Hi 您好!  注册 | 登录

概述

电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化为电能的装置。最早的电池我们可以追溯到两百年以前意大利物理学家伏打发明的伏打电池,它使人们第一次获得了比较稳定而持续的电流,具有划时代的意义。在伏打电池原理和研发精神的指引下,人们通过不断努力,开发了一代又一代的新型电池,从人们普遍使用的干电池到新型的太阳能电池、锂聚合物电池(Li-polymer)和燃料电池等等,不仅在电池容量、体积、使用方便程度等方面有很大突破,更重要的是在这些新型电池的研发过程中,渗透着人们强烈的绿色环保意识。

什么是电池

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。

电池的分类

化学电池按工作性质可分为一次电池(原电池)和二次电池(可充电电池)铅酸蓄电池。

一次电池

仅能被使用一次的电池,无法透过充电的方式再补充已经转化掉的化学能,因此称为一次电池。此类电池常见的有干电池,水银电池,碱性电池等。

一次电池的应用也是最早最广泛的,市面上卖的不可充电电池几乎诸如此类,如下所示的纽扣型水银电池,1号,2号以及3号电池等等。

一次电池可分为:糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。

二次电池

利用化学反应的可逆性,可以组建成一个新电池,即当一个化学反应转化为电能之后,还可以用电能使化学体系修复,然后再利用化学反应转化为电能,所以叫二次电池。

这类的电池有铅酸电池 (lead acid battery )、镍镉电池 ( nickel cadmium battery )、镍氢電池 ( nickel hydrogen battery )、二次锂电池 ( secondary lithium battery ),以及锂离子电池 ( lithium ion battery ) 和高分子锂电池 ( polymer lithium battery ) 等。

二次电池可分为:镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。铅酸蓄电池可分为:开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。

根据材质分类

镍镉电池:最早的一种电池,有记忆效应,也就是在每次充电前要确定已将电量使用完,也就是需要放电的动作,才能增加电池的寿命;记得三、四年前的行动电话电池都是使用这种。

镍氢电池 :待机时间比传统镍镉电池来得久,也较没记忆效应;但是最好还是在电力用完後再充电,也可增加电池的寿命。

锂电池:目前待机时间最长,没有记忆效应,很可惜现在的单价非常的高,目前以日本的技术最高。锂电池的另一个特色,就是电池中不能过热,否则会烧毁.如果大家还有印象,锂电在发明时,是很不稳定的,经过几年的努力与克服,才成功的上市。

锂聚合物:最新的锂电技术.单价也最高.目前只有易利信的T28采用这种技术.锂聚合物将锂电池的不稳定性大大的降低.而且可以作的更轻、更薄。将手机电池的技术又更推进了一步。

锂电池:目前待机时间最长,没有记忆效应,很可惜现在的单价非常的高,目前以日本的技术最高。锂电池的另一个特色,就是电池中不能过热,否则会烧毁.如果大家还有印象,锂电在发明时,是很不稳定的,经过几年的努力与克服,才成功的上市。

绿色环保电池:指近年来已投入使用和正在研制的一类高性能、无污染电池,包括目前已投入使用的金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池,正在推广使用的无汞碱性锌锰原电池,及燃料电池、太阳能电池(光伏电池)等。

锂电池跟镍氢电池的差异

镍氢电池在使用次数上比较不经济,而且由於储电量并不多,所以感觉上用没多久就要准备充电。它也有所谓的记忆效应,储电量会逐渐地减少。所以在充电之前最好要放电,可再充次数少。 锂电池可以持续较久的电力,耐力较镍氢为久,充电时不必放电就可以充电。可再充次数明显较多。但由於材质与技术较新的关系,价钱较镍氢电贵很多。建议使用可以搭配锂电池使用的手机,省去常充电的困扰,且镍氢须定时做放电动作,以免记忆效应导致电池表现每况愈下。一般来讲,锂电池和镍氢电池用到手机自动关机即完成放电动作,但镍氢电池搭配充电座的放电钮放电会更好。

电池的发展

在古代,人类有可能已经不断地在研究和测试“电”这种东西了。一个被认为有数千年历史的粘土瓶在1932年于伊拉克的巴格达附近被发现。它有一根插在铜制圆筒里的铁条-可能是用来储存静电用的,然而瓶子的秘密可能永远无法被揭晓。不管制造这个粘土瓶的祖先是否知道有关静电的事情,但可以确定的是古希腊人绝对知道。他们晓得如果摩擦一块琥珀,就能吸引轻的物体。在十八世纪的四五十年代,发电装置的改善和大气电现象的研究,吸引了物理学家们的广泛兴趣。

1745年,普鲁士的克莱斯特利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时,受到猛烈的一击。

可能是在这个发现的启发下,荷兰莱顿大学的马森布罗克在1746年发明了收集电荷的“莱顿瓶”。因为他看到好不容易收集的电却很容易地在空气中逐渐消失,他想寻找一种保存电的方法。有一天,他用一支枪管悬在空中,用起电机与枪管连着,另用一根铜线从枪管中引出,浸入一个盛有水的玻璃瓶中,他让一个助手一只手握着玻璃瓶,马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心将中另一只手与枪管碰上,他猛然感到一次强烈的电击,喊了起来。马森布罗克于是与助手互换了一下,让助手摇起电机,他自己一手拿水瓶子,另一只手去碰枪管。

1780年,意大利解剖学家伽伐尼(Luigi Galvani)在做青蛙解剖时,两手分别拿着不同的金属器械,无意中同时碰在青蛙的大腿上,青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下,仿佛受到电流的刺激,而如果只用一种金属器械去触动青蛙,就无此种反应。伽伐尼认为,出现这种现像是因为动物躯体内部产生的一种电,他称之为“生物电”。

伽伐尼的发现引起了物理学家们极大兴趣的,他们竞相重复枷伐尼的实验,企图找到一种产生电流的方法,意大利物理学家伏特在多次实验后认为:伽伐尼的“生物电”之说并不正确,青蛙的肌肉之所以起作用。为了论证自己的观点,伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。结果发现,这两种金属片中,只要有一种与溶液发生了化学反应,金属片之间就能够产生电流。

1799年,意大利物理学家伏特把一块锌板和一块锡板浸在盐水里,发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是,他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片,平叠起来。用手触摸两端时,会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功地制成了世界上第一个电池──“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。它成为早期电学实验,电报机的电力来源。

1836年,英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液,解决了电池极化问题,制造出第一个不极化,能保持平衡电流的锌─铜电池此后,这些电池都存在电压随着使用时间延长而下降的问题。

当电池使用一段时间后电压下降时,电池电压回升。因为这种电池能充电,可以反复使用,所以称它为“蓄电池”。

然而,无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体,因此搬运很不方便,特别是蓄电池所用液体是硫酸,在挪动时很危险。

也是在1860年,法国的雷克兰士(GeorgeLeclanche)还发明了世界广受使用的电池(碳锌电池)的前身。它的负极是锌和汞的合金棒(锌-伏特原型电池的负极,经证明是作为负极制作材料的最佳金属之一),而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作为电流收集器。负极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中。此系统被称为“湿电池”。雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜,所以一直到1880年才被改进的“干电池”取代。负极被改进成锌罐(即电池的外壳),电解液变为糊状而非液体,基本上这就是现在我们所熟知的碳锌电池。

1887年,英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状,不会溢漏,便于携带,因此获得了广泛应用。

1890年爱迪生(Thomas Edison)发明可充电铁镍电池。

各种型号

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。

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,以前的MP3用的多是AAA电池,标准的AAA(平头)电池高度43.6±0.5mm,直径10.1±0.2mm。

AA型号电池就更是尽人皆知,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。

只用一个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,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,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,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,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F(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。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。

还有两种型号表示方法,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。

例如,505060AR,305060A ,其中前面两位数字是指厚,中间两位数是指宽 ,最后面两位数是指长。例如505060AR就是锂电池的5.0MM是厚, 宽是50MM,60MM是长。后缀AR是表示铝壳锂电池。

性能参数

任何一种电池由四个基本部件组成,四个主要部件是两个不同材料的电极、电解质、隔膜和外壳。

电池主要性能包括电动势、额定容量、额定电压、开路电压、内阻、充放电速率、阻抗、寿命和自放电率。

电动势:电动势是两个电极的平衡电极电位之差,以铅酸蓄电池为例,E=Ф+0-Ф-0+RT/F*In(αH2SO4/αH2O)。

其中:E—电动势;Ф+0—正极标准电极电位,其值为1.690V;Ф-0—负极标准电极电位,其值为-0.356V;R—通用气体常数,其值为8.314;T—温度,与电池所处温度有关;F—法拉第常数,其值为96485;αH2SO4—硫酸的活度,与硫酸浓度有关;αH2O—水的活度,与硫酸浓度有关。

从上式中可看出,铅酸蓄电池的标准电动势为1.690-(-0.0.356)=2.046V,因此蓄电池的标称电压为2V。铅酸蓄电池的电动势与温度及硫酸浓度有关。

额定容量:在设计规定的条件(如温度、放电率、终止电压等)下,电池应能放出的最低容量,单位为安培/每小时,以符号C表示。容量受放电率的影响较大,所以常在字母C的右下角以阿拉伯数字标明放电率,如C20=50,表明在20时率下的容量为50安•小时。电池的理论容量可根据电池反应式中电极活性物质的用量和按法拉第定律计算的活性物质的电化学当量精确求出。由于电池中可能发生的副反应以及设计时的特殊需要,电池的实际容量往往低于理论容量。

额定电压:电池在常温下的典型工作电压,又称标称电压。它是选用不同种类电池时的参考。电池的实际工作电压随不同使用条件等于正、负电极的平衡电极电势之差。它只与电极活性物质的种类有关,而与活性物质的数量无关。电池电压本质上是直流电压,但在某些特殊条件下,电极反应所引起的金属晶体或某些成相膜的相变会造成电压的微小波动,这种现象称为噪声。波动的幅度很小但频率范围很宽,故可与电路中自激噪声相区别。

开路电压:电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池在断路时(即没有电流通过两极时)电池的正极电极电势与负极的电极电势之差。电池的开路电压用V开表示,即V开=Ф+-Ф-,其中Ф+、Ф-分别为电池的正负极电极电位。电池的开路电压,一般均小于它的电动势。这是因为电池的两极在电解液溶液中所建立的电极电位,通常并非平衡电极电位,而是稳定电极电位。一般可近似认为电池的开路电压就是电池的电动势。

内阻:电池的内阻是指电流通过电池内部时受到的阻力。它包括欧姆内阻和极化内阻,极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。由于内阻的存在,电池的工作电压总是小于电池的电动势或开路电压。电池的内阻不是常数,在充放电过程中随时间不断变化(逐渐变大),这是因为活性物质的组成,电解液的浓度和温度都在不断的改变。欧姆内阻遵守欧姆定律,极化内阻随电流密度增加而增大,但不是线性关系。常随电流密度增大而增加。

内阻是决定电池性能的一个重要指标,它直接影响电池的工作电压,工作电流,输出的能量和功率,对于电池来说,其内阻越小越好。

阻抗:电池内具有很大的电极-电解质界面面积,故可将电池等效为一大电容与小电阻、电感的串联回路。但实际情况复杂得多,尤其是电池的阻抗随时间和直流电平而变化,所测得的阻抗只对具体的测量状态有效。

充放速率:有时率和倍率两种表示法。时率是以充放电时间表示的充放电速率,数值上等于电池的额定容量(安•小时)除以规定的充放电电流(安)所得的小时数。倍率是充放电速率的另一种表示法,其数值为时率的倒数。原电池的放电速率是以经某一固定电阻放电到终止电压的时间来表示。放电速率对电池性能的影响较大。

寿命:储存寿命指从电池制成到开始使用之间允许存放的最长时间,以年为单位。包括储存期和使用期在内的总期限称电池的有效期。储存电池的寿命有干储存寿命和湿储存寿命之分。循环寿命是蓄电池在满足规定条件下所能达到的最大充放电循环次数。在规定循环寿命时必须同时规定充放电循环试验的制度,包括充放电速率、放电深度和环境温度范围等。

自放电率:电池在存放过程中电容量自行损失的速率。用单位储存时间内自放电损失的容量占储存前容量的百分数表示。

有关计算:其中E为电动势,r为电源内阻,内电压U内=Ir,E=U内+U外。适用范围:任何电路。闭合电路中的能量转化:E=U+Ir;EI=UI+I^2R;P释放=EI;P输出=UI;纯电阻电路中,P输出=I^2R=E^2R/(R+r)^2=E^2/(R^2+2r+r^2/R);当 r=R时P输出最大,P输出=E^2/4r(均值不等式)

电池的选择

为某一特定应用选择最佳电池时必须考虑多种因素。每种可选电池的性能要有利于设备的要求,选择其中能最大限度实现这些要求的电池。

纽扣电池:主要用于石英表、计算器、电子字典、秒表、电子记事薄、照相机的测光系统和自动曝光系统。

锌锰电池:主要用于闪光灯、测光表、收音机、BP机、计算器、石英钟、电子日历、手电筒、万用表等。

碱性电池:主要用于照相机,闪光灯、测光表、数码相机、笔记本电脑、录音机、收音机、便携式电视机、BP机、随身听、随身CD机、随身VCD机、MD机、MP3播放机、采访机、录音笔、无线话筒、计算器、掌上电脑、袖珍电子扫描字典、笔型扫描仪、石英钟、乎电、万用表、电子温度计等。

锂电池:主要用于照相机、机上闪光灯、手机、笔记本电脑、摄象机等。

镍镉电池:主要用于照相机、闪光灯、数码相机、录音机、收音机、便携式电视机、手机、BP机、随身听、随身CD机、随身VCD机、MD机、MP3播放机、采访机、无线话简、手电等。

镍氢电池:主要用于照相机、闪光灯、数码相机、录音机、收音机、便携式电视机,笔记本电脑、手机、BP机、随身听、随身CD机、随身VCD机、MD机、MP3播放机、采访机、录音笔、无线话筒、掌上电脑、摄象机、手电等。

锂离子电池:主要用于POS机、打印机、B超机、照相机、闪光灯、数码相机、笔记本电脑、手机、随身听、随身CD机、MP3播放机、掌上电脑、摄象机等。

积层电池:主要用于万用表、照度计、色度计、色温表、电子温度计等。

柱形电池:主要用于照相机、机上闪光灯、录音机、录音笔、无线话筒.掌上电脑,照度计、色度计等。

板形电池:主要用于笔记本电脑、手机、随身听、随身CD机、随身VCD机、MD机、MP3播放机、采访机、掌上电脑、摄象机等。 铅酸蓄电池:主要用于大型闪光灯、小型影室灯和摄影用的连续光源。