电池(卷名：电子学与计算机)
battery
将一定形式的能量不经过中间机械转换过程而直接转换为电能的电源装置。主要特点是：①可在电网或发电机不能或不易供电的场合提供直流电源；②工作时无噪声，携带方便；③由单体电池组成，可根据需要选用和组合。按照能量转换的方式，电池可分为：①利用电化学反应将化学能直接转换成电能的化学电池，这类电池种类很多，应用很广，统称化学电源；②利用光伏效应将太阳光能直接转换成电能的太阳电池；③利用塞贝克效应将热能直接转换成电能的温差发电器；④将原子核放射能直接转换为电能的核电池等。后三者都是利用物理效应，故又总称物理电源。
发展简况 最早的原型化学电池是伏打电堆，由意大利A.伏特于1800年发明。1859年法国G.普兰特发明铅蓄电池，1868年法国G.勒克朗谢发明锌锰电池，1899年瑞典W.荣格发明镉镍蓄电池，1900年美国T.A.爱迪生发明铁镍蓄电池。这些电池经过长期改进，已成为现代大量应用的化学电源。近代电子工业和航天工业的发展，加速了新型高能量电池的研究。1941年法国H.G.安德烈制成高能量锌银蓄电池。1958年英国F.培根制成高功率氢氧燃料电池，后来成功地应用在美国“阿波罗”号登月飞船中。70年代前半期，各种高能量锂电池分别在美国、法国、日本研制成功，并陆续投入使用。
原理 在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行（见图）。负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。当外电路断开时，两极之间虽然有电位差(开路电压)，但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。电荷在电解质中的传递也要由离子的迁移来完成。因此，电池内部正常的电荷传递和物质传递过程是保证正常输出电能的必要条件。充电时，电池内部的传电和传质过程的方向恰与放电相反；电极反应必须是可逆的，才能保证反方向传质与传电过程的正常进行。因此，电极反应可逆是构成蓄电池的必要条件。按照热力学原理，在等温等压下，电池体系所能输出的最大功即体系的自由能增量为
式中E为电池电动势（伏）；
为吉布斯反应自由能增量(焦)；F为法拉第常数＝96500库＝26.8安·小时；n为电池反应的当量数。这是电池电动势与电池反应之间的基本热力学关系式，也是计算电池能量转换效率的基本热力学方程式。实际上，当电流流过电极时，电极电势都要偏离热力学平衡的电极电势，这种现象称为极化。电流密度（单位电极面积上通过的电流）越大，极化越严重。极化现象是造成电池能量损失的重要原因之一。极化的原因有三：①由电池中各部分电阻造成的极化称为欧姆极化；②由电极－电解质界面层中电荷传递过程的阻滞造成的极化称为活化极化；③由电极－电解质界面层中传质过程迟缓而造成的极化称为浓差极化。减小极化的方法是增大电极反应面积、减小电流密度、提高反应温度以及改善电极表面的催化活性。主要性能参数 电池的主要性能包括额定容量、额定电压、充放电速率、阻抗、寿命和自放电率。
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而异。电池的开路电压等于正、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。
充放电速率 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。
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。
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。
原电池 经一次放电（连续或间歇）到电池容量耗尽后，不能再有效地用充电方法使其恢复到放电前状态的电池。特点是携带方便、不需维护、可长期（几个月甚至几年）储存或使用。原电池主要有锌锰电池、锌汞电池、锌空气电池、固体电解质电池和锂电池等。锌锰电池又分为干电池和碱性电池两种。
锌锰干电池 制造最早而至今仍大量生产的原电池。有圆柱型和叠层型两种结构。其特点是使用方便、价格低廉、原材料来源丰富、适合大量自动化生产。但放电电压不够平稳，容量受放电率影响较大。适于中小放电率和间歇放电使用。新型锌锰干电池采用高浓度氯化锌电解液、优良的二氧化锰粉和纸板浆层结构，使容量和寿命均提高一倍，并改善了密封性能。
碱性锌锰电池 以碱性电解质代替中性电解质的锌锰电池。有圆柱型和钮扣型两种。这种电池的优点是容量大，电压平稳，能大电流连续放电，可在低温(-40℃)下工作。这种电池可在规定条件下充放电数十次。
锌汞电池 由美国S.罗宾发明，故又名罗宾电池。是最早发明的小型电池。有钮扣型和圆柱型两种。放电电压平稳，可用作要求不太严格的电压标准。缺点是低温性能差（只能在0℃以上使用），并且汞有毒。锌汞电池已逐渐被其他系列的电池代替。
锌空气电池 以空气中的氧为正极活性物质，因此比容量大。有碱性和中性两种系列，结构上又有湿式和干式两种。湿式电池只有碱性一种，用NaOH为电解液，价格低廉，多制成大容量（100安·小时以上）固定型电池供铁路信号用。干式电池则有碱性和中性两种。中性空气干电池原料丰富、价格低廉，但只能在小电流下工作。碱性空气干电池可大电流放电，比能量大，连续放电比间歇放电性能好。所有的空气干电池都受环境湿度影响，使用期短，可靠性差，不能在密封状态下使用。
固体电解质电池 以固体离子导体为电解质，分高温、常温两类。高温的有钠硫电池，可大电流工作。常温的有银碘电池，电压0.6伏，价格昂贵，尚未获得应用。已使用的是锂碘电池，电压2.7伏。这种电池可靠性很高，可用于心脏起搏器。但这种电池放电电流只能达到微安级。
锂电池 以锂为负极的电池。它是60年代以后发展起来的新型高能量电池。按所用电解质不同分为：①高温熔融盐锂电池；②有机电解质锂电池；③无机非水电解质锂电池；④固体电解质锂电池；⑤锂水电池。锂电池的优点是单体电池电压高，比能量大，储存寿命长（可达10年），高低温性能好，可在-40～150℃使用。缺点是价格昂贵，另外电压滞后和安全问题尚待改善。
蓄电池 在部分或全部放电后能有效地用充电方法使其恢复到放电前状态的电池。蓄电池的特点是可以重复利用，并能输出较大电能。主要用途为汽车或飞机的起动电源，潜艇、煤矿车、工业叉车等的动力电源，电话交换机、照明、电力系统的应急电源，以及使用期较长的能源系统（如人造卫星、太阳能、风能等）的储能电源。
铅蓄电池 最早发明而至今仍大量生产和应用的蓄电池。采用酸性电解质，原材料丰富，价格低，适用性好，但比能量低。采用低锑合金或铅钙合金板栅和优良的添加剂，并改进电池设计，已制成免维护铅蓄电池和密封型铅蓄电池。
镉镍蓄电池 采用碱性电解质，有开口式、密封式和全密封式三种结构。按电极工艺分类，在压成式、极板盒式、烧结式等。以烧结式性能最好，能高倍率放电且循环寿命最长。全密封电池可供卫星使用。若以活性铁电极代替海绵镉电极即构成铁镍蓄电池。铁镍蓄电池价格较低，但充电效率低而且自放电率大，采用新型烧结式铁电极，性能已有所提高。
锌银蓄电池 是蓄电池中比能量最高的一种，也可做成原电池和储备电池。这种蓄电池分为高倍率(7倍率以上)、中倍率（3.5～7倍率）、低倍率(3.5倍率以下)三种。性能良好但寿命较短，而且价格昂贵，只能用于特殊场合。为满足微电子器件的需要，已研制出一种钮扣式结构电池，可供电子手表、袖珍计算器和其他微电子器件使用。
储备电池 有两种激活方式，一种是将电解液和电极分开存放，使用前将电解液注入电池组而激活，如镁海水电池、储备式铬酸电池和锌银电池等。另一种是用熔融盐电解质，常温时电解质不导电，使用前点燃加热剂将电解质迅速熔化而激活，称为热电池。这种电池可用钙、镁或锂合金为负极，KCl和LiCl的低共熔体为电解质，CaCrO4、PbSO4或V2O5等为正极，以锆粉或铁粉为加热剂。采用全密封结构可长期储存（10年以上）。储备电池适于特殊用途。
标准电池 最著名的是惠斯顿标准电池，分饱和型和非饱和型两种。其标准电动势为 1.01864伏(20℃)。非饱和型的电压温度系数约为饱和型的1/4。
燃料电池 研究燃料电池的最初目的是使天然燃料经电化学氧化而发电，以提高能量转换效率，这个目的虽至今未获成功，却研制出可直接从特定燃料得到直流电流的燃料电池，如氢氧燃料电池，已用在航天器上。燃料电池按电解质不同分为：①离子交换膜电池；②石棉膜电池；③培根型电池（以浓 KOH为电解质）。人们正在研究地面应用的燃料电池，以磷酸为电解质，空气为氧化剂，燃料是天然碳氢化合物经重整和裂解后使用。此外还有肼燃料电池、甲醇燃料电池和高温燃料电池，均处于实验室研究阶段。
参考书目
徐国宪、章庆权：《新型化学电源》，国防工业出版社，北京，1984。
G.W.Vinal，Storage Batteries，4th ed.，Wiley，NewYork，1955.