电池

电池是一种能量转化与储存的装置它通过反应将化学能或物理能转化为电能。电池即一种化学电源,它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极,两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中,当连接在某一外部载体上时,通过转换其内部的化学能来提供能。作为一种电的贮存装置,当两种金属(通常是性质有差异的金属)浸没于电解液之中,它们可以导电,并在“极板”之间产生一定电动势。电动势大小(或电压)与所使用的金属有关,不同种类的电池其电动势也不同。

电池是将化学能、光能、热能、核能等直接转换为电能的装置。有化学电池、太阳电池、温差电池、核电池等。通常所说的电池指化学电池。

电池的性能参数主要有电动势 、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时,电池非静电力(化学力)所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质,与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量 ,通常用安培小时作单位。在电池反应中,1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行,同时电池内阻也要引起电动势降,因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大,其内阻越小 。

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 一种使用最广泛的化学电池。1865年法国人勒克朗谢在伏打电池的基础上研制了一种碳/二氧化锰/氯化铵溶液/锌体系的湿电池。经发展,干电池有100余种。除了锌 - 锰干电池外,还有镁 -锰干电池、锌 - 氧化汞干电池、锌-氧化银干电池等 。由于干电池的氧化和还原反应的可逆性很差,用完后一般不能用充电方法使正、负极活性物质恢复到原来状态,因此干电池又称为一次电池。最常用的干电池是锌-锰干电池,有糊式、纸板式、碱式和叠层式几种。

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

碳极:

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 由几个结构紧凑的扁平形单体电池叠在一起构成。每一个单体电池均由塑料外壳、锌皮、导电膜以及隔膜纸、炭饼(正极)组成。隔膜纸是一种吸有电解液的表面有淀粉层的浆层纸,它贴在锌皮的上面;隔膜纸上面是炭饼。隔膜纸如同糊式干电池的电糊层,起隔离锌皮负极和炭饼正极的作用。叠层式锌 - 锰干电池减去了圆筒形糊式干电池串联组合的麻烦,其结构紧凑、体积小、体积比容量大,但贮存寿命短且内阻较大,因而放电电流不宜过大。

蓄电池 通过充电将电能转变为化学能贮存起来,使用时再将化学能转变为电能释放出来的一种化学电池。其转变的过程是可逆的。当蓄电池已完全放电或部分放电后,两电极板表面形成新的化合物,这时若用适当的反向电流通入蓄电池,就可以使在放电过程中形成的化合物还原为原先的活性物质,供下次放电再用,此过程叫充电,即将电能以化学能的形式贮存在蓄电池中。电池接通负载供给外电路电流的过程叫放电 。 蓄电池的充电和放电过程可以重复循环多次,故蓄电池又称为二次电池 。 按所使用的电解质溶液的不同,蓄电池分为酸性和碱性两大类。按正负极板所使用的活性物质材料又有铅蓄电池、镉镍、铁镍、银锌、镉银蓄电池等几种。铅蓄电池为酸性电池,后四种为碱性电池。

铅蓄电池 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( PbSO2 )。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。铅蓄电池正、负极板在放电过程中的化学反应为

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。充电时总的化学反应为

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。

碱性蓄电池 与同容量的铅蓄电池相比,其体积小,寿命长,能大电流放电,但成本较高。碱性蓄电池按极板活性材料分为铁镍、镉镍、锌银蓄电池等系列。以镉镍蓄电池为例,碱性蓄电池的工作原理是:蓄电池极板的活性物质在充电后,正极板为氢氧化镍〔 Ni(OH)3 〕,负极板为金属镉( Cd );而 放 电 终 止时,正极 板转 变为 氢 氧化 亚镍〔 Ni(OH2)〕, 负极板转 变 为氢 氧 化镉〔Cd (OH) 2〕,电解液多选用氢氧化钾( KOH)溶液。在充放电过程中总的化

由充放电过程中的化学反应可知,电解液仅作为电流的载体而浓度并不发生变化,因而只能根据电压的变化来判断

充放电的程度。镉镍密封蓄电池在充电过程中,正极析出氧气,负极析出氢气。由于镉镍密封蓄电池在制造时负极物质是过的,这就避免了氢气的发生;而在正极上产生的氧气,由于电化学作用被负极吸收,因此防止了气体在蓄电池内部集聚,从而保证了蓄电池在密封条件下正常工作。镉镍蓄电池已有了几十年的历史,最初用作牵引、起动、照明及信号电源,现代用作内燃机车、飞机的起动及点火电源。60年代制成的密封式电池则用作人造卫星、携带式电动工具、应急装备的电源。镉镍蓄电池改进的方向之一是采用双极性结构,这种结构的内阻很小,适用于脉冲大电流放电,能满足大功率设备的供电需要;此外,电极采用压成式、烧结式和箔式。

金属-空气电池 以空气中的氧气作为正极活性物质,金属作为负极活性物质的一种高能电池。使用的金属一般是镁、铝、锌、镉、铁等;电解质为水溶液。其中锌空气电池已成为成熟的产品。

金属 -空气电池具有较高的比能量,这是因为空气不计算在电池的重量之内。锌空气电池的比能量是现生产的电池中最高的,已达 400瓦·小时/千克(Wh/kg),是一种高性能中功率电池,并正向高功率电池的方向发展。目前生产的金属-空气电池主要是一次电池;研制中的二次金属-空气 电 池 为 采 用 更 换 金 属 电 极的 机 械 再 充 电电池 。 由于金属 - 空 气电池工作时要不断地供应空气,因此它不能在密封状态或缺少空气的环境中工作。此外,电池中的电解质溶液易受空气湿度的影响而使电池性能下降;空气中的氧会透过空气电极并扩散到金属电极上,形成腐蚀电池引起自放电 。

燃料电池 只要连续供应化学原料就能发生化学反应 ,而将化学能转变为电能的电解质电池。这些化学原料在电池内部(一种原料在正极而另一种在负极)发生反应时,必须防止它们直接反应,否则将产生化学短路,不能从反应中获得电能。适用于燃料电池的化学反应主要是燃烧反应,进入实用阶段的只有氢氧燃料电池。由于氢氧燃料电池要使用贵重金属铂作电极材料,成本过高,因此这种电池现在仅用作宇宙飞船的电源。燃料电池的转换效率高、比能高,工作时无噪声无污染,结构简单。

其他能量转换电池 主要有:①太阳电池。将太阳光的能量转换为光能的装置,由半导体制成。当太阳光照射电池表面时,半导体PN结的两侧形成电位差。其效率在10%以上。②温差电池。将两种金属接成闭合回路,并在两接头处保持不同温度时,回路中就会产生温差电动势,这种装置称作温差电偶 。将温差电偶串联成温差电堆时 ,即 构成 温 差电池。也可用半导体材料制成温差电池,其温差效应较强。③核电池。将核能直接转换成电能的装置称做核电池。通常由辐射β射线(高速电子流)的放射性源、收集这些电子的集电器以及绝缘体 3 部分组成。放射性源一端因失去负电而成为正极,集电器一端得到负电成为负极,两电极间形成电位差。这种核电池电压高,但电流小。

●现今的各种电池

1.化学电池

化学电池,是指通过电化学反应,把正极、负极活性物质的化学能,转化为电能的一类装置。经过长期的研究、发展,化学电池迎来了品种繁多,应用广泛的局面。大到一座建筑方能容纳得下的巨大装置,小到以毫米计的品种。无时无刻不在为我们的美好生活服务。现代电子技术的发展,对化学电池提出了很高的要求。每一次化学电池技术的突破,都带来了电子设备革命性的发展。现代社会的人们,每天的日常生活中,越来越离不开化学电池了。现在世界上很多电化学科学家,把兴趣集中在做为电动汽车动力的化学电池领域。

2.干电池和液体电池

干电池和液体电池的区分仅限于早期电池发展的那段时期。最早的电池由装满电解液的玻璃容器和两个电极组成。后来推出了以糊状电解液为基础的电池,也称做干电池。

现在仍然有“液体”电池。一般是体积非常庞大的品种。如那些做为不间断电源的大型固定型铅酸蓄电池或与太阳能电池配套使用的铅酸蓄电池。对于移动设备,有些使用的是全密封、免维护的铅酸蓄电池,这类电池已经成功使用了许多年,其中的电解液硫酸是由硅凝胶固定或被玻璃纤维隔板吸附的。

3.一次性电池和可充电电池

一次性电池俗称“用完即弃”电池,因为它们的电量耗尽后,无法再充电使用,只能丢弃。常见的一次性电池包括碱锰电池、锌锰电池、锂电池、银锌电池、锌空电池、锌汞电池和镁锰电池。

可充电电池按制作材料和工艺上的不同,常见的有铅酸电池、镍镉电池、镍铁电池、镍氢电池、锂离子电池。其优点是循环寿命长,它们可全充放电200多次,有些可充电电池的负荷力要比大部分一次性电池高。普通镍镉、镍氢电池使用中,特有的记忆效应,造成使用上的不便,常常引起提前失效。

4.燃料电池

燃料电池是一种将燃料的化学能透过电化学反应直接转化成电能的装置。

5.染料敏化太阳能电池电池

●电池的安全性测试项目有哪些?

内部短路测试

持续充电测试

过充电

大电流充电

强迫放电

坠落测试

从高处坠落测试

穿透实验

平面压碎实验

切割实验

低气压内搁置测试

热虐实验

浸水实验

灼烧实验

高压实验

烘烤实验

电子炉实

一般分为:1、2、3、5、7号,其中5号和7号尤为常用,所谓的AA电池就是5号电池,而AAA电池就是7号电池!AA、AAA都是说明电池型号的。

例如:

AA就是我们通常所说的5号电池,一般尺寸为:直径14mm,高度49mm;

AAA就是我们通常所说的7号电池,一般尺寸为:直径11mm,高度44mm。

以下是来自本站:镍氢电池论坛网友补充

另附电池知识若干:

说说常见的“AAAA,AAA,AA,A,SC,C,D,N,F”这些型号

AAAA型号少见,一次性的AAAA劲量碱性电池偶尔还能见到,一般是电脑笔里面用的。标准的AAAA(平头)电池高度41.5±0.5mm,直径8.1±0.2mm。

AAA型号电池就比较常见,一般的MP3用的都是AAA电池,标准的AAA(平头)电池高度43.6±0.5mm,直径10.1±0.2mm。

AA型号电池就更是人尽皆知,数码相机,电动玩具都少不了AA电池,标准的AA(平头)电池高度48.0±0.5mm,直径14.1±0.2mm。

只有一个A表示型号的电池不常见,这一系列通常作电池组里面的电池芯,我经常给别人换老摄像机的镍镉,镍氢电池,几乎都是4/5A,或者4/5SC的电池芯。标准的A(平头)电池高度49.0±0.5mm,直径16.8±0.2mm。

SC型号也不常见,一般是电池组里面的电池芯,多在电动工具和摄像机以及进口设备上能见到,标准的SC(平头)电池高度42.0±0.5mm,直径22.1±0.2mm。

C型号也就是二号电池,用途不少,标准的C(平头)电池高度49.5±0.5mm,直径25.3±0.2mm。

D型号就是一号电池,用途广泛,民用,军工,特异型直流电源都能找到D型电池,标准的D(平头)电池高度59.0±0.5mm,直径32.3±0.2mm。

N型号不常见,我还不知道啥东西里面用,标准的N(平头)电池高度28.5±0.5mm,直径11.7±0.2mm。

F型号电池,现在是电动助力车,动力电池的新一代产品,大有取代铅酸免维护蓄电池的趋势,一般都是作电池芯(个人见解:其实个太大,不好单独使用,呵呵)。标准的N(平头)电池高度89.0±0.5mm,直径32.3±0.2mm。

大家注意到,(平头)字样,指的是电池正极是平的,没有突起,使用做电池组点焊使用的电池芯,一般同等型号尖头的(可以用作单体电池供电的),在高度上就多了0.5mm。以此类推,我不逐一解释。还有,电池很多的时候并不是规规矩矩的“AAA,AA,A,SC,C,D,N,F”这些主型号,前面还时常有分数“1/3,2/3,1/2,2/3,4/5,5/4,7/5”,这些分数表示的是池体相应的高度,例如“2/3AA”就是表示高是一般AA电池的2/3的充电电池;再如“4/5A”就是表示高是一般A电池的4/5的充电电池。

还有一种型号表示方法,是五位数字,例如,14500,17490,26500,前两位数字是指池体直径,后三位数字是指池体高,例如14500就是指AA电池,即大约14mm直径,50mm高

充电池的记忆效应

此效应对于早期使用镍镉电池最为明显,当每次充电时,在负极有氢氧化镉与电极作用,产生金属镉而沈积于负电极表面,放电时,负电极表面的金属镉反应形成氢氧化镉,这是溶解沈积的反应,当充放电不完全时,电极内的镉金属会慢慢地产生大结晶体而使以后的化学反应受到阻碍,导致电容量在实质的表现上减少此即所谓【记忆效应】产生的缘由。

镍镉电池因具有强烈的记忆效应很容易因充放电不良,而造成可用容量降低,须约在使用十次后,做一次完全充放电,若已有记忆效应时,则可以连续做三次至五次完全充放电来释放记忆。

镍氢电池因记忆效应较弱,因此约在使用过约五十次时,做一次完全充放电即可。而锂电池因没有记忆效应,所以千万不要放电,否则只会破坏电池结构,损耗电池的使用寿命。

电池与环保

废旧电池潜在的污染已引起社会各界的广泛关注。我国是世界上头号干电池生产和消费大国,有资料表明,我国目前有1400多家电池生产企业,1980年干电池的生产量已超过美国而跃居世界第一。1998年我国干电池的生产量达到140亿只,而同年世界干电池的总产量约为300亿只。
如此庞大的电池数量,使得一个极大的问题暴露出来,那就是如何让这么多的电池不去破坏污染我们生存的环境。据我们调查,废旧电池内含有大量的重金属以及废酸、废碱等电解质溶液。如果随意丢弃,腐败的电池会破坏我们的水源,侵蚀我们赖以生存的庄稼和土地,我们的生存环境面临着巨大的威胁。如果一节一号电池在地里腐烂,它的有毒物质能使一平方米的土地失去使用价值;扔一粒纽扣电池进水里,它其中所含的有毒物质会造成60万升水体的污染;废旧电池中含有重金属镉、铅、汞、镍、锌、锰等,其中镉、铅、汞是对人体危害较大的物质。而镍、锌等金属虽然在一定浓度范围内是有益物质,但在环境中超过极限,也将对人体造成危害。废旧电池渗出的重金属会造成江、河、湖、海等水体的污染,危及水生物的生存和水资源的利用,间接威胁人类的健康。废酸、废碱等电解质溶液可能污染土地,使土地酸化和盐碱化,这就如同埋在我们身边的一颗定时炸弹。因此,对废旧电池的收集与处置非常重要,如果处置不当,可能对生态环境和人类健康造成严重危害。随意丢弃废旧电池不仅污染环境,也是一种资源浪费。有人算了一笔帐以全国每年生产100亿只电池计算,全年消耗15.6万吨锌,22.6万吨二氧化锰,2080吨铜,2.7万吨氯化锌,7.9万吨氯化铵,4.3万吨碳棒。
电池一般分为一次性电池和充电电池。主要的一次性电池包括锌锰电池(含锌及二氧化锰)、锌汞电池(含锌及氧化汞)及锂电池等几类。主要的充电电池则包括镉—镍、铁—镍、锌—银、锌—空气和锂—硫化铁及铅酸蓄电池等。我们日常生活中使用最多的是锌锰电池及锌汞电池,而使电池造成污染的主要是汞(Hg)和镉(Cd)。
<1> 汞的毒性
汞即我们俗称的“水银”,是一种常温下为液体的物质,可以阻止电池中阴极金属锌的氧化,这一作法提高了电池的贮存寿命。因此,早在以前采用的锌做阴极度的电池几乎都有一定量的汞做防腐剂。但是汞和汞的化合都具有神经毒性,对内分泌系统,免疫系统等也有不良影响,它会引发人的口齿不清、步态不稳、四肢麻痹,最后导致全身痉挛,精神失常而死。
随着科技的进步,电池开始逐渐实行低汞化和无汞化,汞的代替品表面活性剂Forafac氟化聚合物,在防止锌的腐蚀上取得了良好的效果。
长期以来,我国在生产干电池时,要加入一种有毒物质——汞或汞的化合物。我国的碱性干电池的汞含量达1%~5%,中性干电池为0.025%,全国每年用于生产干电池的汞就达几十吨之多。
<2> 镉的毒性
镉不是人体所必需的痕量元素,新生婴儿体内并没有镉,而是随着年龄的增长,逐渐累积起来的。镉具有肾毒性,它所致的肾损伤是不可逆的。同时肾损伤后还可能继发骨质疏松、软骨症和骨折。在1993年,国际抗癌联盟就将镉定为IA级致癌物。基于以上原因,许多发达国家已建议禁止使用镉镍电池而镍氢电池已取代镉镍电池,避免了镉的使用。而我国的绝大多数电池生产企业仍用镉作为生产电池的原料,使得电池的危害进一步加大。
废电池虽小,危害却甚大。但是,由于废电池污染不象垃圾、空气和水污染那样可以凭感官感觉得到,具有很大的隐蔽性,所以没有得到应有的重视。目前,我国以成为电池生产和消费的大国,废电池污染是迫切需要解决的一个重大环境问题。
尽管先进的科技已给了我们正确的指向,但我国的电池污染现象仍不容乐观。目前我国的大部分废旧电池混入生活垃圾被一并埋入地下,久而久之,经过转化使电池腐烂,重金属溶出,既可能污染地下水体,又可能污染土壤,一旦种植作物,重金属则可能在作物中积聚,通过食物链而最终影响人体健康。

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