?     电池是指能将化学能、内能、光能等形式的能直接转化为电能的装置。

?          最早的电池是伏打电池，图为伏打所制作的湿式电池。

?          较活泼金属锌做负极：

?          Zn-2e-=Zn2+ (氧化反应)

?          较不活泼金属铜做正极：

?          2H++2e-=H2 (还原反应)

?          电池总反应式： Zn+2H+=Zn2++H2

?          电子流动方向：锌→导线→铜

?          　　电流方向：铜→导线→锌

电池容量

?          电池容量是指电池存储电量的大小。电池容量的单位是“mAh”，（在衡量大容量电池如铅蓄电池时，为了方便起见，一般用“Ah”来表示）。若电池的额定容量是1300mAh，如果以130mA的电流给电池放电，那么该电池可以持续工作10小时（1300mAh/130mA=10h）。

各种各样的电池

?     人们开发了一代又一代的新型电池：干电池、太阳能电池、燃料电池等。

化学电池

?     化学电池是指能将化学能直接转化为电能的装置。

化学电池的分类

?         {dy}类：按电解液种类划分包括：

?         碱性电池，电解质主要以氢氧化钾水溶液为主的电池，如：碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电池）、镉镍电池、氢镍电池等；

?         酸性电池，主要以硫酸溶液为介质，如铅酸蓄电池；

?         中性电池，以盐溶液为介质，如锌锰干电池（也称之为酸性电池）、海水xx电池等；

?         有机电解液电池，主要以有机溶液为介质的电池，如锂电池、锂离子电池待。

?         第二类：按工作性质和贮存方式划分包括：

?         一次电池，又称原电池，即不能再充电的电池，分为普通锌锰（中性锌锰）、碱性锌锰、锌汞、锌空气、镁锰和锌银六个系列 ；

?         二次电池，即可充电电池，如镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、碱锰充电电池、锂聚合物电池等；铅酸蓄电池，也是二次电池；

?         燃料电池，即活性材料在电池工作时才连续不断地 从外部加入电池，如氢氧燃料电池等；

?         贮备电池，即电池贮存时不直接接触电解液，直到电池使用时，才加入电解液，如镁－氯化银电池又称海水xx电池等。

?         第三类：按电池所用正、负有为材料划分包括：

?         锌系列电池，如锌锰电池、锌银电池等；

?         镍系列电池，如镉镍电池、氢镍电池等；

?         铅系列电池，如铅酸电池等；

?         锂系列电池、锂镁电池；

?         二氧化锰系列电池，如锌锰电池、碱锰电池等；

?         空气（氧气）系列电池，如锌空电池等

锌锰干电池

?           锌锰干电池是最常见的化学电池。干电池的外壳（锌）是负极，中间的碳棒是正极，在碳棒的周围是细密的石墨和去极化剂MnO2的混合物，在混合物周围再装入以NH4Cl溶液浸润的ZnCl2，NH4Cl和淀粉或其他填充物（制成糊状物）。为了避免水的蒸发，干电池用蜡封好。

碱性锌锰电池

?         碱性电池是以二氧化锰为正极，锌为负极，氢氧化钾为电解液。其特性上较碳锌电池来的优异，电容量大，以金顶碱性电池为例，平均比碳锌电池电力多5倍(电力倍数会因电器产品不同而异)，保存性良好，耐漏液性良好、耐温性佳，电压变化小，可得到安定的电压，大电流下仍可高效率放电，因此大小电流器皆适合使用。

酸性锌锰干电池

?         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。

锌汞电池

?         以锌为负极，氧化汞为正极，氢氧化钾溶液为电解液的原电池。简称汞电池。
    由于这种电池有很高的电荷体积密度和稳定的电压，很快在民用电子器具上得到广泛应用，形成了多种形状和尺寸系列的电池。主要有圆形锌汞电池和加有二氧化锰的锌汞电池的体系，代号分别为MR和NR，其后的数字代表电池的型号。
    结构：市场上销售的锌汞电池多为纽扣形，其构成基本上与锌银扣式电池相同，只是以HgO代替Ag O作为正极材料,正极中还加入5～15％石墨以降低内阻。为了提高电池电压,在有的产品中还掺加一些二氧化锰。做为锌电极(负极),现在已多数采用汞齐锌粉拌以凝胶材料以代替早期所用的带状锌箔。

镁锰电池

?         镁锰干电池和锌锰干电池的原理是一样的，镁筒作为负极，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镁的电解质溶液，金属镁的上部被密封。

锌银电池

?         锌银电池可做成原电池、蓄电池等不同形式，其外型常见有矩形、圆柱形和纽扣形三种。最普通的锌银电池的正极是氧化汞加石墨，或者是氧化银加石墨，负极材料是金属锌，电解质是强碱氢氧化钾。锌银电池的优点在于放电量电压稳定，连续使用性能好。锌银电池也可以制成可充电的二次电池组，这种电池有短时间提供的电流放电的能力。

锌空气电池

?         阳极是起催化作用的碳从

?         空气中吸收氧。 阴极是锌

?         粉和电解液的混合物，成

?         糊状。 电解液是高浓度的 KOH 水溶液。 隔离层用于隔离两级间固体粉粒的移动。 绝缘和密封衬垫―― 尼龙材料。 电池外表面―― 镍金属外壳，具有良好的防腐性的导体。工作原理 :

?         阴极： Zn + 2OH ＝ ZnO + H2O + 2e

?         阳极： O2 + 2H2O + 4e ＝ 4OH

?         综合： 2Zn + O2 ＝ 2ZnO

?         通常这种反映产生的电压是1.4伏，但放电电流和放电深度可引起电压变化。空气必须能不间断地进入到阳极，在正极壳体上开有小孔以便氧气源源不断地进入才能是电池产生化学反映。

镍镉电池

?         镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cadmiun Batteries） 以碱液为电解液，正极为氢氧化镍，负极为镉，是碱性密封圆柱形电池 。是最早应用于手机、笔记本等的电池，它有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。镍镉电池缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应” 。此外，镉是有毒的，不利于生态环境的保护。众多的缺点使得镍镉电池已基本被淘汰出数码设备。

镍氢电池

?         镍氢电池（Ni-MH Batteries）有氢离子和金属镍合成,是早期镍镉电池的替代产品，它是目前xxx的电池，不再使用有毒的镉。镍氢电池具有较大的能量密度比，同时镍氢电池在电学特性方面与镍镉电池亦基本相似，在实际应用时xx可以替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。镍氢电池另一个优点是：大大减小了镍镉电池中存在的“记忆效应” 。

锂离子电池

?         锂离子电池（Li-ion，

?         Lithium Ion Battery）

?         内部成螺旋型结构，

?         正极与负极之间由一层具有许多细微小孔的薄膜纸隔开。 正极采用钴酸锂（LiCoO2），正极集流体是铝箔；负极采用碳（C）。负极集流体是铜箔，锂离子电池的电解液是溶解了LiPF6的有机体。在充电时，Li+的一部分会从正极中脱出，嵌入到负极碳的层间去，形成层间化合物。在放电时，则进行此反映的可逆反应。以上称为嵌入和脱嵌的两个过程,故也称为“摇椅电池” 。

?         锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有“记忆效应”以及不含有毒物质等优点。

?         另外锂电池外部一般标有英文7.2V lithiumion battery（锂电池）或7.2V lithium secondary battery（锂二次电池）、7.2V lithiumion rechargeable battery（充电锂电池），所以在购买电池时一定要看清电池块外表的标志，防止因为没有看清电池类型而将镉镍、氢镍电池误认为锂电池。

碱锰充电电池

?         碱锰充电电池：是在碱性锌锰电池的基础上发展起来的，由于应用了无汞化的锌粉及新型添加剂，故又称为无汞碱锰电池。这种电池在不改变原碱性电池放电特性的同时，又能充电使用几十次到几百次，比较经济实惠。

锂聚合物电池

?         锂聚合物电池（Li-polymer，又称高分子锂电池）：具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化，以及高安全性和低成本等多种明显优势，是一种新型电池。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。该类电池可以达到的最小厚度可达0.5mm。

阀控式密封铅酸蓄电池

?          阀控式密封铅酸蓄电池就是VRLA电池。它也是铅酸蓄电池，但是它是全密封的，不会漏酸，而且在充放电时不会有酸雾出来腐蚀设备。由于VRLA电池不但是全密封的，而且还有一个可以控制电池内部气体压力的阀，所以VRLA铅酸蓄电池也叫“阀控式密闭铅酸蓄电池”。

?          为了区分，把老式铅酸蓄电池叫做开口铅酸蓄电池。

纽扣电池

?         纽扣电池也是很常见的电池，常见的纽扣电池按化学组成有这样几种：碳性，碱性，锌-氧化银，锌-空气，锂-二氧化锰，镍镉充电纽扣电池，镍氢充电纽扣电池等。如果按照外形就有单体和层叠的区分了。

太阳能电池的原理

?         太阳能电池有两种形式：{dy}种形式叫做光生伏打电池，一般是在电子型硅单晶小片上，用扩散法渗进一薄层的硼，再加上电极制成这个太阳能板，当受到光照射时两极间产生电动势，第二种形式就是光化学电池，就是在电解液里加入两个电极，当阳光照射其中一个的时候，两极之间就产生电动势，这是最早用的太阳能电池，现在主要是利用半导体材料制造太阳能电池，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生光电转换反应。

半导体太阳能电池

?         根据所用材料的不同，半导体太阳能电池可分为：1、硅太阳能电池；2、以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池；3、功能高分子材料制备的大阳能电池；4、纳米晶太阳能电池等。不论以何种材料来制作电池，对太阳能电池材料一般的要求有：1、半导体材料的禁带不能太宽；②要有较高的光电转换效率：3、材料本身对环境不造成污染；4、材料便于工业化生产且材料性能稳定。基于以上几个方面考虑，硅是最理想的太阳能电池材料。

1 硅系太阳能电池

?         当硅晶体中掺入硼时，因为硼原子最外层有三个电子，硅晶体中就会存在着一个空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成N型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子最外层有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成P型半导体。N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。

1.1 单晶硅太阳能电池

?         硅系列太阳能电池中，单晶硅大阳能电池转换效率{zg}，技术也最为成熟。开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，寻找单晶硅电池的替代产品，现在发展了薄膜太阳能电池，其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。

1．2 多晶硅薄膜太阳能电池

?         通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350～450μm的高质量硅片上制成的，这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。因此实际消耗的硅材料更多。为了节省材料，人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜。

?         开发太阳能电池的两个关键问题是：提高转换效率和降低成本。由于非晶硅薄膜太阳能电池的成本低，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展，但由于其光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S一W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池。

1.3 非晶硅薄膜太阳能电池

?         叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。

2 多元化合物薄膜太阳能电池

?         单晶硅电池的替代品还包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。

?         砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1.4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。

?         除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等电池材料也得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24.2％，为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14.7％．另外，该研究所还采用堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是Gasb,所得到的电池效率达到31.1％。

?         铜铟硒CuInSe2简称CIS 。CIS材料的能降为1.leV，适于太阳光的光电转换,另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。

?         由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池

?         这种电池的原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机P－N结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且{dy}个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。

4 纳米晶化学太阳能电池

?         纳米晶化学太阳能电池（简称NPC电池）是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。

?         纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到20年以上。

燃料电池

?         1839年， Grove爵士通过将水的电解过程逆转而发现了燃料电池的原理。从本质上说是水电解的一个“逆”装置。电解水过程中，通过外加电源将水电解，产生氢和氧；而在燃料电池中，则是氢和氧通过电化学反应生成水，并释放出电能。

?         这种装置的特点是反应过程中不涉及到燃烧，其能量转换效率不受"卡诺循环"的限制，高达60%－80%，实际使用效率则是普通内燃机的2－3倍。另外，它还具有燃料多样化、排气干净、噪音低、对环境污染小、可靠性及维修性好等优点。

燃料电池的工作原理与普通电化学电池类似，然而两者存在着较大的差别：普通电池是将化学能储存在电池内部的化学物质中，当电池工作时，这些有限的物质发生反应，将储存的化学能转变成电能。对于原电池而言，电池所放出的能量取决于电池中储存的化学物质量，对于可充电电池而言，则可以通过外部电源进行充电，使电池工作时发生的化学反应逆向进行，得到新的活性化学物质，电池可重新工作。因此普通电池是一个有限的电能输出和储存装置。而燃料电池则不同，参与反应的化学物质，氢和氧，分别由燃料电池外部的单独储存系统提供，因而只要能保证氢氧反应物的供给，燃料电池就可以连续不断地产生电能，从这个意义上说，燃料电池是一个氢氧发电装置。

燃料电池的原理

?         燃料电池由3个主要部分组成：燃料电极（正极）、电解液、氧气电极（负极）。

?         其工作原理是：从正极处的氢气中抽取电子，这些负电子通过外电路流到正极，同时，余下的氢离子通过电解液被送到负极。在负极，氢离子与氧气发生反应并从负极吸收电子。反应的产品是电流、热量和水。

?         按电解质划分，燃料电池大致上可分为五类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

1．碱性燃料电池（AFC）

?         这种电池用35%~45%KOH为电解液，渗透于多孔而惰性的基质隔膜材料中，工作温度小于100℃。该种电池的优点是氧在碱液中的电化学反应速度比在酸性液中大，因此有较大的电流密度和输出功率。但氧化剂应为纯氧，电池中贵金属催化剂用量较大，而利用率不高。目前，此类燃料电池技术的发展已非常成熟，并已经在航天及潜艇中成功应用。

2．酸型燃料电池（PAFC）

?         这种电池采用磷酸为电解质，工作温度200℃左右。其突出优点是贵金属催化剂用量比碱性氢氧化物燃料电池少，还原剂的纯度要求低，一氧化碳含量可允许达5%。该类电池一般以有机碳氢化合物为燃料，正负电极用聚四氟乙烯制成的多孔电极，电极上涂Pt作催化剂，电解质为85%的H3PO4。在100~200℃范围内性能稳定，导电性强。磷酸电池较其他燃料电池制作成本低，已接近民用程度。

3．熔融碳酸盐燃料电池（MCFC

?         这种电池用两种或多种碳酸盐的低融混合物为电解质，如用碱-碳酸盐低温共融体渗透进多孔性基质，电极为镍粉烧制而成，阴极粉末中含多种过渡金属元素作稳定剂。

?         熔融碳酸盐燃料电池是由多孔陶瓷阴极、多孔陶瓷电解质隔膜、多孔金属阳极、金属极板构成的燃料电池。其电解质是熔融态碳酸盐。

?         反应原理示意图如：

?         阴 极： O2 + 2CO2 + 4e - →2CO32-

?         阳 极： 2H2 + 2CO32- → 2CO2 + 2H2O + 4e–

?         总反应： O2 ＋ 2H2 → 2H2O

4．固体氧化物燃料电池（SOFC）

?         电池中的电解质是复合氧化物，在高温（1000℃以下）时，有很强的离子导电功能。它是由于钙、镱或钇等混入离子价态低于锆离子的价态，使有些氧负离子晶格位空出来而导电。缺点：制造成本较高；温度太高；电介质易裂缝；电阻较大。目前已开发了管式、平板式和瓦楞式等多种结构形成的固体氧化物燃料电池，这种燃料电池被称为第三代燃料电池。

?         固体氧化物燃料电池具有高效，环境友好、无材料腐蚀和电解液腐蚀等优点；在高的工作温度下电池排出的高质量余热还可利用，其综合效率可达70%以上；且它的燃料范围广，H2、CO、天然气（甲烷）、煤汽化气、碳氢化合物、NH3、H2S等都可以作燃料。这类电池最适合于分散和集中发电。

 5．质子交换膜燃料电池（PEMFC）

?         第五代燃料电池—质子交换膜燃料电池以磺酸型质子交换膜为固体电解质,无电解质腐蚀问题，能量转换效率高，无污染，可室温快速启动。质子交换膜燃料电池在固定电站、电动车、xx特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景，尤其是电动车的{zj0}驱动电源。它已成功地用于载人的公共汽车上。在美国《时代周刊》的社会调查结果中被列为21世纪xx科技新技术之首。

燃料电池的研究的5个方面

?     1．电解质膜  电解质膜只允许质子（H+）通过，而不应该允许未分解的燃料渗透过去。

?     2．电极  燃料电池电极大多为气体电极过程，必须用特殊的电极结构-多孔的气体扩散电极，以提高电池的比功率。这种电极要求其中有薄液膜，要能保证大量气体容易到达而又与整体溶液较好连通，有足够的“气孔”使反应气体容易传递到电极内部各处，又有大量覆盖在催化剂表面上的薄液膜。这些薄液膜还必须通过“液孔”与电极外侧的溶液通畅地连通，以利于液相反应粒子（包括产物）迁移。

?     3．燃料   对燃料的研究主要是燃料选择的问题。目前，在燃料电池应用中，主要使用H2和CH3OH。日本工学工程曾提出以BH4为燃料，以吸附氢的合金为电极，同时也作为氢的催化剂和还原剂，对替换燃料的研究，将可以使燃料电池的发展更加具有可持续性。

?     4．系统结构   系统结构是燃料电池的最终结果。由于小型燃料电池或微燃料电池将与集成电路一起使用，因此系统结构的发展受到限制。如何对燃料电池进行高密度装配，实现在便携式电子设备中应用燃料电池，成为研究方向之一。

?     5．电催化剂   一个燃料电池系统，必须获得高效率和高比能量。要获得高效率和高比能量，就必须提高气态燃料和氧化剂在电极过程中的反应活性，即研究和发展高效催化剂。