有谁知道蓄电池的原理
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发布时间：2022-05-04 11:50
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时间：2022-06-21 14:29
电化学反应机理
NiMH蓄电池和古老的NiCd蓄电池有亲缘关系,为此首先介绍NiCd蓄电池,其次是NiMH蓄电池,最后说明LIB。
1. NiCd蓄电池
早在1899年,NiCd蓄电池就已发明,于1947年实现完全密化的NiCd蓄电池,一直应用至今。长时间的应用表明,NiCd蓄电池不失为一种高性能和高可靠性的蓄电池。
如今的NiCd蓄电池,在发泡镍或镍纤维状基体上附着大量NiOOH活性物质作为正极,以重金属镉Cd作为负极,一同置入电解液（KOH溶液）中,经密封后构成蓄电池。该蓄电池容器内,进行的电化学反应如下：
这个电化学反应的特征在于,明明看到作为电解液成分的KOH,但它并不直接参与电化学反应。由于制造蓄电池时使负极的容量大于正极的容量,当过充电时只能看到由正极产生的氧（O2）;因为负极残留未被充电部分,不产生氢（H2）;由于产生的氧（O2）被负极吸收,所以可以实现密封。
从NiCd蓄电池的电化学反应机理得知,它是依靠OH-离子快速移动,反应比铝酸蓄电池平稳。因此,它的重要特征是放电容量尽管在大电流放电时也不出现低下现象（可维持1.2 V端电压）。结晶结构基本上不因充放电而变化,使用寿命较长。
2. NiMH蓄电池
美国和荷兰都对能吸藏氢的合金MH（Hydrogen Storing alloy metal）开展研究,并试图用于开发蓄电池。世界上出现NiMH蓄电池商品是在20世纪九十年代初,发展却十分迅速。实践证明,通过适当组合La、 Ce、Pr和Nd等稀土元素能形成吸藏氢的合金MH,它所能释放/吸藏的氢H2量相当大,例如,1cc的液体氢能变成784cc的氢气,而1cc体积的吸藏氢的合金MH却能释放出1000cc的氢气。
在NiCd蓄电池里,只要利用吸藏氢的合金MH取代有毒的重金属Cd（镉）,便形成对环境无污染的绿色蓄电池NiMH,其电化学反应如下：
由于设计时可像NiCd蓄电池一样也把负极MH的容量制成足够大,当过充电时由正极放出的氧气可被MH中的氢气还原,使蓄电池可实现密封。NiMH蓄电池和NiCd蓄电池一样,大电流放电时可维持平稳的1.2V端电压。值得称道的是NiMH蓄电池的废弃物不污染环境,而NiCd蓄电池废弃物（若不回收）必将造成环境污染。
NiMH蓄电池的负极材料结构和电化学反应机理不同于NiCd蓄电池,它的能量密度和使用寿命都比NiCd蓄电池优越,从而也能开拓出更广阔的应用市场。正是由于这种缘故,世界各工业发达国家都高度重视NiMH蓄电池的研究与开发。据报道,我国有色金属研究院的科研人员对MH合金已开展很深入的研究,并且获得可喜的新进展。
3. LIB蓄电池
以金属锂Li作为负极的一次性电池,口碑很好。因此,各工业发达国家都试图利用Li制造蓄电池,1979年,加拿大MoLi-Energy公司的锂金属蓄电池在手机里起火的事故,曾迫使锂金属蓄电池一度退出市场。但是,因为锂Li金属作为负极的蓄电池具备理想的性能,各国仍在潜心研究与开发。
现在,市场流行的锂离子蓄电池（LIB）是以牺牲电池性能获取安全性和使用寿命的折衷方案,其电化学反应如下：
LIB是由涂有LiCoO2活性物质的铝集电体作为正极、碳（石墨或活性碳）和溶解有LiPF6的有机溶液构成的。当充电时,LiCoO2中分层结构里 Li离子游向负极被分层结构的碳所吸附;当放电时,碳分层结构里吸附的锂离子又回游到正极,于是正极复原成LiCoO2分层结构,负极也复原成碳分层结构。也就是说,该蓄电池在周而复始的充放电过程中,出现的只是锂离子而不是活泼的锂金属。因此,LIB具备较好的安全性和可使用的寿命。
LIB的主要特点是具有较高的重量能量密度,平稳的放电电压为3.6 V,可在-20℃～60℃的温度范围内工作,无存储效应,自放电率低（因而不能大电流放电）。为了安全地使用LIB,要求具备严防过充电和过放电的保护设施。
各种蓄电池比较
上述NiCd、NiMH和LIB蓄电池的电化学反应机制不同,各个蓄电池的特点也不尽相同。为了便于比较,需要用到评价蓄电池性能的标准或者是参数。通常使用的评价参数,如像平衡放电时的蓄电池端电压Vdc、再充电次数（Recharges）或者充放电周期个数、价格比率（Price Ratio）、能量密度（细分为重量能量密度和体积能量密度）和功率密度等,都是用定量的数值表示的。例如,NiCd和NiMH的Vdc=1.2V,而 LIB的Vdc高达3.6V。当需要3.6V供电电压时,人们都宁愿用1块LIB而不用3块NiCd(或NiMH)蓄电池串联供电。这一实例说明,利用定量的参数可对各种蓄电池进行横向比较,便于选择应用。
除此之外,蓄电池的安全性和是否具有记忆效应等,也是影响蓄电池广泛应用的重要因素,值得注意。
根据以上所述,可把现在常用的电能转换器件和电能储存器件的各种参数列于表1,以便用户选择。其中,Wh/kg是蓄电池的重量能量密度,表示每kg蓄电池能提供出的Wh(瓦小时)电能;Wh/Liter是蓄电池的体积能量密度,表示每公升（Liter）蓄电池能提供出的Wh电能;W/kg表示蓄电池的功率密度,表示每kg蓄电池能提供出的瓦数（W）,即电功率;Price Ratio是蓄电池之间的价格比率,表示各种蓄电池的相对价格。
从表1中能够清楚地看到,NiCd、NiMH、LIB和双电荷层电容器都各有短长,各项参数都十全十美的器件,目前市场上还未出现。因此,蓄电池器件的选用,必须结合具体应用实际加以选择,合理搭配使用。
器件种类 Vdc Wh/kg Wh/Liter W/kg Recharges PriceRatio
备注
NiCD蓄电池 1.2V 50 134 160 300～500次 80% 有存储效应
NiMH蓄电池 1.2V 60 300 260 500～1000次 100% NiCd和NiMH可共用简单充电设施
LIB蓄电池 3.6V 100 287 150 300～400次 200% 严格防止过充电/过放电
双电荷层电容器EDLC 1.2V 15 - 518 半永久 10% 高攻率密度、低成本
蓄电池的应用
NiCd蓄电池最严重的问题是其废弃物对环境造成严重污染,危及人类健康。由于在欧美和日本已建立回收再利用机制,环境污染问题也基本上获得解决。至于 NiCd蓄电池存储（记忆）效应,只要使用时牢记,一定要使它充分放电后再进行充电就可避免;否则,如果NiCd蓄电池在放电很浅的情况下就又充电,它就会记忆住放电深度,用不多久就又需要充电。
除了上述的不足之处以外,NiCd蓄电池仍有一定的优势,诸如价格相当便宜,电压控制和温度控制的充电设施相对简单,重负载的放电能力以及多种型号（高容量型、急速充电型等）等,堪称是经济实惠的蓄电池。其应用领域相当广泛,只要不计较其体积和重量,可用于收发信机、无绳电话、携带式AV机器和电动机器等。
NiMH蓄电池是NiCd蓄电池的新发展,体积能量密度高,而且对环境无污染和无记忆效应,受到广大用户的欢迎。它具备较高的容量,可大电流放电,允许再充电次数高达500～1000次,价格日趋合理（预计今后3～5年内,每年成本可下降3％）,并且可利用现行的NiCd蓄电池的充电设施,因而NiMH蓄电池获得广泛应用。NiMH蓄电池和NiCd蓄电池一样,具有圆筒形（AAA、AA、A、C、D、F和M）、方形和纽扣形电池。这些NiMH蓄电池可装配成多种电池组,可以满足电子设备日益增长的便携性需求。例如, NiMH蓄电池非常适合于大电流放电需求,如像便携式打印机、医疗设备,远程通信设备,笔记本电脑和数码AV机器（数码相机、数码摄像、数码音频播放机）等,都可应用NiMH蓄电池。原来,NiMH蓄电池实用化比锂离子蓄电池LIB先行一步,于是在移动通信领域本也是NiMH蓄电池的天下。但是,LIB实用化以后,情况发生逆转,后面将仔细介绍。
NiMH蓄电池由于吸藏氢的合金MH比重很大,导致Wh/kg仅为60左右;尽管NiMH 的Wh/Liter可达到300乃至400,W/kg高达160以上,但它的应用前景限定在不严格计较重量的重负载应用领域,例如混合电动车辆（hybrid electric vehicles）、电动车辆、军事野营、抗灾（水灾、地震等）现场用电等方面将发挥出不可替代的重要作用。因为NiMH蓄电池的特性决定它能和太阳能电池板、双电荷层电容器EDLC、便携式风力发电机等构成复合系统。例如混合电动车辆的汽油发动机功率较小,只限于行驶时作为动力,而启动和爬坡时借助于 NiMH蓄电池与双电荷层电容器提供电能驱动电动机实现加速;将来的电动车辆主要是依靠大型NiMH蓄电池组和大型双电荷层电容器组复充电方式,加速时由电容器提供脉冲大电流驱动;太阳能电池板和NiMH蓄电池组合供电系统,白天依靠太阳能电池发电为NiMH蓄电池充电,夜间由蓄电池放电;风力发电机和 NiMH蓄电池组合供电系统,有风时发电机为NiMH蓄电池充电,无风时由NiMH蓄电池放电。
LIB蓄电池的Vdc=3.6V,再充电次数可达300～400次,能量密度高达287Wh/Liter,堪称是目前世界上最轻便的蓄电池。尽管它在充放电时,都要求一套精密的控制设施保证安全性,而且价格不菲,对于追求轻便和使用效率的移动通信手机用户,依然是对LIB蓄电池情有独钟。在移动通信领域,LIB蓄电池终归要完全取代NiCd 和NiMH蓄电池。
总之,NiCd、NiMH和LIB蓄电池由于各自机理和特性不同,各有其自己的应用领域,今后将会在不同的领域协调发展。
参考资料：http://www.laogu.com/wz_26716.htm
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时间：2022-06-21 14:29
蓄电池是电池中的一种，他的工作原理就是把化学能转化为电能。
它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用22～28％的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。
放电时,电极反应为:PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- = PbSO4 + 2H2O
负极反应: Pb + SO42- - 2e- = PbSO4
总反应: PbO2 + Pb + 2H2SO4 === 2PbSO4 + 2H2O (向右反应是放电,向左反应是充电)
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