電池

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電池,一般狹義上的定義是將本身儲存的化學能轉成電能的裝置,廣義的定義為將預先儲存起的能量轉化為可供外用電能的裝置[1]。因此,像太陽能電池只有轉化而無儲存功能的裝置不算是電池。其他名稱有電瓶電芯,而中文池及瓶也有儲存作用之意。

英文中,單一個電池結構叫做「Cell」(單電池),內部有多個Cell並連或串連的結構叫做「Battery」(電池組)。市售一般乾電池其實構造上是「Cell」但英文上習慣稱「Battery」,汽車用鉛酸電池與方形9V電池則是真正的「Battery」。

各種電池

電池發展史[編輯]

目前已知的全球第一個電池

電池的歷史可以追逐的兩千多年前的古伊拉克時代。是在首都巴格達發現的素燒陶壺。它是一種使用的電池。考古發現的物品被認為是至今發現的最早的電池證據。 而現代真正作為化學能的儲藏體,根據人們的需要可控制地放出電能的裝置,首先由亞歷山德羅·伏特發明,當時稱為Volta Pile(伏打電堆)。

電池種類[編輯]

化學電池[編輯]

化學電池電化電池電化學電池電化學池是指通過氧化還原反應,把正極負極活性物質的化學能,轉化為電能的一類裝置。與普通氧化還原反應不同的是氧化還原反應是分開進行的,氧化在負極,還原在正極,而電子得失是通過外部線路進行的,所以形成了電流。這是所有電池的本質特點。經過長期的研究、發展,化學電池迎來了品種繁多,應用廣泛的局面。大到一座建築方能容納得下的巨大裝置,小到以毫米計的類型。現代電子技術的發展,對化學電池提出了很高的要求。每一次化學電池技術的突破,都帶來了電子設備革命性的發展。世界上很多電化學科學家,把興趣集中在做為電動汽車動力的化學電池領域。

乾電池和液體電池[編輯]

乾電池液體電池的區分僅限於早期電池發展的那段時期。最早的電池由裝滿電解液玻璃容器和兩個電極組成。後來推出了以糊狀電解液為基礎的電池,也稱做乾電池。

現在仍然有「液體」電池。一般是體積非常龐大的品種。如那些做為不間斷電源的大型固定型鉛酸蓄電池或與太陽能電池配套使用的鉛酸蓄電池。對於移動設備,有些使用的是全密封,免維護的鉛酸蓄電池,這類電池已經成功使用了許多年,其中的電解液硫酸是由硅凝膠固定或被玻璃纖維隔板吸附的。

一般電池和可充電電池[編輯]

一般電池

一般電池(Primary Battery)俗稱「用完即棄」電池,因為它們的電量耗盡後,無法再充電使用,只能丟棄。常見的一般電池包括:

  • 鋅錳電池—電壓約1.5V,電池容量較低,能輸出的電池也較低,幾乎被鹼錳電池所取代,唯獨是不會在長期存放後漏出有害腐蝕液體,所以仍被使用於低用電量同時需長期使用的裝置,例如鐘、紅外線搖控等。
  • 鹼錳電池—電壓約1.5V,電池容量及輸出的電池較鋅錳電池高,但不及鎳氫電池,長期存放後漏出有害腐蝕液體。
  • 鋰電池Li—電壓約3V,電池容量及輸出的電池極高,可以存放十年仍有相當電力,但價錢較貴。

其他的一般電池包括有鋅電池鋅空電池鋅汞電池水銀電池氫氧電池鎂錳電池

市面有出現一種破解電池極限的「恢復器」,號稱可以恢復鹼錳電池的電量,其實是對鹼性電池進行極慢的充電,只可使鹼性電池回復部份電量,而且同一枚電池可再充的次數不多。[來源請求]

可充電電池

可充電電池又稱二次電池(Secondary battery)、蓄電池。可充電電池按製作材料工藝上的不同,其優點是在充電後可多次循環使用,它們可全充放電兩百多次甚至達2500次,充電電池的輸出電流(負荷力)要比大部分一次性電池高。常見的類型有:

  • 鉛酸電池—電壓約12V,容量低但可輸出較大的功率、電池,常使用於汽車中作啟動引擎用,或用於不斷電系統(UPS)、無線電機、通信機。
  • 鎳鎘電池NiCd—電壓約1.2V,有較強烈的記憶效應,而且容量較低,含有毒物質,對環境有害,現已被淘汰。
  • 鎳氫電池NiMH—電壓約1.2V,有極輕微的記憶效應,容量較鎳鎘電池及鹼性電池大,可充放電循環使用數百至二千幾次。舊鎳氫電池有較大的自放電,新的低自放電鎳氫電池自放電低至與鹼性電池相約,而且可在低溫下使用(-20℃),充電裝置、電壓與鎳鎘電池相同,已取代了鎳鎘電池,同時也可取代絕大部份鹼性電池的用途,也有用於混合動力車的。
  • 鋰離子電池Li-ion—電壓約3.6、3.7V,鋰離子電池具有重量輕(容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍)、容量大、無記憶效應等優點,具有很低的自放電率,因而即使價格相對較高,仍然得到了普遍應用,包括許多電子產品,而且不含有毒物質,但這類用於消費性電子產品的Li-ion電池在存放一段時期後電量會永久減少。另也有用於純電動車混合動力車的Li-ion電池,用於這用途的鋰離子電池容量相對略低,但有較大的輸出、充電電流,也有的有較長的壽命,但成本較高。

燃料電池[編輯]

生物能電池原理

燃料電池是一種將燃料的化學能透過電化學反應直接轉化成電能的裝置,與一般電化電池不同的是反應物不儲存在電池內,只在反應時灌入電池。

燃料電池是利用氫氣在陽極進行的是氧化反應,將氫氣氧化成氫離子,而氧氣在陰極進行還原反應,與由陽極傳來的氫離子結合生成水。氧化還原反應過程中就可以產生電流。

燃料電池的技術包括了出現鹼性燃料電池(AFC)、磷酸燃料電池(PAFC)、質子交換膜燃料電池(PEMFC)、熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC)、固態氧化物燃料電池(SOFC),以及直接甲醇燃料電池(DMFC)等,而其中,利用甲醇氧化反應作為正極反應的燃料電池技術,更是被業界所看好而積極發展。

水啟動電池[編輯]

水啟動電池英語Water-activated battery本身不含電解質,出廠時還不會產生電力,須待加入水之後,才讓成份間的化學反應得以開始,並產生電力。

核電池[編輯]

衰變放出巨大的能量使238加熱至燒紅的程度。

原子能電池(又稱核電池,氚電池或放射性同位素發電裝置)是指那些使用放射性同位素衰變時產生之能量來產生電力的裝置。這會使人誤解成核反應堆,但實際上這種電池不是利用核裂變來產生能量。核電池比起一般電池有很長的壽命且其輸出能量遠比一般化學電池為高,可惜其製作成本也相對很高,使這種電池多用於一些需長時間運作又難以更換電池的儀器之上。

核電池之技術早在1913年已經被亨利·莫塞萊所發明,使眾科學家都期望此技術能夠用於太空儀器上。但由於一直無法提高能源效率,這技術到近年納米技術研發出更有效之半導體後再被關注。此種電池現應用於衞星、宇航工具,也有於地面上使用。第一個離開太陽系的太空探測器航行者一號就是用這類電池作為能源,供應電力給探測器上的儀器。 核電池大致分成兩種類,分別是熱轉換型核電池(例如放射性同位素熱電機斯特林放射性同位素高階熱電機)及非熱轉換型核電池

電池容量[編輯]

電池容量是指電池所能儲存的電荷量,電池荷的符號為Q,單位為庫倫(C),但日常生活中多以安培小時(Ah)為單位,由於日常生活使用的電池也有容量相對較少,所以也有用毫安培小時(mAh)單位,也即千分之一安培小時,例如手機所使用的電池通常以後者為標記。

決定電池容量的因素有: 電池的種類(也即製造電池的物質)—同一體積,不同種類的電池有不同的容量,例如鋰電池的容量較很多其他電池為高。 電池的體積—由於物質的化學能的能量密度是固定的,因為體積越大,總藏能量就越多,例如一枚AA電池的容量比AAA電池為大。 電池的溫度—一般情況下,溫度越低,電池的有效容量會減小,不同種類的電池減小的程度各有不同,所以在寒冷地區使用電池時需要特別留意。 放電速率—放電電流越大,同一電池的有效容量會越小,所以推同高耗電的電池時電池的容量會減少,例如一枚能點亮2W燈泡一小時的電池,推動4W燈泡時就不能有半小時,必定比半小時短些,短多少就視乎電池種類、溫度…等因素而定。

所以同一枚電池在不同環境下會有不同容量,所以一般電池所標示的容量只可作參考,實際使用仍會因環境及其他工作條件而有所變化。而標示容量一般都以室溫情況下作準。

容量、放電電流與C值[編輯]

要計算一電池的在某一放電流下能連續放電多久,方法是將容量除以電流:

 t = \frac{Q}{I}

當中,t(h)是放電時間(單位是小時)、Q(Ah)是電池容量(單位是安倍小時)、I(A)是電流(安培)。

而放電(或充電)電流也有用C值來表述,1個C的放電電流會剛好在一小時把電池完全放電,也就是1個C的電流是相對電池容量而定。例如一枚600mAh的電池,1個C的電流即是600mA,以這個電流放電會在一小時內用完電量。同樣地,對一枚2500mAh的電池,1C就是2500mA。又例如以0.5C對電池放電的話,不管電池容量多小,電池都會在2小時用完(1/0.5=2)。

用C作表述的特點在於在相同電池種類、操作環境下,不同容量的電池在同一C值放電率下,理論上都應該有相約放電時間。所以當要比較不同電池性能時,會選擇同一C值的放電或充電速率作比較。電池生產商在電池的規格上也多以C值表述放電電流及充電電流的速率。

參見[編輯]

參考資料[編輯]

外部連結[編輯]