常见的电池类型和电池容量

常见的电池类型和电池容量
一、电池历史
1746年，荷兰莱顿大学的梅森·布洛克发明了收集电荷的“莱顿罐”。他看到很难收集但很容易在空气中消失的电，他想找到一种省电的方法。有一天，他拿着一个桶悬在空中，与一个马达和一个桶相连，从桶里取出一根铜线，浸在装满水的玻璃瓶中。他的助手手里拿着玻璃瓶，梅森·布洛克则从侧面摇动马达。这时他的助手不小心碰到了枪管，突然感到一阵强烈的电击，大声喊道。梅森·布洛克随后与助手交流，让助手摇动马达，同时，他一只手拿着水瓶，另一只手碰了碰枪。电池还处于胚胎阶段，那就是莱登·贾尔。

1780年，意大利解剖学家路易吉·加里尼在做青蛙解剖时，双手拿着不同的金属器械，不小心同时碰到了青蛙的大腿。青蛙腿上的肌肉立刻抽搐起来，好像被电击了似的。如果只使用金属仪器触摸青蛙，就不会有这种反应。格里尼认为，这种现象的发生是因为动物体内产生了一种电，他称之为“生物电”

电偶的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复青蛙实验，试图找到发电的方法。意大利物理学家沃尔特经过几次实验后说：“生物电”的概念是不正确的。青蛙的肌肉之所以能发电，可能是因为肌肉中的某种液体在起作用。为了证明他的观点，伏特将两块不同的金属片浸入不同的溶液中进行测试。

1799年，伏特将一块锌板和一块锡板浸入盐水中，发现有电流流过连接这两种金属的导线。因此，他在锌片和银片之间放了许多绒毛布或浸过盐水的纸片。当用手触摸两端时，他感到强烈的电流刺激。结果发现，只要两块金属板中的一块与溶液发生化学反应，这些金属板之间就会产生电流。

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就这样，伏特成功地制造了世界上第一个电池“伏特堆栈”，它实际上是一个串联的电池组。它成为早期电气实验和电报机的动力源。

1836年，英国的丹尼尔改进了“伏特堆”。他用稀硫酸作为电解液来解决电池的极化问题，并生产出了第一个不极化、能保持电流平衡的锌铜电池。但是这些电池有一个问题，电压会随着时间的推移而降低。

当电池使用一段时间后电压下降时，可以给它一个反向电流，使电池电压升高。因为这种电池可以充电，可以重复使用。

1860年，法国人GeorgeLeclanche也发明了世界上广泛使用的电池（碳锌电池）的前身。其中电极为负极的伏特和锌的混合电极，其中负极与锌电极混合而成，在混合物中插入一根碳棒作为电流收集器。两个电极都浸在氯化铵溶液中（作为电解溶液）。这就是所谓的“湿电池”。这种电池既简单又便宜，所以直到1880年才被“干电池”取代。负极被修饰成锌罐（电池外壳），电解液变成糊状而不是液体，这基本上就是我们今天使用的碳锌电池。

1887年，英国人赫尔森发明了最早的干电池。干电池电解液呈糊状，不渗漏，携带方便，因而得到了广泛的应用。

1890年，托马斯·爱迪生发明了一种可充电的铁镍电池。

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二、工作原理
在化学电池中，化学能转化为电能是电池内部氧化还原等自发化学反应的结果，这种反应是在两个电极上进行的。负电极活性材料由锌、镉或铅等活性金属和氢或碳氢化合物组成。正极活性材料由二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物、氧气或空气、卤素及其盐类、含氧酸及其盐等组成。电解质是具有良好离子导电性的材料，例如酸、碱、盐、有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质的水溶液。

当外部电路断开时，两极之间存在电位差（开路电压），但没有电流，蓄电池中储存的化学能不能转化为电能。当外部电路闭合时，由于电解液中没有自由电子，在两个电极之间的电位差的作用下，电流流过外部电路，同时在蓄电池内部流动，电荷转移伴随着双极活性物质与电解液界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的迁移。电解液中电荷的转移是通过离子的迁移来完成的。

电池内部正常的电荷转移和传质过程是保证电能正常输出的重要环节。充电时，内部能量传递和传质过程的方向与放电正好相反，电极反应必须是可逆的，以保证正常的传质和传质过程在相反的方向进行。因此，可逆电极反应是构成电池的必要条件。事实上，当电极通过平衡电位时，电极会动态地偏离。这种现象称为极化。电流密度越大（通过单位电极面积的电流），极化越多，极化是造成电池能量损失的重要原因之一。

两极分化的原因：注

①由电池各部分电阻引起的极化称为欧姆极化。

②由于电极-电解液界面层电荷转移过程受阻而产生的极化称为激活极化。

③ 电极-电解液界面层中缓慢的传质过程引起的极化称为浓差极化。减小这种极化的方法是增大电极反应面积，降低电流密度，提高反应温度，提高电极表面的催化活性。



三、工艺参数3.1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）。

E:电动势

Ф+0：正极标准电极电位，为1.690 V。

Ф-0：负极标准电极电位，为1.690 V。

R：一般气体常数，为8.314。

T：环境温度。

F：法拉第常数，其值为96485。

αH2SO4：硫酸活性，与硫酸浓度有关。

αH2O：水活性，与硫酸浓度有关。

由上式可知，铅酸蓄电池的标准电动势为1.690-（-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和硫酸浓度有关。

3.2额定容量
在设计规定的条件下（如温度、放电率、终端电压等），电池应能放电的最小容量（单位：安培/小时）用符号C表示。容量受放电率的影响很大，因此，放电率通常由字母C右下角的阿拉伯数字表示，例如C20=50，表示20倍速率下每小时50安培的容量。电池的理论容量可根据电池反应公式中电极活性材料的量和根据法拉第定律计算的活性材料的电化学当量准确确定。由于蓄电池中可能发生的副反应以及设计的特殊需要，蓄电池的实际容量通常低于理论容量。

3.3额定电压
电池在室温下的典型工作电压，也称为标称电压。可供选择不同类型电池时参考。电池的实际工作电压等于正负极在不同使用条件下的平衡电极电位之差。它只与电极活性物质的类型有关，而与活性物质的含量无关。电池电压本质上是直流电压，但在某些特殊条件下，电极反应引起的金属晶体或某些相形成膜的相变会引起电压的轻微波动。这种现象称为噪声。这种波动的幅度很小，但频率范围很宽，可以与电路中的自激噪声区别开来。

3.4开路电压
蓄电池在开路状态下的端子电压称为开路电压。蓄电池的开路电压等于蓄电池开路时正极电势和负极电势之间的差值（没有电流流过两极）。蓄电池的开路电压用V表示，即V on=Ф+-Ф-，其中Ф+，Ф-分别为蓄电池的正极和负极电位。蓄电池的开路电压通常小于其电动势。这是因为电池两极在电解质溶液中形成的电极电位通常不是平衡电极电位，而是稳定的电极电位。通常，蓄电池的开路电压近似等于蓄电池的电动势。

3.5内阻
蓄电池内阻是指电流通过蓄电池内部时所受的电阻。它包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻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。

由于活性物质的组成、电解液的浓度和温度都在不断变化，因此蓄电池的内阻不是恒定的，在充放电过程中会随着时间的推移而变化。欧姆内阻遵循欧姆定律，极化内阻随电流密度的增加而增大，但不是线性的。

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

3.6阻抗
该电池具有较大的电极-电解液界面面积，可以等效为一个简单的大电容、小电阻、小电感的串联电路。然而，实际情况要复杂得多，尤其是电池的阻抗随时间和直流电平的变化而变化，所测得的阻抗仅对某一测量状态有效。

3.7充放电率
它有两种表达方式：时间速率和放大倍数。时间速率是由充电和放电时间指示的充电和放电速率，数值等于电池的额定容量（A·h）除以预定的充放电电流（A）得到的小时数。放大率是时间比率的倒数。原电池的放电速率是指一定的固定电阻放电到终端电压的时间，放电速率对电池性能有很大的影响。

3.8使用寿命
存储寿命是指从电池制造到使用之间允许存储的最长时间。包括储存期和使用期在内的总期限称为电池的有效期。蓄电池的寿命分为干贮存寿命和湿贮存寿命。循环寿命是指电池在规定条件下所能达到的最大充放电循环次数。充放电循环试验系统必须规定在规定的循环寿命内，包括充放电速率、放电深度和环境温度范围。

3.9自放电率
电池在储存期间失去容量的速率。单位储存时间内自放电损失的容量表示为储存前电池容量的百分比。