化學(xué)電池

1第1頁化學(xué)電池分類根據(jù)電池本身充放電特征與工作性質(zhì)大致區(qū)分為一次電池、二次電池與燃料電池?！粢淮坞姵兀呵姵亍⑺y電池與鹼性電池等?！舳坞姵兀恒U酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、

鋰離子二次電池和高分子鋰電池等。◆燃料電池：只要持續(xù)地提供活

性物質(zhì)，電池就能夠

持續(xù)地放電。比如：氫氧燃料電池、甲醇燃料電池等。2第2頁化學(xué)電池分類

3一次電池(primarycell)

：一次放電後，內(nèi)部物質(zhì)起化學(xué)變化而終止使用，不能重複充電再使用，如錳乾電池、鹼錳乾電池、銀電池、水銀電池、鋰電池等。二次電池(secondarybattery)：化學(xué)反應(yīng)為可逆變化，當(dāng)放電後內(nèi)部物質(zhì)起變化後可再度充電，可由外部加入反方向電流使化學(xué)變化物質(zhì)恢復(fù)原狀，按最初狀態(tài)使用。它是能夠?qū)掖沃匮}進(jìn)行充電、放電使用電池，如汽機(jī)車慣用鉛蓄電池(鉛酸電池)、鹼蓄電池(鎳、鎘或氧化銀-鋅、鐵、鎳等)、鋰離子電池等。二次電池始於1859年P(guān)lante所發(fā)明鉛蓄電池燃料電池(fuelcell)：不像普通非充電電池一樣用完就丟棄，也不像充電電池一樣，用完須繼續(xù)充電，燃料電池正如其名，是繼續(xù)添加燃料以維持其電力，將化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)(燃料)連續(xù)供給，即可繼續(xù)獲得電能。燃料有使用氣體(如氫氧燃料電池)、液體(如甲醇燃料電池等)、固體(如鋅燃料電池等)。第3頁4常見一次電池鋰離子二次電池

鎳鎘電池鎳氫電池

鉛酸電池常見二次電池燃料電池組第4頁電池工作原理5當(dāng)兩種不一樣金屬浸於電解液中時，便形成一個電池。儲存於原子間化學(xué)能藉由化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能。第5頁鋅錳乾電池乾電池是最通用電池之一，又叫做Lechanche(勒克朗舍)電池，得名自發(fā)明家GeorgesLechanche(1864年提出)。

（－）Zn|NH4Cl(aq)|MnO2+C（＋）

乾電池負(fù)極是鋅罐，它慣用鋼或紙板外套包圍，預(yù)防與大氣作用。正極是一支碳棒及外層包圍碳棒二氧化錳(MnO2)和石墨粉厚漿。兩電極之間填滿了NH4Cl和ZnCl2飽和溶液和一些惰性漆料濕漿糊，當(dāng)電極被連接時，負(fù)極鋅即被氧化就失去電子(e-)。失去電子便經(jīng)由電線跑到正極使NH4Cl中解離出NH4+離子還原，同時也形成氫氣。釋出氫再被氧化錳所氧化，而NH3則被利用形成錯合物。6第6頁常見乾電池或碳鋅電池，負(fù)極(陽極)：鋅，正極(陰極)：碳棒加上活性物質(zhì)二氧化錳，電解質(zhì)：由氯化銨、氯化鋅、澱粉等組成。在25℃時能夠提供1.5V

左右電壓值。此種電池發(fā)展相當(dāng)早，約在1862年由法國人G.Lechance所發(fā)明；雖然發(fā)展早，但因?yàn)楹袃r格廉價、製造輕易、自放電率低、高重量能量比(50~80Wh/kg)及攜帶方便優(yōu)勢；所以在一次電池中，依然是產(chǎn)量最高、用途最廣一種。儘管技術(shù)發(fā)展已久，但還是有功率過小缺點(diǎn)，使得該種電池並不適用於大電流放電；另外，放電過程中也有著電壓不穩(wěn)問題。

鋅錳乾電池開路電壓會因?yàn)閮Υ鏁r間長短及陰極二氧化錳性質(zhì)不一樣(有電解二氧化錳、天然二氧化錳等)而改變，範(fàn)圍大約在1.50~1.80V之間。假如所使用是電解二氧化錳，因?yàn)榧兌纫约盎钚暂^高關(guān)係，能夠提昇電池電壓與電容量。7第7頁8各種不一樣造型乾電池鋅錳乾電池保留相當(dāng)主要，若放置於高溫潮濕環(huán)境中，會使得陽極鋅產(chǎn)生腐蝕而進(jìn)一步造成嚴(yán)重自放電情形。另外，鋅錳乾電池密封良好度也相當(dāng)主要；倘若密封情形不佳，電解液中水分將會揮發(fā)掉，使得電池?zé)o法放電，另首先也可能因?yàn)檠踹M(jìn)入電池而造成自放電率加劇。第8頁鹼性電池鋅錳乾電池和鹼性電池構(gòu)造相當(dāng)類似，負(fù)極：鋅，正極：二氧化錳，電解質(zhì)：鹼性氫氧化鉀。

就效能來說，鹼性電池蓄電量約是碳鋅電池兩倍左右。不過鹼性電池售價，大約也是碳鋅電池兩到三倍；所以使用鹼性電池來取代碳鋅電池並不會更為劃算。乾電池改良，在較大電流時仍可維持可用電壓，且低溫下可使用，壽命較長，而且能夠有程度地被充電(其實(shí)極少人會把這種電池拿去充電)當(dāng)連接電極時，負(fù)極鋅(Zn)與氫氧根離子作用，使鋅變成氧化鋅，且生成水並釋出電子，負(fù)極釋出電子又與正極二氧化錳作用，讓二氧化錳還原(獲得電子，價數(shù)由4+變?yōu)?+)。

9第9頁水銀電池

二次大戰(zhàn)期間所發(fā)展出來一種電池。在釋出電流之餘仍可保有穩(wěn)定之電流。負(fù)極：90%鋅粉與10%汞正極：80~95%氧化汞與5~15%石墨組成電解質(zhì)：35~40%KOH常見水銀電池，因?yàn)殡娊庖簽辂|性故屬於鹼性電池。此類電池放電平穩(wěn)、開路電壓也非常穩(wěn)定、易保留且有相當(dāng)高體積能量比，於25℃時含有1.34V放電電壓。所以適用於助聽器或攝影機(jī)上。10第10頁一次鋰電池

全部以鋰金屬為陽極活性材料電池皆可稱作鋰電池，因?yàn)殇嚱饘俸休^負(fù)電位值與密度小特征，所以搭配上適當(dāng)陰極便可構(gòu)成含有高重量能量比、高放電電壓、放電電壓平穩(wěn)、自放電率小、儲存壽命長、工作溫度範(fàn)圍廣(-20~50℃)以及低溫性能佳良好電池。而陰極選擇可為I2、Ag2CrO4、MnO2、CuO、SO2、SOCl2

等，在電解質(zhì)部分也有有機(jī)電解質(zhì)、無機(jī)電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)、熔融鹽類電解質(zhì)等。透過這些不一樣組合，鋰電池能夠?yàn)橐淮坞姵匾材軌驗(yàn)槎坞姵?；此一次鋰電池乃指鋰二氧化錳電池。其所使用陰極、陽極分別是二氧化錳與鋰金屬，電解液為加入約1ml/L

LiClO4

有機(jī)電解液，而開路電壓為3.5V，工作電壓則是2.9V。11第11頁鋰離子二次電池

鋰離子電池以鋰鈷氧化物、鋰錳氧化物、鋰鎳氧化物等作為陽極活性材料，在陰極材料部分則為碳材料，電解質(zhì)也有許多種可能：LiPF6、LiClO4、LiBF4等，電解液為PC與EC為主。電壓可達(dá)到3.6V，而能量密度為250~300Wh/L(或90~110Wh/kg)。該電池含有相當(dāng)高能量密度及工作電壓，再加上長循環(huán)壽命與較無記憶效應(yīng)特征，使得鋰離子二次電池佔(zhàn)有率日益上升。但其成本過高，過充、放電時有安全顧慮而需保護(hù)迴路等問題仍是需要克服缺點(diǎn)。12第12頁鉛蓄電池

基本構(gòu)造是在硫酸中浸泡鉛板和氧化鉛板，而這兩塊板子就是兩個電極，負(fù)極為鉛板，正極為氧化鉛板(許多鉛蓄電池電極使用銻含量4.2%鉛銻合金，或含鈣0.8%鉛鈣合金)。當(dāng)電池放電時，負(fù)極鉛會和硫酸中硫酸根離子化合成硫酸鉛，且附著在陽極上，同時也產(chǎn)生電子。電子通過電線至正極形成電流，和正極氧化鉛與硫酸中氫離子、硫酸根離子一同化合成硫酸鉛和水。13第13頁14第14頁鎳鎘電池

屬於蓄電池一種。使用壽命較長，約能充電1000次左右。放電和充電速率高。負(fù)極鎘(Cd)和氫氧化鈉(NaOH)中氫氧根離子(OH-)化合成氫氧化鎘，並附著在陽極上，同時也放出電子。電子沿著電線至陰極，和正極二氧化鎳與氫氧化鈉溶液中水反應(yīng)形成氫氧化鎳和氫氧根離子，氫氧化鎳會附著在陽極上，氫氧根離子則又回到氫氧化鈉溶液中，故氫氧化鈉溶液濃度不會隨著時間而下降。

15第15頁鎳氫電池

鎳氫電池與鎳鎘電池所使用正極材料與電解液相同，都是以氫氧化鎳為負(fù)極活性材料，電解液是以水及電解質(zhì)KOH組成。但鎳氫電池負(fù)極活性物質(zhì)則是儲氫合金。所能提供電壓約為1.2V，含有不錯能量密度(50~60Wh/kg或250~300Wh/L)，以及良好循環(huán)壽命。因?yàn)樗褂秘?fù)極活性物質(zhì)不含鎘，所以不會像鎳鎘電池有鎘污染問題。但鎳氫電池在高溫下效能較差，且在普通使用上有自放電率高及記憶效應(yīng)問題。16第16頁一次鋰電池(拋棄式電池)名稱

負(fù)極

正極電解質(zhì)用途乾電池鋅二氧化錳NH4ClZnCl2MnO2與澱粉手電筒玩具鹼性電池鋅二氧化錳KOH或NaOH手電筒、玩具水銀電池鋅氧化汞KOH手錶、相機(jī)氧化銀電池鋅氧化銀KOH相機(jī)、心律調(diào)節(jié)器鋰碘電池鋰碘LiI心律調(diào)節(jié)器17第17頁18二次電池(充電式電池)

名稱

負(fù)極

正極電解質(zhì)用途鉛蓄電池(鉛酸電池)鉛二氧化鉛30%H2SO4(aq)汽、機(jī)車鎳鎘電池鎘二氧化鎳KOH或NaOH閃光燈鎳氫電池儲氫合金二氧化鎳KOH或NaOH閃光燈第18頁電池功率及重量密度19第19頁紙張一樣薄拋棄式電池現(xiàn)代電池似乎經(jīng)歷了一場減重過程後，變得愈來愈薄了。以色列PowerPaper（能量紙）是一種低電量電池，厚度和紙張差不多，此型電池靠9個擁有專利權(quán)、外觀和油墨類似電解質(zhì)來提供電力，成為一個穩(wěn)定且對環(huán)境無害電力來源。電池電力大小和表面積成正比，1吋見方大小電池能夠提供電壓1.5伏特、每小時千分之15安培電流電力，和當(dāng)前鈕釦形電池差不了多少，而且壽命長達(dá)兩年。這種電池能夠用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，以每平方吋1分美元成本製造。PowerPaper並不是要和當(dāng)前能夠提供更大電量鋰電池等薄型電池技術(shù)競爭。相反，PowerPaper期望他們推出電池是在可丟棄式裝置中使用，如小玩具、包裝紙、邀請卡、智慧型卡片、標(biāo)籤或是醫(yī)藥設(shè)備上，也正在尋找技術(shù)授權(quán)對象。20第20頁電池未來角色一次電池:

相對於錳乾電池，鹼性電池將有相對成長；而水銀電池佔(zhàn)有率則會逐年下降，並侷限於特殊應(yīng)用領(lǐng)域。鋰一次電池:因新型活性物質(zhì)開發(fā)，將可提供更多樣電壓選擇與種類；而在IC卡發(fā)展下，超薄型電池與長效型電池亦會有相當(dāng)成長。不過值得注意是，相較於二次電池可重複使用，一次電池使用若無適當(dāng)回收途徑將會造成資源浪費(fèi)；但完全以二次電池取代一次電池又有成本上、性能上等等困難，故該怎樣善用一次電池應(yīng)該是除了開發(fā)新材料、改進(jìn)電池效能外另一個主要課題。二次電池:

鋰二次電池性能改進(jìn)與成本降低是當(dāng)前受矚目標(biāo)課題，諸如新電極材料、電解質(zhì)組成等相繼被提出。鉛酸電池與鎳鎘電池雖都含有良好性能，但技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟，今後將不會有太劃時代進(jìn)步。尤其是鎳鎘電池佔(zhàn)有率受鎘具污染性影響，正在逐年下降，起而代之則是鎳氫電池。而鉛酸電池則將因電動車發(fā)展，以及其所含有大電量之故，仍能在原有應(yīng)用領(lǐng)域與新應(yīng)用中佔(zhàn)有一席之地，並維持一定成長。21第21頁電池未來角色

因應(yīng)新時代來臨，消費(fèi)性電子與個人電子通訊產(chǎn)業(yè)、環(huán)境保護(hù)意識抬頭以及電動車輛等發(fā)展；電池未來必定在兼顧環(huán)保前提下，走上輕薄短小高效能方向，而這則有待新材料開發(fā)。22影響電池未來發(fā)展趨勢：消費(fèi)性電子與個人通訊、環(huán)保意識、電動車輛第22頁小型二次電池特徵及主要用途

項(xiàng)目/種類電壓特徵主要用途能量密度鎳鎘(Ni-Cd)1.2V低成本，耐過充過放，使用壽命長(3-5年)電動工具、無線電話、玩具、CD、液晶電視、防災(zāi)機(jī)器100-200Wh/l45-65Wh/kg鎳氫(Ni-MH)1.2V低成本，高能量移動式通訊、AV、Notebook、PDA200-350Wh/l50-80Wh/kg鋰離(Li-ion)3.6V輕量，高能量移動式通訊、AV、Notebook、相機(jī)

200-350Wh/l

90-150Wh/kg鋰高分子(Li-polymer)3.6V輕量，高能量移動式通訊、資訊終端23第23頁二次電池壽命二次電池在普通正常使用條件下，雖然能夠有500~1000次以上反覆使用，但假如有不一樣使用條件，也會造成壽命變短情形。對於影響壽命要因而言，有充電電流、溫度、放電深度、過充電期間與反覆充電等