搜索
一、电池的化学知识物质发生化学反应的种类有多种，其中一种是氧化还原反应，在这种反应中，实际是电子在反应物中的转移过程。通常把提供电子的物质叫还原剂，接受电子的物质叫氧化剂。在电池体系里，一般把这些还原剂或氧化剂统一称作活性物质，活性物质在电池体系中发生的氧化还原反应就是电池反应。原剂或氧化剂和导电骨架加工在一起，便成了电极，其中，还原剂电极发生电池反应时是失去电子，叫负极，而由氧化剂组成的电极在反应中则得到电子，叫正极，对于可充电的电池，正极又叫阴极，负极又叫阳极。当电极插入到相关的溶液时，便获得了一电势，一般称为电极电位.正极，负极处于一相同溶液体系之下是否有电位差，是能否发生电池反应的必要条件。1.1.电池的工作原理和分类电池是将物质的化学能转变成电能的一种装置。电池工作时，负极（阳极）发生化学反应，给出电子，电子通过外部电子通道传到正极（阴极）并被其消耗，就这样，电池工作时，电子会源源不断的从负极（阳极）跑出来，通过外部电路到达正极（阴极），直到两电极中某一方被消耗完，电子才会停止转移。电子的定向流动便成为电流，最终获得电能。1.2.电池的组成要使电池能连续工作，必需包含以下部分：电极，电解质，隔离物以及电池外壳。1.2.1电极一般由活性物质和导电骨架组成，如前所述，又分为正（阴）极和负（阳）极，是电池的核心部分，是电池产生电能的源泉，通过两极上活性物质和化学变化使化学能转变为电能，导电骨架主要起着传导电子和支撑活性物质的作用，又叫集流体。1.2.2电解质的一般作用是完成电池放电时的离子导电过程。电池工作时，负极提供的电子通过电池体系的外部电路到达正极从而提供电能，要实现这个能量转换过程，还必需要有一个内部离子导电过程以完成电流回路。离子的正向移动产生电流，电解质的导电就是通过其内部体系的离子迁移从而实施离子导电。1.2.3隔离物能常是指置于电池正负极之间的材料，其作用是阻止正、负极活性材料的直接接触，防止电池的内部短路，并能阻挡两极粉状物质的透过。对隔离物的要求必需是电子的良好绝缘体，并具足够过高的化学稳定性，但对离子的迁移阻力应尽可能的小。1.2.4电池的外壳是贮存电池其他组成部分的容器，起到保护和容纳其他组成部分的作用（有的电池是用电池活性材料做成，还参加电池反应）。所以一般要求壳体有足够的机械性能，且壳体材料不影响电池的其他组成部分，为防止壳体免受其他组成部分的影响，一般要求壳体材料有足够高的化学稳定性。1.2.5聚合物电池的工作原理锂离子电池用两种不同的锂离子嵌入化合物组成，充电时，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极，保证负极的电荷平衡。放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。在充放电过程中，就是锂离子不断在阴、阳极之间穿行过程（嵌入和脱嵌），就象摇椅在摇一样，因此被形象称为“摇椅电池”。二、基本术语2.1一次电池(Primarybattery):电池仅能放电，当电池电力用尽时，无法再充电的电池.市售的碱性电池，锰干电池，水银电池等，皆属一次电池。2.2二次电池(Rechargeablebattery):电池电力用完后，可经由充电重复使用之电池，如:铅酸，镍氢，锂离子电池等。2.3额定容量(NominalCapacity):一般电池的蓄电量，会以mAH-毫安小时或AH-安培小时来表示，二次电池当电池充饱电后，按指定的电流放电至截止电压时，所能取出之电量，就是此电池的容量。2.4额定电压(NominalVoltage):电池正负极材料，因化学反应，所造成之电位差高低，利用呕鳒Y，所产生的电压，称为额定电压.不同的正负极材料，产生的电压不同，如:铅酸电池-2V/cell，镍氢电池1.2V/cell，锂离子电池3.6V/cell。2.5内阻:电池为许多化学材料组成，其都有一定的阻抗，电池的高低内阻往往影响充放电的特性。2.6正极(PositiveElectrode):符号为＋，电位较负极高。2.7负极(NegativeElectrode):符号为-，电位较正极低。2.8电解质(Electrolyte):当正负极间引起化学反应时，可使离子移动之离子导电体，而不是电子导电体，主要在传递整个电化学反应离子的传导工作。2.9隔离膜(Separator):置于正负极板中，为一微孔性及多孔性之薄膜，材质以PP，PE为主，主要在隔离正负极板，防电子短路，可使离子通过，并具保持电解液的功能。2.10C-rate:用来表示电池充放电时电流大小的比率单位.如:容量1600mAh的电池，0.2C代表以320mA的电流来进行充电或放电，1C代表以1600mA.此比率单位C-rate对于二次电池是重要的观念。2.11放电截止电压(Cut-offdischargevoltage):电池在放电试验时，到达终点的电压。一般Ni-MH电池设定为1.0V，Li-ion电池设定在3.0V或2.75V.2.12开路电压(Opencircuitvoltage，OCV):指电池在无负载的情况下，电池正负极之间的电压。2.13过放电(Overdischarge):超过电池放电截止电压值，若继续放电则可能造成电池漏液或劣化。2.14放电深度(Depthofdischarge，DOD):与电池额定容量比较，放电电量的比率。2.15过充电(Overcharge):电池到达饱充状态后，再继续充电的程度大小，过度充电可能会使电池劣化。2.16能量密度(Energydensity):表示方法有两种，一为体积能量密度(Wh/l)，另一为重量能量密度(Wh/kg)，用以表示单位体积或单位重量能取出的能量.常用于表示各种化学材料所能提供能量的参考。2.17自我放电(Selfdischarge):电池在储存过程中，电池蓄电容量会逐渐减少的现象，所以一般储存电池时都有一储存温度范围，过高的温度会加速电池的自我放电。2.18循环寿命(Cyclelife):二次电池在反复充放电的使用下，电池容量会逐渐下降，通常以该电池的额定容量作标准，电池容量降至其80%或60%时的充放电次数，称为循环寿命。2.19记忆效应(Memoryeffect):电池在没有放完电的情况下，若施以充电，则电池容量可能无法回到原有的水准，但若施以强制深度放电后在充电，容量可能就能回复，通常此种现象常发生于镍镉电池上。2.20恒电流(Constantcurrent，CC):以固定的电流对电池充电或放电。2.21恒电压(Constantvoltage，CV):以固定的电压对电池充电，充电电流会随着电压值接近而下降，对于Li-ion电池充电，一般使用CC-CV充电模式，前段采用CC，当电池电压到达4.2V，转用CV充电。2.22涓流充电(Tricklecharge):以一微小的电流对电池充电，常用于对电池开始充电前或充饱电后。2.23串并联(Seriesandparallel):电池串联来提高电压，以并联来提高电池容量，如:Notebook电池，用12颗Li-ion电池，以4串3并的组合，来符合Notebook的工作电压及延长操作时间。三.电池发展历史在过去的几十年，再充电电池在高容量和小型化方面的改进比较缓慢。与微电子等巨大进步的领域相比较，电池技术明显的缺乏进步。想一下六十年代的计算机存储芯片，和它与现代的具有相同计算字节的微芯片比较。现代的微芯片将一个立方体的脚放入一个很微小的芯片里。类似的尺寸上的减少简直就是将一个重型汽车的电池压缩进一枚硬币大小的尺寸里。因为电池仍然是以电化学过程为基础的，一个硬币大小的汽车电池，以我们目前的技术不可能生产出来。研究已经带来了很多种制造电池的化学品，每一种都能够提供各自独特的优点，但是没有哪一种能够体构一个完全满意的解决方案。当然，随着现在可选择性的增加，最佳的选择可以适用特殊用户的应用要求。例如，消费市场要求高的能量密度和小型化的电池。主要是用来维持便携设备的适当的使用时间，这些设备愈加变得功率更大而且耗能更多。不断的减小便携设备的尺寸，迫使电池生产商开发更小的电池。但是这必须以不牺牲使用使用时间为前提的。将更多的能量包裹再一个包里，其他的一些特质通常就被牺牲了，其中一个就是电池寿命。镍镉系电池被发现具有长的循环寿命和可预见的小内阻，但是，这种化学物质正在被替代，在那些能应用提供长的使用时间体系的地方。另外，对公开的记忆现象和涉及废弃后的毒性的问题持否定的观点，使得生产商寻求其他的选择。曾经作为超级电池体系而受到欢迎的镍氢电池已经不能提供21世纪所有的电池解决方案了，比期望寿命短，是主要的问题所在。以锂为基础的电池可能是最佳的选择，特别是在快速移动的商业市场。免维护而且可靠，由于锂离子电池能够提供小型化和长的使用时间，使得它成为了很多领域的首选。但是这种电池体系也不是没有问题。即使是电池不使用时，相对较快的老化作用限制了电池的寿命在两到三年。另外，限流保护电流限制了放电电流，致使锂离子电池不适合重负荷要求的应用。锂离子聚合物电池也表现了与锂离子电池相同的特性。这种体系主要的突破性进展还没有取得。确实它能够提供非常小的电池，但是这是以换取更小的能量密度来实现的。随着今天技术的快速发展，不使用镍，铅和锂的电池体系会很快变成现实。燃料电池，能够通过连续的补充燃料而不间断的工作，这可以解决未来便携能源的需求。用户使用瓶装的液体能量代替充电。这种电池或许真的可以改变我们的生活和工作方式。本电池知识论述主要针对最普通的消费者和工业上使用的镍镉、镍氢、铅酸和锂离子/聚合物电池。也包括可循环使用的碱性电池来对比。为了清楚的原因，其他的可充电电池体系没有包含在里面。那些超乎寻常的和奇妙的新电池的发明只能存在于实验室。其他的也许被用在特殊的应用领域，例如军事和航空上。因为本知识论述是针对非专业人士的，所以希望尽可能的将事情简单化。电池是什么时候发明的？最近400年里，最重要的，最新颖的发现之一就是电的发现。有人会问：“电的发现有如此长的时间吗？”答案是肯定的，而且或许更长。但是实际对电的使用仅仅是从18世纪中叶到晚期才被我们所支配，而且开始只是有限的方式应用。例如，1900年的巴黎世界展览会上，最主要的具有吸引力的事情之一就是架在塞纳河上的电灯桥。最早的产生电的方式是产生静电荷。在1660年，奥特.格里科创造了第一个电的装置，这个装置包括了一个大的硫磺球，当旋转荷摩擦时，这个硫磺球能吸引羽毛和小纸片。格里科能够证明产生的火星真的是电的。被认为第一次静电的应用是亚历桑的罗.伏特发明的所谓的“电手枪”，是一根电线放在充满甲烷气体的广口瓶里。通过电线传送电火花，这个广口瓶就爆炸了。伏特那时想使用这个发明来提供长距离的通信，虽然只是可以传递逻辑信号。一条用木杆支撑的铁线从意大利科摩到米兰连接起来。在接收端的尽头，这条线放在在一个充满甲烷气体的广口瓶里。一个电火花通过这条线传送，引爆电手枪，从而发出了一个信号。这种通信连接从未建立。伏特通过电流电解水的发明导致了电化学的建立。1791年，在博洛尼亚大学工作期间，加尔瓦尼发现了蛙的肌肉在被金属物体接触后发生了收缩的现象。这个现象被成为生物电---—种误称，因为后来这个理论被证明了。在这些试验的鼓励下，伏特开始了一系列的试验，这些试验用锌、铅、锡或者铁做正极。铜、银、金或者石墨做负极片。1800年，伏特发现了当使用一定流体做导电剂促进金属之间或者电极之间的化学反应，可以产生连续的电流，这导致了第一个伏打电池的发明，以及众所周知的伏打电堆，伏特进一步发现了当把伏打电池垒叠起来时，电压能增加。同一年，伏特向伦敦的皇家社会发表了他的关于持续电流来源的发现，试验不再是被限制在持续不到一秒钟的火花的短暂的显示，表面上无尽的电流现在是存在的。法国是最先正式的认识到伏特的发现的国家之一，在当时，法国正在接近科学进步的高度，张开双臂欢迎新的想法，以支持政治议程，通过邀请，伏特在法国研究院做了一系列的讲座，拿破仑.巴拿马作为研究院的成员出席了这些讲座。伏特的发现给世界留下了如此深的印