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電池都有哪些分類

鉅大LARGE  |  點擊量:4984次  |  2018年08月31日  

摘要
電池的種類很多,常用電池主要是干電池、蓄電池,以及體積小的微型電池。此外,還有金屬-空氣電池、燃料電池以及其他能量轉換電池如太陽電池、溫差電池、核電池等。

電池的種類很多,常用電池主要是干電池、蓄電池,以及體積小的微型電池。此外,還有金屬-空氣電池、燃料電池以及其他能量轉換電池如太陽電池、溫差電池、核電池等。

干電池

常用的一種是碳-鋅干電池(圖3)。負極是鋅做的圓筒,內有氯化銨作為電解質,少量氯化鋅、惰性填料及水調成的糊狀電解質,正極是四周裹以摻有二氧化錳的糊狀電解質的一根碳棒。電極反應是:負極處鋅原子成為鋅離子(Zn++),釋出電子,正極處銨離子(NH嬃)得到電子而成為氨氣與氫氣。用二氧化錳驅除氫氣以消除極化。電動勢約為1.5伏。

蓄電池

種類很多,共同的特點是可以經歷多次充電、放電循環,反復使用。

鉛蓄電池

最為常用,其極板是用鉛合金制成的格柵,電解液為稀硫酸。兩極板均覆蓋有硫酸鉛。但充電后,正極處極板上硫酸鉛轉變成二氧化鉛,負極處硫酸鉛轉變成金屬鉛。放電時,則發生反方向的化學反應。

鉛蓄電池的電動勢約為2伏,常用串聯方式組成6伏或12伏的蓄電池組。電池放電時硫酸濃度減小,可用測電解液比重的方法來判斷蓄電池是否需要充電或者充電過程是否可以結束。

鉛蓄電池的優點是放電時電動勢較穩定,缺點是比能量(單位重量所蓄電能)小,對環境腐蝕性強。

由正極板群、負極板群、電解液和容器等組成。充電后的正極板是棕褐色的二氧化鉛(PbO2),負極板是灰色的絨狀鉛(Pb),當兩極板放置在濃度為27%~37%的硫酸(H2SO4)水溶液中時,極板的鉛和硫酸發生化學反應,二價的鉛正離子(Pb2+)轉移到電解液中,在負極板上留下兩個電子(2e-)。由于正負電荷的引力,鉛正離子聚集在負極板的周圍,而正極板在電解液中水分子作用下有少量的二氧化鉛(PbO2)滲入電解液,其中兩價的氧離子和水化合,使二氧化鉛分子變成可離解的一種不穩定的物質——氫氧化鉛〔Pb(OH4〕)。氫氧化鉛由4價的鉛正離子(Pb4+)和4個氫氧根〔4(OH)-〕組成。4價的鉛正離子(Pb4+)留在正極板上,使正極板帶正電。由于負極板帶負電,因而兩極板間就產生了一定的電位差,這就是電池的電動勢。當接通外電路,電流即由正極流向負極。在放電過程中,負極板上的電子不斷經外電路流向正極板,這時在電解液內部因硫酸分子電離成氫正離子(H+)和硫酸根負離子(SO42-),在離子電場力作用下,兩種離子分別向正負極移動,硫酸根負離子到達負極板后與鉛正離子結合成硫酸鉛(PbSO4)。在正極板上,由于電子自外電路流入,而與4價的鉛正離子(Pb4+)化合成2價的鉛正離子(Pb2+),并立即與正極板附近的硫酸根負離子結合成硫酸鉛附著在正極上。

隨著蓄電池的放電,正負極板都受到硫化,同時電解液中的硫酸逐漸減少,而水分增多,從而導致電解液的比重下降在實際使用中,可以通過測定電解液的比重來確定蓄電池的放電程度。在正常使用情況下,鉛蓄電池不宜放電過度,否則將使和活性物質混在一起的細小硫酸鉛晶體結成較大的體,這不僅增加了極板的電阻,而且在充電時很難使它再還原,直接影響蓄池的容量和壽命。鉛蓄電池充電是放電的逆過程。

鉛蓄電池的工作電壓平穩、使用溫度及使用電流范圍寬、能充放電數百個循環、貯存性能好(尤其適于干式荷電貯存)、造價較低,因而應用廣泛。采用新型鉛合金,可改進鉛蓄電池的性能。如用鉛鈣合金作板柵,能保證鉛蓄電池最小的浮充電流、減少添水量和延長其使用壽命;采用鉛鋰合金鑄造正板柵,則可減少自放電和滿足密封的需要。此外,開口式鉛蓄電池要逐步改為密封式,并發展防酸、防爆式和消氫式鉛蓄電池。

鉛晶蓄電池

鉛晶蓄電池應用的是專有技術,所采用的高導硅酸鹽電解質是傳統鉛酸電池電解質的復雜性改型,無酸霧內化成工藝是定型工藝的革新。這些技術工藝均屬國內外首創,該產品在生產、使用及廢棄物中都不存在污染問題,更符合環保要求,由于鉛晶蓄電池用硅酸鹽取代硫酸液作電解質,從而克服了鉛酸電池使用壽命短,不能大電流充放電的一系列缺點,更加符合動力電池的必備條件,鉛晶電池也必將對動力電池領域產生巨大的推動作用。

鉛晶蓄電池較鉛酸電池具有無可比擬的優越性:

1、鉛晶電池的使用壽命長

一般鉛酸電池循環充放電都在350次左右,而鉛晶電池在額定容量放電60%的前提下,循環壽命700多次,相當于鉛酸電池壽命的一倍。

2、高倍率放電性能好

特殊的工藝使鉛晶電池具有高倍率放電的特性,一般鉛酸電池放電只有3C,鉛晶電池放電最大可以達到10C。

3、深度放電性能好

鉛晶電池可深度放電到0V,繼續充電可恢復全部額定容量,這一特性相對鉛酸電池來講是難以達到的境界。

4、耐低溫性能好

鉛晶電池的溫度適應范圍比較廣,從-20—50℃都能適應,特別是在-20℃的情況下,放電能達到87%。對廣大低溫地區是不可多得的首選佳品。

5、環保性好

鉛晶電池所采用的新材料、新工藝和新配方,不存在酸霧等揮發的有害物質,對土地、河流等不會造成污染,更加符合環保要求。

鐵鎳蓄電池

也叫愛迪生電池。鉛蓄電池是一種酸性蓄電池,與之不同,鐵鎳蓄電池的電解液是堿性的氫氧化鉀溶液,是一種堿性蓄電池。其正極為氧化鎳,負極為鐵。充電、放電的化學反應是

電動勢約為1.3~1.4伏。其優點是輕便、壽命長、易保養,缺點是效率不高。

鎳鎘蓄電池

正極為氫氧化鎳,負極為鎘,電解液是氫氧化鉀溶液,充電、放電的化學反應是

其優點是輕便、抗震、壽命長,常用于小型電子設備。

銀鋅蓄電池

正極為氧化銀,負極為鋅,電解液為氫氧化鉀溶液。

銀鋅蓄電池的比能量大,能大電流放電,耐震,用作宇宙航行、人造衛星、火箭等的電源。充、放電次數可達約100~150次循環。其缺點是價格昂貴,使用壽命較短。

燃料電池

一種把燃料在燃燒過程中釋放的化學能直接轉換成電能的裝置。與蓄電池不同之處,是它可以從外部分別向兩個電極區域連續地補充燃料和氧化劑而不需要充電。燃料電池由燃料(例如氫、甲烷等)、氧化劑(例如氧和空氣等)、電極和電解液等四部分構成。其電極具有催化性能,且是多孔結構的,以保證較大的活性面積。工作時將燃料通入負極,氧化劑通入正極,它們各自在電極的催化下進行電化學反應以獲得電能。

燃料電池把燃燒反應所放出的能量直接轉變為電能,所以它的能量利用率高,約等于熱機效率的2倍以上。此外它還有下述優點:①設備輕巧;②不發噪音,很少污染;③可連續運行;④單位重量輸出電能高等。因此,它已在宇宙航行中得到應用,在軍用與民用的各個領域中已展現廣泛應用的前景。

太陽電池

把太陽光的能量轉換為電能的裝置。當日光照射時,產生端電壓,得到電流,用于人造衛星、宇宙飛船中的太陽電池是半導體制成的(常用硅光電池)。日光照射太陽電池表面時,半導體PN結的兩側形成電位差。其效率在百分之十以上,典型的輸出功率是5~10毫瓦每平方厘米(結面積)。

溫差電池

兩種金屬接成閉合電路,并在兩接頭處保持不同溫度時,產生電動勢,即溫差電動勢,這叫做塞貝克效應(見溫差電現象),這種裝置叫做溫差電偶或熱電偶。金屬溫差電偶產生的溫差電動勢較小,常用來測量溫度差。但將溫差電偶串聯成溫差電堆時,也可作為小功率的電源,這叫做溫差電池。用半導體材料制成的溫差電池,溫差電效應較強。

核電池

把核能直接轉換成電能的裝置(目前的核發電裝置是利用核裂變能量使蒸汽受熱以推動發電機發電,還不能將核裂變過程中釋放的核能直接轉換成電能)。通常的核電池包括輻射β射線(高速電子流)的放射性源(例如鍶-90),收集這些電子的集電器,以及電子由放射性源到集電器所通過的絕緣體三部分。放射性源一端因失去負電成為正極,集電器一端得到負電成為負極。在放射性源與集電器兩端的電極之間形成電位差。這種核電池可產生高電壓,但電流很小。它用于人造衛星及探測飛船中,可長期使用。

原電池

經一次放電(連續或間歇)到電池容量耗盡后,不能再有效地用充電方法使其恢復到放電前狀態的電池。特點是攜帶方便、不需維護、可長期(幾個月甚至幾年)儲存或使用。原電池主要有鋅錳電池、鋅汞電池、鋅空氣電池、固體電解質電池和鋰電池等。鋅錳電池又分為干電池和堿性電池兩種。

鋅錳干電池

制造最早而至今仍大量生產的原電池。有圓柱型和疊層型兩種結構。其特點是使用方便、價格低廉、原材料來源豐富、適合大量自動化生產。但放電電壓不夠平穩,容量受放電率影響較大。適于中小放電率和間歇放電使用。新型鋅錳干電池采用高濃度氯化鋅電解液、優良的二氧化錳粉和紙板漿層結構,使容量和壽命均提高一倍,并改善了密封性能。

堿性鋅錳電池

以堿性電解質代替中性電解質的鋅錳電池。有圓柱型和鈕扣型兩種。這種電池的優點是容量大,電壓平穩,能大電流連續放電,可在低溫(-40℃)下工作。這種電池可在規定條件下充放電數十次。

鋅汞電池

由美國S.羅賓發明,故又名羅賓電池。是最早發明的小型電池。有鈕扣型和圓柱型兩種。放電電壓平穩,可用作要求不太嚴格的電壓標準。缺點是低溫性能差(只能在0℃以上使用),并且汞有毒。鋅汞電池已逐漸被其他系列的電池代替。

鋅空氣電池

以空氣中的氧為正極活性物質,因此比容量大。有堿性和中性兩種系列,結構上又有濕式和干式兩種。濕式電池只有堿性一種,用NaOH為電解液,價格低廉,多制成大容量(100安·小時以上)固定型電池供鐵路信號用。干式電池則有堿性和中性兩種。中性空氣干電池原料豐富、價格低廉,但只能在小電流下工作。堿性空氣干電池可大電流放電,比能量大,連續放電比間歇放電性能好。所有的空氣干電池都受環境濕度影響,使用期短,可靠性差,不能在密封狀態下使用。

固體電解質電池

以固體離子導體為電解質,分高溫、常溫兩類。高溫的有鈉硫電池,可大電流工作。常溫的有銀碘電池,電壓0.6伏,價格昂貴,尚未獲得應用。已使用的是鋰碘電池,電壓2.7伏。這種電池可靠性很高,可用于心臟起搏器。但這種電池放電電流只能達到微安級。

鋰電

以鋰為負極的電池。它是60年代以后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。另外電壓滯后和安全問題尚待改善。近年來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。

儲備電池

有兩種激活方式,一種是將電解液和電極分開存放,使用前將電解液注入電池組而激活,如鎂海水電池、儲備式鉻酸電池和鋅銀電池等。另一種是用熔融鹽電解質,常溫時電解質不導電,使用前點燃加熱劑將電解質迅速熔化而激活,稱為熱電池。這種電池可用鈣、鎂或鋰合金為負極,KCl和LiCl的低共熔體為電解質,CaCrO4、PbSO4或V2O5等為正極,以鋯粉或鐵粉為加熱劑。采用全密封結構可長期儲存(10年以上)。儲備電池適于特殊用途。

標準電池

最著名的是惠斯頓標準電池,分飽和型和非飽和型兩種。其標準電動勢為1.01864伏(20℃)。非飽和型的電壓溫度系數約為飽和型的1/4。

糊式鋅-錳干電池

由鋅筒、電糊層、二氧化錳正極、炭棒、銅帽等組成。最外面的一層是鋅筒,它既是電池的負極又兼作容器,在放電過程中它要被逐漸溶解;中央是一根起集流作用的碳棒;緊緊環繞著這根碳棒的是一種由深褐色的或黑色的二氧化錳粉與一種導電材料(石墨或乙炔黑)所構成的混合物,它與碳棒一起構成了電池的正極體,也叫炭包。為避免水分的蒸發,干電池的上部用石蠟或瀝青密封。鋅-錳干電池工作時的電極反應為鋅極:Zn→Zn2++2e

紙板式鋅-錳干電池

在糊式鋅-錳干電池的基礎上改進而成。它以厚度為70~100微米的不含金屬雜質的優質牛皮紙為基,用調好的糊狀物涂敷其表面,再經過烘干制成紙板,以代替糊式鋅-錳干電池中的糊狀電解質層。紙板式鋅-錳干電池的實際放電容量比普通的糊式鋅-錳干電池要高出2~3倍。標有“高性能”字樣的干電池絕大部分為紙板式。

堿性鋅-錳干電池

其電解質由汞齊化的鋅粉、35%的氫氧化鉀溶液再加上一些鈉羧甲基纖維素經糊化而成。由于氫氧化鉀溶液的凝固點較低、內阻小,因此堿性鋅-錳干電池能在-20℃溫度下工作,并能大電流放電。堿性鋅-錳干電池可充放電循環40多次,但充電前不能進行深度放電(保留60%~70%的容量),并需嚴格控制充電電流和充電期終的電壓。

疊層式鋅-錳干電池

由幾個結構緊湊的扁平形單體電池疊在一起構成。每一個單體電池均由塑料外殼、鋅皮、導電膜以及隔膜紙、炭餅(正極)組成。隔膜紙是一種吸有電解液的表面有淀粉層的漿層紙,它貼在鋅皮的上面;隔膜紙上面是炭餅。隔膜紙如同糊式干電池的電糊層,起隔離鋅皮負極和炭餅正極的作用。疊層式鋅-錳干電池減去了圓筒形糊式干電池串聯組合的麻煩,其結構緊湊、體積小、體積比容量大,但貯存壽命短且內阻較大,因而放電電流不宜過大。

堿性蓄電池

與同容量的鉛蓄電池相比,其體積小,壽命長,能大電流放電,但成本較高。堿性蓄電池按極板活性材料分為鐵鎳、鎘鎳、鋅銀蓄電池等系列。以鎘鎳蓄電池為例,堿性蓄電池的工作原理是:蓄電池極板的活性物質在充電后,正極板為氫氧化鎳〔Ni(OH)3〕,負極板為金屬鎘(Cd);而放電終止時,正極板轉變為氫氧化亞鎳〔Ni(OH2)〕,負極板轉變為氫氧化鎘〔Cd(OH)2〕,電解液多選用氫氧化鉀(KOH)溶液。

金屬-空氣電池

以空氣中的氧氣作為正極活性物質,金屬作為負極活性物質的一種高能電池。使用的金屬一般是鎂、鋁、鋅、鎘、鐵等;電解質為水溶液。其中鋅空氣電池已成為成熟的產品。

金屬-空氣電池具有較高的比能量,這是因為空氣不計算在電池的重量之內。鋅空氣電池的比能量是現生產的電池中最高的,已達400瓦·小時/千克(Wh/kg),是一種高性能中功率電池,并正向高功率電池的方向發展。目前生產的金屬-空氣電池主要是一次電池;研制中的二次金屬-空氣電池為采用更換金屬電極的機械再充電電池。由于金屬-空氣電池工作時要不斷地供應空氣,因此它不能在密封狀態或缺少空氣的環境中工作。此外,電池中的電解質溶液易受空氣濕度的影響而使電池性能下降;空氣中的氧會透過空氣電極并擴散到金屬電極上,形成腐蝕電池引起自放電。

納米電池

納米即10-9米,納米電池即用納米材料(如納米MnO2,LiMn2O4,Ni(OH)2等)制作的電池,納米材料具有特殊的微觀結構和物理化學性能(如量子尺寸效應,表面效應和隧道量子效應等。目前國內技術成熟的納米電池是納米活性碳纖維電池。主要用于電動汽車,電動摩托,電動助力車上。該種電池可充電循環1000次,連續使用達10年左右一次充電只需20分鐘左右,平路行程達400km,重量在128kg,已經超越美日等國的電池汽車水平。它們生產的鎳氫電池充電約需6-8小時平路行程300km。

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