二次电池种类及反应原理

二次电池种类及反应原理
二次电池种类及反应原理

二次电池种类及反应原理
什么叫电池?
电池是一种能量转化与储存的装置,它主要通过化学反应将化学能或物理能转化为电能.电池是一种化学电源,它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极,两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中,当连接在某一外部载体上时,通过转换其内部的化学能来提供电能.
一次电池和二次电池
一次电池,又叫不可充电电池或原电池,从电池单向化学反应中产生电能.原电池放电导致电池化学成分永久和不可逆的改变.但可充电电池,又叫二次电池,可在应用中放电,也可由充电器充电.所以,二次电池储存能量,而不是产生能量.
电池由哪几部分构成?
任何一种电池由四个基本部件组成,四个主要部件是两个不同材料的电极、电解质、隔膜和外壳.
电池有多少种类?
化学电池按工作性质可分为：一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）铅酸蓄电池.其中：一次电池可分为：糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等.二次电池可分为：镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等.铅酸蓄电池可分为：开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池.
什么是锌-锰干电池?
锌-锰电池又称勒兰社（Leclanche）电池,是法国科学家勒兰社（Leclanche）于1868年发明的由锌（Zn）作负极,二氧化锰（MnO 2 ）为正极,电解质溶液采用中性氯化铵（NH 4 C1）、氧化锌（ZnC1 2 ）的水溶液,面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池,由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态,故又称锌锰干电池.按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种,板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种.
什么是碱性锌锰电池?
指20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的,是锌锰电池的改进型.电池使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）的水溶液做电解质液,采用了与锌锰电池相反的负极结构,负极在内为膏状胶体,用铜钉做集流体,正极在外,活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接,正、负极用专用隔膜隔开制成的电池.
什么是铅酸蓄电池?
1859年法国普兰特（Plante）发现,由正极板、负极板、电解液、隔板、容器（电池槽）等5个基本部分组成.用二氧化铅作正极活性物质,铅作负极活性物质,硫酸作电解液,微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池.
什么是镉镍电池和金属氢化物电池?
二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极,以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液,金属镉或金属氢化物作负极.金属氢化物电池为20世纪80年代末,利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成,是小型二次电池主导产品.
什么是锂电池?
指以金属锂或锂的化合物作活性物质的电池通称锂电池,分为一次锂电池和二次锂电池.
什么是锂离子电池?
指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极,锂的化合物作正极,混合电解液作电解质液制成的电池.
什么是燃料电池?
指一种利用燃料（如氢气或含氢燃料）和氧化剂（如纯氧或空气中的氧）直接连接发电的装置.它具有效率高、电化学反应转换效率可达40%以上,且无污染气体排出的特点.
酸性锌锰干电池
锌-锰电池又称勒兰社（Leclanche）电池,是法国科学家勒兰社（Leclanche）于1868年发明的由锌（Zn）作负极,二氧化锰（MnO2）为正极,电解质溶液采用中性氯化铵（NH4C1）、氧化锌（ZnC12）的水溶液,面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池,由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态,故又称锌锰干电池.按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种,板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种.
酸性锌锰干电池是以锌筒作为负极,并经汞齐化处理,使表面性质更为均匀,以减少锌的腐蚀,提高电池的储藏性能,正极材料是由二氧化锰粉、氯化铵及碳黑组成的一个混合糊状物.正极材料中间插入一根碳棒,作为引出电流的导体.在正极和负极之间有一层增强的隔离纸,该纸浸透了含有氯化铵和氯化锌的电解质溶液,金属锌的上部被密封.这种电池是19世纪60年代法国的勒克兰谢（Leclanche）发明的,故又称为勒克兰谢电池或炭锌干电池,可表示为：（－）Zn｜NH4Cl（20％）ZnCl2｜MnO2,C（＋）
尽管这种电池的历史悠久,但对它的电化学过程尚未完全了解,通常认为放电时,电池中的反应如下：正极为阴极,锰由四价还原为三价
2MnO2＋2H2O＋2e-→2MnO(OH)＋2OH-
负极为阳极,锌氧化为二价锌离子：
Zn＋2NH4Cl-→Zn(NH3)2Cl2＋2H+＋2e-
总的电池反应为：
2MnO2＋Zn＋2NH4Cl-→2MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2
实践经验表明,该电池的电流-电压特性和二氧化锰的来源有关,也直接地依赖于锰的氧化价态、晶粒的大小及水化程度等.目前已全部以ZnCl2电解液代替NH4Cl,充分说明Zn2+与Cl-配合〔ZnCl2〕2－,而不必有NH4+存在,放电前pH=5,放电后pH上升到pH＝7为中性.
该电池的特点：（1）开路电压为1．55V～1．70V；（2）原材料丰富,价格低廉；（3）型号多样1号～5号；（4）携带方便,适用于间歇式放电场合.缺点是：在使用过程中电压不断下降,不能提供稳定电压,且放电功率低,比能量小,低温性能差,在－20℃即不能工作.在高寒地区只可使用碱性锌锰干电池.
碱性锌锰干电池
碱性锌锰干电池指20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的,是锌锰电池的改进型.电池使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）的水溶液做电解质溶液,采用了与锌锰电池不同的负极结构,负极由锌片改为锌粉,外壳改用钢皮,正极仍用石墨和二氧化锰.它是在1882年研制成功,1912年就已开发,到了1949年才投产问世.人们发现,当用KOH电解质溶液代替NH4Cl做电解质时,无论是电解质还是结构上都有较大变化,电池的比能量和放电电流都能得到显著的提高.
负极：Zn+2OH-=ZnO+H2O+2e-
正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH-
总反应为： Zn + 2MnO2 +H2O= ZnO+ 2MnO(OH)
碱性锌-锰干电池的优点
这类电池的电解液由原来的中性变为离子导电性更好的碱性,负极也由锌片改为锌粉,反应面积成倍增长,使放电电流大幅度提高.据测试,这类电池的容量和放电时间比普通锌锰干电池增加几倍.优越的性能使这类电池获得了迅速发展.
我国目前主要生产酸性锌锰电池、碱性锌锰电池,前者如大公、牡丹、中华、天鹅、555,后者如南孚、双鹿、白象等.仅根据1995年统计资料表明,全世界干电池总产量为250亿只,其中碱锰电池为70亿只.5年来,美国、欧洲和日本的碱锰电池年增长率超过12%,美、欧、日国内碱锰电池所占市场比例分别为72%、52%和29%.我国碱锰电也总产量近3亿只,仅占干电池总产量的3%,预计5年内将提高到10%～15％.从目前发展现况来看,南孚"、"双鹿"、"白象"等品牌已达到国际标准,生产速率最高200只／min,美国、日本已达300只/min以上.
镍镉电池
镍镉电池采用Ni(OH)2作为正极,CdO作为负极,碱液（主要为KOH）作为电解液,镍镉电池充电时,正极发生如下反应
Ni(OH)2 –e + OH- → NiOOH + H2O
负极发生的反应：
Cd(OH)2 + 2e → Cd + 2OH-
总反应为：2Ni(OH)2 + Cd(OH)2→ 2NiOOH+ Cd+ 2H2O
放电时,反应逆向进行NiOOH + H2O + e→ Ni(OH)2 + OH-
Cd + 2OH- + 2e→ Cd(OH)2
充电时,随着NiOOH浓度的增大,Ni(OH)2浓度的减小,正极的电势逐渐上升,而随着Cd的增多,Cd(OH)2的减小,负极的电势逐渐降低,当电池充满电时,正极、负极电位均达到一个平衡值,二者电势之差即为电池之充电电压.
镍氢电池
镍氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池,具有高能量、长寿命、无污染等特点,因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一.
镍氢电池的诞生应该归功于储氢合金的发现.早在20世纪六十年代末,人们就发现了一种新型功能材料储氢合金,储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢,因此被人们形象地称为“吸氢海绵”. 其中有些储氢合金可以在强碱性电解质溶液中,反复冲放电并长期稳定存在,从而为我们提供了一种新型负极材料,并在此基础上发明了镍氢电池.
镍氢电池中的储氢合金实际上是金属互化物.许多种类的金属互化物都已被运用在镍氢电池的制造上,它们主要分为两大类.最常见的是AB5一类,A是稀土元素的混合物（或者）再加上钛（Ti）；B则是镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）,（或者）还有铝（Al）.而一些高容量电池的“含多种成分”的电极则主要由AB2构成,这里的A则是钛（Ti）或者钒（V）,B则是锆（Zr）或镍（Ni）,再加上一些铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）和（或）锰（Mn）.
所有这些化合物扮演的都是相同的角色：可逆地形成金属氢化物.电池充电时,氢氧化钾（KOH）电解液中的氢离子（H+）会被释放出来,由这些化合物将它吸收,避免形成氢气（H2）,以保持电池内部的压力和体积.当电池放电时,这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方.
镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极),负极活性物质为金属氧化物,也称贮氢合金(电极称贮氢电极),电解液为6N氢氧化钾,在电池充放电过程中的电池反应为：
其中,M表示贮氢合金材料.
电池的开路电压为： 1.2V～1.3V、因贮氢材料和制备工艺不同而有所不同.
常见的镍氢电池
SANYO公司所生产的镍氢电池
铅酸蓄电池
1859年法国普兰特（Plante）发明,由正极板、负极板、电解液、隔板、容器（电池槽）等5个基本部分组成.用二氧化铅作正极活性物质,铅作负极活性物质,硫酸作电解液,微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池.我们应用的铅蓄电池是用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳,用含锑5%～8%的铅锑合金铸成格板,在正极格板上附着一层PbO2,负极格板上附着海绵状金属铅,两极均浸在一定浓度的硫酸溶液（密度为1.25—1.28g/cm3）中,且两极间用微孔橡胶或微孔塑料隔开.铅蓄电池的电压正常情况下保持2.0 V,当电压下降到1.85 V时,即当放电进行到硫酸浓度降低,溶液密度达1.18g/cm3时即停止放电,而需要将蓄电池进行充电；当密度增加至1.28g/cm3时,应停止充电.由于铅蓄电池的性能良好,价格低廉,目前汽车上使用的电池,有很多是铅蓄电池.由于它的电压稳定,使用方便、安全、可靠,又可以循环使用,因此广泛应用于国防、科研、交通、生产和生活中.这种电池缺点是比较笨重.
负极: Pb 正极: PbO2 电解质溶液: 30%H2SO4
总反应: Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4↓+ 2H2O
负极反应:Pb + SO42-–+ 2e- = PbSO4
正极反应:PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- =PbSO4 + 2H2O
应急灯用铅酸蓄电池
锂离子电池
锂离子电池的核心部分是锂离子及锂嵌合物.锂电池主要由阴极、阳极、能传导锂离子的电解质以及把阴阳极隔开的隔膜组成.锂电池的实质是一种浓差电池,其正负电极材料由两种不同的锂离子嵌入化合物组成,正极为不同类型的含锂化合物,负极则由石墨一类的物质形成层状结构,Li+可填充于其中.如图3,在充电时,阴极部分的锂离子脱嵌,离开含锂化合物,透过隔膜向阳极移动,并嵌入到阳极的层状结构中；反之在放电时,锂离子在负极脱嵌,移向正极并结合于正极的化合物之中.与传统锂电池不同的是,被氧化还原的物质不再是Li 和Li+,Li+只是伴随着两极材料本身发生放电而产生的氧化态的变化而反复脱嵌与嵌入,往返于两极之间,所以锂电池又被称作摇椅电池(Rocking chair battery).
此种电池的一个典型放电原理为：
正 极：CoO2+Li++e-=LiCoO2
负 极：LiC6-e-=6C+Li+
总反应：CoO2+LiC6=LiCoO2+6C
根据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可以分为液态锂离子电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂离子电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类.聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的,电池的工作原理也基本一致.它们的主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的.
由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂离子电池相比,聚合物锂离子电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点,也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题,因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳,从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料,其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50％以上.此外,聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高.基于以上优点,聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池.
锂电池