電解質不同分為:
①高溫熔融鹽鋰電池;
②有機電解質鋰電池;
③無機非水電解質鋰電池;
④固體電解質鋰電池;
⑤鋰水電池。
鋰電池的優點是單體電池電壓高,比能量大,儲存壽命長(可達10年),高低溫性能好,可在-40~150℃使用。缺點是價格昂貴,安全性不高。另外電壓滯後和安全問題尚待改善。大力發展動力電池和新的正極材料的出現,特別是磷酸亞鐵鋰材料的發展,對鋰電發展有很大幫助。

電池型號

一般分為:1.2.3.5.7號,其中5號和7號尤為常用,所謂的AA電池就是5號電池,而AAA電池就是7號電池
D型電池(大號電池/LR20/AM1) 直徑ф34.2; 高度61.5mm
C型電池(2號電池/LR14/AM2) 直徑ф26.2; 高度50.0mm
AA型電池(5號電池/LR6/AM3) 直徑ф14.5; 高度50.5mm
AAA型電池(7號電池/LR03/AM4) 直徑ф10.5; 高度44.5mm
AA/2型電池(8號電池LR1/AM5) 直徑ф11.0; 高度30.0mm
AAAA型電池(9號電池/LR61/AM6) 直徑ф8.0; 高度39.5mm
AAAA/2型電池(小9號電池/LR61/AM6) 直徑ф8.0; 高度28.0mm
其他型號
說說常見的“AAAA,AAA,AA,A,SC,C,D,N,F”這些型號
AAAA型號少見,一次性的AAAA勁量鹼性電池偶爾還能見到,一般是電腦筆裡面用的。標準的AAAA(平頭)電池高度41.5±0.5mm,直徑8.1±0.2mm。
AAA型號電池就比較常見,以前的MP3用的多是AAA電池,標準的AAA(平頭)電池高度43.6±0.5mm,直徑10.1±0.2mm。
AA型號電池就更是盡人皆知,數位相機,電動玩具都少不了AA電池,標準的AA(平頭)電池高度48.0±0.5mm,直徑14.1±0.2mm。
只用一個A表示型號的電池不常見,這一系列通常作電池組裡面的電池芯,老攝像機的鎳鎘,鎳氫電池,幾乎都是4/5A,或者4/5SC的電池芯。標準的A(平頭)電池高度49.0±0.5mm,直徑16.8±0.2mm。
SC型號也不常見,一般是電池組裡面的電池芯,多在電動工具和攝像機以及進口設備上能見到,標準的SC(平頭)電池高度42.0±0.5mm,直徑22.1±0.2mm。
C型號也就是二號電池,標準的C(平頭)電池高度49.5±0.5mm,直徑25.3±0.2mm。
D型號就是一號電池,用途廣泛,民用,軍工,特異型直流電源都能找到D型電池,標準的D(平頭)電池高度59.0±0.5mm,直徑32.3±0.2mm。
N型號不常見,標準的N(平頭)電池高度28.5±0.5mm,直徑11.7±0.2mm。
F型號電池,電動助力車,動力電池的新一代產品,大有取代鉛酸免維護蓄電池的趨勢,一般都是作電池芯(個人見解:其實個太大,不好單獨使用,呵呵)。標準的F(平頭)電池高度89.0±0.5mm,直徑32.3±0.2mm。
大家注意到,(平頭)字樣,指的是電池正極是平的,沒有突起,使用做電池組點焊使用的電池芯,一般同等型號尖頭的(可以用作單體電池供電的),在高度上就多了0.5mm。以此類推。還有,電池很多的時候並不是規規矩矩的“AAA,AA,A,SC,C,D,N,F”這些主型號,前面還時常有分數“1/3,2/3,1/2,2/3,4/5,5/4,7/5”,這些分數表示的是池體相應的高度,例如“2/3AA”就是表示高是一般AA電池的2/3的充電電池;再如“4/5A”就是表示高是一般A電池的4/5的充電電池。
還有兩種型號表示方法,是五位數字,例如,14500,17490,26500,前兩位數字是指池體直徑,後三位數字是指池體高,例如14500就是指AA電池,即大約14mm直徑,50mm高。
例如,505060AR,305060A ,其中前面兩位數字是指厚,中間兩位數是指寬 ,最後面兩位數是指長。例如505060AR就是鋰電池的5.0MM是厚, 寬是50MM,60MM是長。後綴AR是表示鋁殼鋰電池。

電池常識

正常充電

不同電池各有特性,用戶必須依照廠商說明書指示的方法進行充電。在待機備用狀態下,電話也要耗費電池,如果要進行快速充電,宜先將手機關閉或把電池拆下進行充電。

快速充電

有些自動化的智慧型型快速充電器當指示燈信號轉變時,只表示充滿了90%,充電器會自動改用慢速充電將電池完全充滿。用戶最好將電池完全充滿後使用,否則會縮短使用時間。

記憶效應

如果電池屬鎳鎘電池,長期不徹底充、放電,會在電池內留下痕跡,降低電 池容量,這種現象被稱為電池記憶效應

消除記憶

方法是把電池完全放電,然後重新充滿。放電可利用放電器或具有放電功能的充電器,也可以利用手機待機備用模式,如要加速放電可把顯示屏及電話按鍵的照明燈打 開。要確保電池能重新充滿,應依照說明書的指示來控制時間,重複充、放電兩至三次。

電池儲存

鋰電池可貯存在環境溫度為-5°C—35°C,相對濕度不大於75%的清潔、乾燥、通風的室內,應避免與腐蝕性物質接觸,遠離火源及熱源。電池電量保持標稱容量的30%到50%。推薦貯存的電池每6個月充電一次。

選購電池

1、選購有“國家免檢”、“中國名牌”標誌的電池產品和地方名牌電池產品,這些產品質量有保障。
2、根據電器的要求,選擇適用的電池類型和規格尺寸,並根據電器耗電的大小和特點,購買適合電器的電池。
3、注意查看電池的生產日期和保質期,購買電池(新電池),新電池性能好。
4、注意查看電池的外觀,應選購包裝精緻、外觀整潔、乾淨,無漏液跡象的電池。
5、注意電池的標誌,電池商標上應標明生產廠名、電池極性、電池型號、標稱電壓、商標等;銷售包裝上(如2隻熱縮或4隻熱縮,或吊牌掛卡)應有中文廠址、生產日期和保質期或標明保質期的截止期限、執行標準的編號(一般為國家標準GB/T××××-××××)。不要購買無中文廠名、無生產日期和保質期或無標明保質期的截止期限、無執行標準的產品。購買鹼性鋅錳電池時應看型號有無ALKALINE或LR字樣。
6、由於電池中的汞對環境有害,為了保護環境,在購買時應選用商標上標有“無汞”、“0%汞”、“不添加汞”字樣的電池。

回收利用

國際上通行的廢舊電池處理方式大致有三種:固化深埋、存放於廢礦井、回收利用。
1.固化深埋、存放於廢礦井
如法國一家工廠就從中提取鎳和鎘,再將鎳用於煉鋼,鎘則重新用於生產電池。其餘的各類廢電池一般都運往專門的有毒、有害垃圾填埋場,但這種做法不僅花費太大而且還造成浪費,因為其中尚有不少可作原料的有用物質。
2.回收利用
(1)熱處理 (2)“濕處理”(3)真空熱處理法

國家標準

IEC標準即國際電工委員會(International Electrical Commission),是由各國電工委員會組成的世界性標準化組織,其目的是為了促進世界電工電子領域的標準化。其中關於鎳鎘電池的標準為IEC285,關於鎳氫電池的標準是IEC61436,鋰離子電池IEC標準,一般電池行業依據的是SANYO或Panasonic的標準。
電池常用IEC標準有鎳鎘電池的標準為IEC602851999;鎳氫電池的標準為IEC614361998.1;鋰電池的標準為IEC619602000.11。
電池常用國家標準有鎳鎘電池的標準為GB/T11013_1996GB/T18289_2000;鎳氫電池的標準為GB/T15100_1994GB/T18288_2000;鋰電池的標準為GB/T10077_1998YD/T998_1999,GB/T18287_2000。
另外電池常用標準也有日本工業標準JIS C關於電池的標準及SANYOPANASONIC公司制定的關於電池企業標準。

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