电池是如何分类的？

1.伏打电池

 

伏打电池的发明归功于两位意大利科学家。一位是解剖学家和医学教授伽伐尼（Galvani,L. 1737-1798），一位是物理学和化学家伏打（Volta,A.1745-1827）。

 

1780年，伽伐尼在一次解剖青蛙时有一个偶然的发现。一只已解剖的青蛙放在一个潮湿的铁案上，当解剖刀无意中触及蛙腿上外露的神经时，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重复了这个实验，又观察到同样的现象。最初他以为蛙腿发生痉挛是“大气电”作用的结果。后来他以严谨的科学态度，选择各种不同的金属，例如铜和铁或铜和银，接在一起，而把另两端分别与死蛙的肌肉和神经接触，青蛙就会不停地屈伸抽动。如果用玻璃、橡胶、松香、干木头等代替金属，就不会发生这样的现象。作为解剖学家的伽伐尼脑子里总是想着肌肉和神经等，他想用动物体内有某种电来解释，但这种“动物电”的解释是含糊不清的。1789年他写成了论文：《关于电对肌肉运动的作用》，于1791年发表。　　伏打读到了这篇论文后，就多次重复了伽伐尼的实验。作为物理学家，他的注意点主要集中在那两根金属上，而不在青蛙的神经上。伏打在此以前已经对电学作出不少贡献。他曾经对已有验电器进行改造，制成了一种能够测微量电荷的验电器。1775年，他在给普利斯特里的信中描写了一种起电盘装置。对于伽伐尼发现的蛙腿抽搐的现象，他想这可能与电有关，但是他认为青蛙的肌肉和神经中是不存在电的，他推想电的流动可能是由两种不同的金属相互接触产生的，与金属是否接触活动的或死的动物无关。伏打用自己设计的精密验电器，对各种金属进行了许多实验。这些实验证明，只要在两种金属片中间隔以用盐水或碱水浸过的（甚至只要是湿和）硬纸、麻布、皮革或其它海绵状的东西（他认为这是使实验成功所必须的），并用金属线把两个金属片连接起来，不管有没有青蛙的肌肉，都会有电流通过。这就说明电并不是从蛙的组织中产生的，蛙腿的作用只不过相当于一个非常灵敏的验电器而已。

 

 在1796年的一封信中，伏打把金属（以及黄铁矿等某些矿石和木炭）称为第一类导体或干导体，把盐、碱、酸等的溶液称为第二类导体或湿导体。他指出：把第一类导体与第二类导体相接触，“就会引起电的扰动，产生电运动；至于这个现象的原因，目前还不清楚，只能认为是一般的特性”。　　伏打用了三年的时间，用把各种金属两两搭配进行实验的方法，研究两种金属接触产生电的现象。他发现，一种金属与某一种金属接触时带正电，它与另一种金属接触时则可能带负电。例如，锌和铜接触时锌带正电，铜带负电；但铜若与金或银接触，则铜带正电，金、银带负电。伏打以大量的实验为基础，发现了如下的金属起电顺序：锌－铜－锡－铁－铜－银－金－石墨－木炭。在序列中任何两种相接触，都是位序在前的一种带正电，后面的一种带负电。这就是著名的伏打序列。

　　伏打将两块不同的第一类导体与浸有第二类导体溶液的湿布接触，再用导线将这两块第一类导体连接起来，成一回路，便得到虽然微弱但很稳定的电流。他把这个位置叫做伽伐尼电池。当把若干个这种电池串接起来时，就能得到较强的电流。

　　例如，他把许多对（40对、60对）圆形的铜片和锌片相间地叠起来，每一对铜锌片之间放上一块用盐水侵湿的麻布片。这时只要用两条金属线各与顶面上的锌片和底面上的铜片焊接起来，则两金属端点就会产生几伏的电压。如果把铜片换成银片，则效果更好。金属片对数越多。电力越强。这样产生的电流不仅相当强，而且非常稳定，可供人们研究和利用。后来人们对伏打发明的这种电源装置叫做“伏打电堆”。1800年，伏打给英国皇家学会写信，报告了他的电堆试验。从此以后，电学的研究便活跃起来了。　　不久，伏打发现当两种金属片之间的湿布慢慢干燥了的时候，电堆产生的电流就渐趋微弱。于是他改用许多杯子，杯子都盛有盐水或稀酸，每个杯中插入一对锌和铜片，然后用金属线把每个杯中的锌片和另一杯中的铜处焊接起来，便得到经久耐用、电流更强的电池。这种装置称为“杯冕”。这就是历史上第一具实用电池。　　伏打电池的出现，是一项重大发明，它使人们第一次获得了比较强的稳定而持续的电流。为科学家们从对静电的研究转入对动电的研究创造了物质条件，导致了电化学、电磁联系等一系列重大的科学发现，加深了人们对光、热、电磁、化学变化之间的关系的认识。伏打电池的发现还开辟了电力应用的广阔道路，由于它的诞生，19世纪的第一年成了电气时代文明生活的开端。

 

2.干电池

 

干电池是一种最常见的化学电池。其中最常见的要数碳锌电池了。碳锌电池是用锌做成圆筒作为电池负极，内有糊状电解质，主要成分是氯化铵和淀粉。把碳棒四周包以掺有二氧化锰的糊状电解质做正极，然后用沥青密封加盖，外壳封闭，使糊状物不致干涸。干电池的电极反应是：负极锌原子放出电子，成为离子Zn2+，正极处氨离子得到电子成为氨气和氢。二氧化锰起去极化作用，去除析出的氢。除碳锌干电池外，还有以锰和碳为电极的锰电池，以水银化合物和水银合金维电极的水银电池等。干电池的型号比较多，并可制成叠层电池。碳锌干电池的电动势约1.5V，而叠层电池的电动势可达几十伏，甚至上百伏。

 

3.碱性干电池

 

碱性干电池是一种寿命比较长的一次性电池，它是在常见的锌锰酸性电池的基础上经过改进产生的。碱性干电池的负极材料是锌，正极材料是二氧化锰，电解液是氢氧化钠和氢氧化钾溶液。它的构造如图所示。中间是由锌粉压制的圆柱状负极，其外缠裹着浸满氢氧化钠或氢氧化钾溶液的纤维材料，再外是由二氧化锰、碳粉及氢氧化钠或氢氧化钾溶液组成的正极。电池的外壳由惰性金属制成与正极相连，电池的负极通过集电针与电池底部相连。

 

电池表示式为 (-)Zn|NaOH|MnO2(C)(+)    

 

                             

 

 

 

电池反应

 

负极反应 Zn+4OH--2e→ZnO22-+2H2O

 

正极反应  MnO2+H2O+2e→MnO+2OH-

 

总反应  Zn+MnO2+2OH-→ZnO22-+MnO+H2O

 

碱性电池正常使用电压与常见的酸性锌锰电池相同。碱性电池的寿命长，容量大，内阻小，且不会像干电池那样使用久了会泄漏，所以它是个人音响、照相机等的首选电源。

 

4. 蓄电池

 

蓄电池的设想是由李特尔于1803年首先提出的，但是可供实用的蓄电池直到1859年才制造出来，现在已制造了各种用途广泛的蓄电池。

 

⑴铅蓄电池

 

铅蓄电池是首先制造出的实用蓄电池。其原理如下：

 

把A、B两块铅板插入硫酸溶液中，铅于硫酸作用的结

 

果，使A、B两块铅板上形成硫酸铅，溶液中也被硫酸

 

铅饱和，这是还没有电势，给蓄电池充电时，在两极

 

上发生的化学反应如下：

 

A;PbSO4+2H2O - 2e-→PbO2+H2SO4+2H+;

 

B:PbSO4+2e-→Pb+SO42-;

 

可以看出，充电后，A板上的PbO2成为正极， B板上Pb成为负极。

 

 

 

放电时，两极发生的反应如下：

 

正极：PbO2+H2SO4+2H++2e-→PbSO4+2H2O;

 

负极：Pb+SO42-→PbSO4+2e-;                   

 

放电时发生反应恰为充电的逆过程。充电时，最高电动势为2.2V。放电时，电动势逐渐降低，低到1.8V时必须充电，否则会损坏极板。

 

实际应用的铅蓄电池，当然复杂得多，一般都要设法增加极板的面积。现代的方法是用相互平行的铅棱片组成正极，而负极则用铅做成网，网眼里填充氧化铅糊料。充电时氧化铅变成铅。这样的电极使电池容量大为增加，并且现在已使铅蓄电池做到了全密闭，无检修，无泄漏。另外还常使用串联方式组成6V和12V的蓄电池组。

 

铅蓄电池广泛用于汽车，所以又称作汽车电池。可反复充放电达500次。此外它还广泛用于火车、潜艇、实验室等。

 

 

 

⑵铬镍蓄电池

 

这类电池就是我们常说的充电电池，属于二次电池的一种。它具有高容量、高功率、密封性好、电压平稳、坚固耐用等特点。它的外形尺寸有1＃、2＃、5＃等。常用在袖珍收音机、电动剃须刀等器具中。由于它能反复充电使用，所以被广泛采用。典型的圆柱形铬镍电池如图所示。其外壳由金属材料制成。内装卷片状结构的电极组。上部装有安全排气装置的顶帽组件。电池的顶端为正极，外壳为负极。正极材料是用多孔烧结镍电极基片，用化学方法沉淀氢氧化镍做为电极活性物质。负极是用相同的镍基片用化学方法沉淀氢氧化铬为电极活性物质。隔膜选用孔径小、透气性好的尼龙毡等材料。电解质为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

 

 

 

充放电的化学反应方程是：

 

 

⑶银锌蓄电池

 

该类电池是一种碱性电池，它的正极是氧化银做成，负极为锌，电解液是氢氧化钾溶液，充放电的化学反应方程是：

 

 

该电池的特点是体积小，容量大，抗震，单位重量的蓄能量是前面两种蓄电池的4～5倍，还可进行大电流放电。因此常用于宇宙航行，人造卫星等电源和蓄积太阳能电池转化的电能。

 

5.银锌扣式电池

 

银锌扣式电池是扁圆形的，与衣服的钮扣相似而得名。它的体积小，因此常用在电子表、袖珍计算器、助听器、照相机等器具中，其结构如图所示。

 

电池的正极呈片状，是由氧化银粉与胶体石墨按一定比例混合研磨后压制而成。负极是由汞齐化的锌粉制成。隔膜一般采用聚乙烯接树脂、水化纤维膜和玻璃纸多层复合制成。电解液是用氧化锌饱和了的氢氧化钠溶液。电池盖用铜、不锈钢、镍三层复合材料引伸而成，它与电池的负极相连，电池壳体由钢带引伸后镀镍而成，它与电池的正极相连。壳体和盖之间由塑料密封圈隔开。

 

扣式电池的表达式 (-)Zn|NaOH|Ag2O(+)

 

电池反应

 

负极反应 Zn+2OH--2e→Zn(OH)2

 

正极反应 Ag2O+H2O+2e→2Ag+2OH-

 

总反应  Zn+Ag2O+H2O→Zn(OH)2+2Ag

 

银锌扣式电池的使用电压约为1.5V，尺寸大小不同，种类繁多。

 

 

 

6.锂电池

 

锂电池是以金属锂为负极的一大类电池的总称，它是化学电源的一个重要的分支，到目前已有20～30年的历史。锂电池由于正极材料和电解质的不同可分成许多类。锂电池有许多优点：如它的比能量高、输出电压平稳、使用温度范围宽等。锂电池的应用领域很广，常用在电话机、照相机、汽车、计算机等中，此外在工业、医学、军事上也有广泛的应用。

 

⑴锂、二氧化锰电池

 

这种电池有圆柱形和扣式两种。使用电压为3V。圆柱形锂、二氧化锰电池的负极为金属锂的薄片。正、负电极用隔膜隔开卷成圆柱状装入外壳中。电解液为溶有高氯酸锂的碳酸丙稀脂和二甲基乙烷的混合液（为降低锂与电解质的反应速率必须使用非水溶液）

 

⑵锂、二硫化钼电池

 

锂、二硫化钼电池是常温下的二次电池。正极物质二硫化钼在有机电解质中溶解度小，具有层状通道结构。锂与二硫化钼的反应已不是一般电池中的氧化还原反应而是锂离子可逆的进出二硫化钼晶格所致。二硫化钼的钼原子和硫原子按一定结构排列成层状，层与层之间靠范得华力结成晶体。由于锂离子很小可以插入到层与层之间，而不破坏原有的晶体结构，锂离子充当层与层之间的夹层剂形成特殊的夹层化合物。电池反应：

 

 

7.燃料电池

 

人类对燃料电池的研究已有上百年的历史，在燃料电池中化学能直接转变为电能，效率可达60%－80%，比用热机带动发动机的转换效率高得多。燃料电池工作时无噪声、无尘埃、无辐射、不污染环境，是一种清洁的能源。燃料电池的另一个特点是可以长时间连续工作，只要燃料供应不断，电池能持续不断向负载输出电能。供电功率比一般电池大得多。

 

燃料电池的基本组成：电极、电解质、燃料和氧化剂。燃料电池的电极为多孔结构，由具有电化学催化活性的物质制成，它是电化学反应的载体和电流的传导体。电解质可以是固态或液态，液态电解质可以是水溶液或熔融的离子晶体。电解质的酸碱性由电池的种类和运行条件决定。燃料可以是气体（如氢气、氨气、一氧化碳、气态烃等）或液体（如甲醇、高沸点烃、液态金属等），极少数情况下也可以是固态。氧化剂可以是纯氧、空气或卤素。

 

目前燃料电池也可以应用在航天器上做辅助电源，也可以用在汽车、铁路牵引、船舶动力、海洋深潜水器上。下面介绍最基本的培根氢氧燃料电池。其结构如图所示

 

培根型燃料电池是以氢气为燃料，氧气为氧化剂。工作温度在(200-300)℃,气体压力在(2-3)MPa，以37%－50%的氢氧化钾水溶液为电解液。氢气电极为双孔径烧结式多孔镍电极。氧气电极为掺锂双孔烧结式多孔镍电极。电池的使用电压为0.85V，通常由几十个串联成电池组使用。完整的电池系统如图。

 

 

 

 

 

太阳能电池是把太阳能转化为电能的装置。一般的太阳能电池是用半导体材料制成的。最先制造成的太阳能电池是在硅单晶的小片上掺进一薄层硼，从而得到PN结。当日光照射到薄层上时，PN结两侧就形成电势差。因而从某种意义上讲一个太阳能电池就是一个光电二极管。单晶硅太阳能电池因其电转化率高，制造工艺成熟，可靠性好而首先被用于卫星等航天器。除单晶硅太阳能电池，还有其它类型的太阳能电池。其它类型太阳能电池又可分为薄膜太阳能电池和非薄膜太阳能电池。薄膜太阳能电池中，目前最有希望的是非晶硅太阳能电池，它对太阳光具有强烈的吸收能力，且只需1微米厚的非晶硅薄膜就足够了，这只相当于单晶硅太阳能电池所需硅片厚度的1/300。非薄膜太阳能电池中，较有前途的是砷化镓太阳能电池，它的光电转化率较高，而且能在较高温度下工作。