电池

电池是一种充电装置，用于为手机、电热水器、手电筒、电动汽车等设备供电。电池有两个端子，称为阴极和阳极。阴极是正极端子，而阳极是负极端子。

电子带负电荷。因此，电池的负极端子是电子的来源。当我们将外部电路连接到电池的端子时，电子从负极端子流向正极端子。发生反应，电池的化学能以电流的形式输送到连接的电路。

电池有各种设计和形状。有些小型电池单元用于手表或作为遥控器电池。

薄电池用于腕表或手机充电器。车辆包含大型锂酸电池，而有些大型电池室（如计算机数据中心）也使用电池。

在这里，我们将讨论以下主题

• 电池历史
• 电池的工作原理
• 电池类型
• 电池的分类
• 锂电池
• 存储
• 电池的化学成分
• 电池充电
• 用有毒材料制成的电池
• 太阳能充电电池
• 自充电电池
• 环保电池

电池历史

让我们详细讨论电池的发明。请考虑以下几点：

• 电池是由美国博学家本杰明·富兰克林于1749年发明的。这里的博学家指的是拥有多学科知识的人。
• 本杰明当时正在进行电学实验。
• 之后，大约在1800年，意大利化学家和物理学家亚历山德罗·伏特认可了电池的发明。
• 但是，亚历山德罗·伏特未能理解电池产生电压背后的化学反应概念。
• 上述化学反应的概念由英国科学家迈克尔·法拉第于1834年证明。
• 早期发明的电池适合实验用途，但无法长时间供电。
• 1836年，英国气象学家兼化学家约翰·弗雷德里克·丹尼尔发明了第一个电化学电池，称为丹尼尔电池。它是第一个被认为是实用能源的电池。
• 丹尼尔电池由外锅和内容器组成。外锅由铜制成，里面装有稀硫酸铜溶液。内陶器（非玻璃化陶器）容器浸泡在外锅溶液中。内容器由锌电极组成，里面装有硫酸溶液。
• 上述电池是湿电池的一个例子。但是，这些电池需要妥善处理。
• 大约在19世纪，为了克服湿电池的缺点，发明了干电池。

电池的工作原理

让我们详细讨论电池的工作原理。

电池原理

电池的工作原理是将电池中存在的化学能转化为电能，然后将电能输送到电路中以供其运行。

电池由一个或多个电化学电池组成。电池中的每个电池都包含电解质和两个（正极和负极）带电电极。干电池的电解质呈糊状，而湿电池的电解质呈液态。让我们详细讨论组件。

电极

电池有两个电极，称为阳极和阴极。阳极是电池的负极端子，而阴极是电池的正极端子。质量、设计和数量决定了电池的速度和密度。因此，它是电池最重要的组件。如果我们将导线连接到这两个端子，电流将流过导线。

电解质

电解质是电导溶液，电极浸没其中。它可以是酸、碱、可溶盐等形式，促进离子的移动。

让我们讨论电池的工作原理。这将有助于我们理解电力的概念和流动。

工作方式

如上所述，电池由阴极、阳极和电解质三部分组成。电池的化学成分导致两个电极之间产生电位差，从而导致电子流动。电子试图维持这种差异。电子被吸引到电子较少的地方。这导致电子从阳极流向阴极。

当外部电路连接到电池端子时，电子流向该电路。这进一步产生电力。

当电路不完整时，化学成分会阻止电子流动。使用越多，电子损失越多。因此，电池的电量有限。

同样，当外部电荷施加到可充电电池时，它会逆转化学成分。电子被恢复并重新获得损失的电量。

示例1：手电筒

让我们以手电筒为例。

手电筒在每个家庭中都有使用。它是一种便携式设备，可以长时间工作。

手电筒的结构如下图所示：

它清楚地显示了手电筒中电池单元的排列。在这里，我们将讨论手电筒的操作以及电池单元在手电筒中的作用。这种光源也取代了灯的使用。手电筒中的光源（通常是LED）安装在带有反射器的透镜中。电池、光源和透镜都用外壳覆盖。反射器的作用是将光线重新定向成稳定的光束。

接触片用于连接电池的正负极端子。电池的端子设计成不能反接。因此，我们可以轻松地以正确的极性插入电池。

手电筒的原理也用于提供矿工光线的前置头盔上，无需手持。

手电筒中的设备：手电筒的设备包括外壳、原电池、开关、透镜、反射器、带钨丝的灯泡和LED。

工作原理：当我们打开开关时，接触片完成连接。接触片连接到开关的两端。它允许电流流入手电筒的电路。灯泡的LED或钨丝开始产生可见光。反射器产生从手电筒发出的直射光束。透镜用作灯泡或LED的保护罩。

当我们关闭开关时，接触片回到其原始位置，即远离开关的端子。如今，手电筒有各种尺寸。尺寸合适，我们可以轻松地随身携带。

电池类型

电池分为一次电池和二次电池两种。它们也被定义为原电池和次电池。

电池的电化学组成决定了反应是否可逆。如果反应是可逆的，则意味着电池可以轻松充电。这种组成是区分一次电池和二次电池的主要原因。

让我们详细讨论电池的类型。

一次电池

一次电池称为临时电池或一次性电池。一次电池通常是便携式的。这类电池中的化学反应不可恢复。因此，一次电池不可充电。

例如，锌碳电池、碱性电池、干电池、锂金属电池等。

二次电池

二次电池通常称为可充电电池。通过电流，我们可以多次为这些电池充电。二次电池的组成使得在施加电流时可以恢复。

例如，用于汽车、卡车等车辆的锂酸电池。锂离子电池主要用于各种电子设备，如手机或个人电脑。

让我们讨论一下一次电池和二次电池之间的一些区别。

能量密度

它决定了在给定的小质量下，每单位体积可以存储多少能量。

在不同类型的电池中，锂离子电池具有最高的能量密度。这意味着它可以存储大量的能量。

注意：我们不应混淆能量密度和功率密度。两者是不同的术语。

电池或电芯的分类

电池分为“干电池”和“湿电池”两类。这两种电池都可以是一次电池或二次电池。

干电池

干电池中的电解质以糊状形式固定，其中少量水分足以允许电流在电池中流动。

德国科学家卡尔·加斯纳于1886年发明了干电池。

它具有高能量密度和低内阻。由于不含液体，因此便于携带。

干电池也可以在任何方向上操作，而不会泄漏。

例子包括碱性电池、氧化银电池和锌碳电池。

湿电池

湿电池的电解质呈液态。在实验室中，湿电池通常在烧杯中制备，以演示其工作原理。由于含有液体，湿电池需要妥善处理。它是一种可充电电池。电池的电解质是液体，性质为酸性，例如硫酸。

例如铅酸电池。湿电池常见于手机信号塔、电力公司等。

不同类型电池的用途如下图所示：

锂电池

锂电池在日常生活中大多数应用中都有使用。锂电池具有各种优点，例如重量轻、寿命长、能量密度高，使其成为一个很好的选择。

让我们讨论一些最常见的锂电池类型。

锂金属电池

“锂”指的是电池阳极中存在的材料。因此，它们被称为锂金属电池。这些电池属于一次电池类别。

锂离子电池

锂离子电池以其中存在的活性材料命名。

在这里，我们将讨论一些锂离子电池的类型。每种类型都有不同的化学成分。

• 锂锰氧化物
  锂锰氧化物以锰氧化物作为阴极材料。它具有低内阻、高热稳定性、更好的安全性和增强的电流流动。
  低电阻的好处是它能够实现快速充电。
• 磷酸铁锂
  磷酸铁锂以磷酸盐作为阴极材料。使用这种电池的优点是良好的热稳定性、长寿命和高电流。在高电压下，这些电池不易出现应力条件。与其他锂离子电池相比，它还具有高自放电能力。
• 锂镍锰钴氧化物
  镍锰钴作为阴极材料是最好的组合之一。镍具有高比能量的优点，而锰具有低内阻。镍和铁的结合增强了它们的强度。它是电动自行车和电动动力传动系统等应用的首选。
• 钴酸锂
  钴酸锂电池被认为是数码相机、电脑和移动设备的常用选择。阴极材料是钴氧化物，而阳极材料是石墨碳。
  阴极的结构呈层状。放电时，阳极中的锂离子移动到阴极。同样，充电时电流从阴极流向阳极。
  但是，它有一些缺点，例如寿命短和热稳定性低。

存储

每当我们想储存电池时，应将其从设备中取出，并存放在阴凉干燥的地方。不要尝试冷冻任何类型的电池。我们知道电池储存会导致电量损失。因此，在使用电池之前，我们应始终检查电池的比重和电压。电量低于70%的电池需要充电。

现在，让我们讨论一下电池的类型以及可以储存的持续时间。

• 锂电池的储存寿命可达10年左右。会有电量损失，但很小。
• 镍基电池的储存寿命为3到5年。它也可以在零电压下储存。这类电池的电量应保持在40%左右。
• 碱性电池和其他类型的一次电池易于储存。但是，湿度应保持在50%左右。冷冻此类电池可能会导致电池分子结构发生变化。
• 锂基一次电池的储存需要特别注意。
• 密封铅酸电池的储存寿命最长可达两年，具体取决于条件。

电池的化学成分

当我们使用手电筒、遥控器、车辆等时，电池内部会发生许多化学反应。所有类型电池的基本原理都相似。当电解质与其两个电极（阴极和阳极）之间发生化学反应时，就会产生电。

电池由镍、镉、汞、铅、锂和碱性等材料制成。

离子从电解质流向阳极。在阳极形成化合物，释放电子。这意味着在阳极发生氧化反应。同样，当释放的电子与阴极结合时，在阴极形成化合物。这意味着在阴极发生还原反应。概念很简单：阳极通过从电解质中获取离子来释放电子，阴极吸收这些电子。电子从阳极到阴极的传输导致电流产生。电池中化学成分的存在决定了电池的寿命。一旦耗尽，电池就开始失去能量。

例如：

铅酸电池：它由金属铅或二氧化铅作为两个电极的材料，硫酸溶液作为电解质材料。它是一种可充电电池。

电池充电

有些电池，例如一次电池，不能多次使用。但是，有些电池，例如二次电池，通常是可充电的，可以重复使用。

电池放电

电子从阳极流向阴极。它将离子（正或负）释放到电解质中，以电的形式向电路提供能量。能量耗尽并阻止电解质继续反应。因此，电池开始放电。

电池充电

有些电池的设计使得其涉及的反应可以逆转。这些电池的电极由当电池获得外部能量时可以逆转其化学成分的材料制成。这意味着向电池提供的外部能量会逆转导致电池放电的化学过程。离子返回电池的阴极和阳极。电池充电后可以再次使用。

如今，从移动设备到汽车，快速充电电池的需求量很大。这些电池可以快速吸收电荷。一些快速充电电池包括锂离子电池、石墨烯电池和碳离子电池。

用有毒材料制成的电池

一些用于工业等的电池由有毒材料制成，例如汞、铅等。这些材料被认为是电子垃圾，需要妥善处理以防止对环境造成损害。有毒电池泄漏会污染水和土壤，这可能危害地球上的野生动物。

大多数制造商正试图避免使用有毒材料。一些机构也加入了制造商的行列，以提高人们对回收计划的认识。这些计划传播信息，鼓励将废旧电池送去回收，而不是送往垃圾填埋场。电池以一种不让有毒化学物质进入环境的方式进行回收。

太阳能充电电池

太阳能充电电池由一个充电控制器组成，该控制器从太阳能中获取能量并将其转换为适合充电的所需电压。这类电池的实际太阳能输出在阴影、阴天、下雨等情况下会降低。这是因为太阳能电池板需要直接的太阳能才能产生能量输出。

太阳能电池板以串联方式固定放置，并连接到电池组以储存能量。在非高峰状态下，建议使用太阳能电池板储存的能量。

小型太阳能电池是便携式的，用于手机、iPod等设备。大型太阳能电池通常放置在固定位置，通常在公园、街道等公共场所。如今，各种类型的太阳能充电器效率都得到了提高。

风力涡轮机充电电池也可用。它也由一个充电控制器组成，该控制器从风力涡轮机中获取能量并将其转换为适合充电的所需电压。

自充电电池

自充电电池不需要充电。此类电池中的电芯可以长时间工作而不会损失任何能量。它还可以提高功率输出。自充电能力背后的概念是负电阻与负电容的结合。电池中的一种材料会改变其成分以形成一个可以存储大量电荷的电容器。

自充电电池目前适用于数字转换器、闪烁灯等低频应用。

环保电池

在购买电池之前，我们应始终选择环保、可回收和可充电的电池。无害且可回收的电池是镍氢（NiMH）等。有害且可回收的电池是镍镉（NiCd）、铅酸电池、纽扣电池等。

但是，有些电池无法回收，例如AAA、AA、D和C电池。