電池

    

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2013/04/12 10:49

碳棒只是導電，沒有參與反應


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電 池 簡 介
一、碳鋅電池

碳鋅電池乃一種極普遍的乾電池，早在1900年以前，已經商品化。 碳鋅電池的大小、形狀和使用壽命有好幾種。如果不計較其功能的強弱， 則碳鋅電池是一種安全又經濟的電池，何況其來源沒有問題。

碳鋅(C-Zn)電池是一種電化學(Electrochemical)系統，它是以鋅做陽極(陽極送出電子到電路中，因此是負極)， 以二氧化錳(MangneseDioxide)粉末混合物和其他材料當做陰極(正極);氯化銨(A nomonium chloride)的電解質凍 (ElectrolyteJelly)和氯化鋅(Zinc chloride)溶解於水中當做電解液;而碳棒刀把外界電路的電子傳回到陰極(正極)。 電池中的陰極混合物也當做去極劑(De-polarizer)。

如果便用的電流很小，且使用的時間不長，則碳鋅電池是最有效率的。如果使用的電流較大及使用的時間較長的話， 則電池因化學反應放出電能所產生的氫氣(HydrogenGas)會積在碳棒，阻礙其傳導電子的能力，因而降低電池的效率。 做為去極劑的陰極混合物，乃防止氫氣存在碳棒的作用劑;因此，如沒有去極劑的話，電池的工作效率會受到影響。 然而，即使有去極劑，碳鋅電池在大電流的使用狀況下亦無法使用太久。

碳鋅電池在電解質混合物和碳棒大小的製法上有許多型式完全不同。設計給收音機使用的電池，含有高百分比的活性電化學的 (Electrochemical)材料。這種電池比用於閃光町的電池具有較大的容量，因而，使得它在低電流的使用情況下，能維持很久; 而閃光阿用的電池，須含有更多的碳，以便能在短時間內產生大電流，觸發閃光打泡。一般用和工業用電池， 其使用壽命和容量特性，已經被修改成適用於此兩種不同使用情況的特性。

碳鋅電池的使用壽命和其使用情況有密切的關係。當所需的電流降低時，會改進電池的化學效率，以兩個並聯的電池代替一個電池， 可以增長三倍的使用壽命。安培小時(Ampere-hour)碳鋅電池使用到IV時的使用壽命估計的容量跟電池的大小和使用電流的高低很有關係， 其他影響電池使用壽命的因素尚有周圍溫度和放在電池架上的時間。 在室溫為20℉時，電池的容量約降低一半;而在-2O℉時，幾乎降到零。假如把特殊的電解液加入電池， 將會稍為改善低溫的功能。如電池一直被存放在溫度70℉的環境中，則其使用壽用大約 縮短一半，假如電池被放在更高的溫度中，則其變質的速度會更快。

電池大小 和重量	使用電流	容量		能量密度
(oz)	(mA)	(hr)	(Ahr)	(Whr/lb)
AAA 0.3	2	290	0.45	30
	10	45	0.37	25
	20	17	0.28	19
AA 0.6	3	350	0.88	29
	15	40	0.50	17
	30	15	0.37	12
C 1.4	5	430	1.8	26
	25	100	2.1	30
	50	40	1.7	24
D 3.3	10	500	4.2	25
	50	105	4.4	27
	100	45	3.8	23

二、鹼性電池

鹼性電池的發展，主要被用於需要高電流使用的裝置，以代替較不實用的碳鋅電池。 鹼性一二氧化錳一鋅電池(Alkaline-manganese Dioxide-zinc Cell)的電壓一時間特性的降低速率低於碳鋅電池。 在高電流的使用情況下，鹼性電池的使用壽命約標準式碳鋅電池的十倍。

鹼性電池以一大片的鋅做陽極，以高密度的二氧化錳混合物做陰極及用鋼或沒電鍍的黃銅做為電流集結器。 鹼性電池與碳鋅電池最大的差異，乃在於鹼性電池使用高濃度的鹼性氫氧化鉀(Potassium-hydroxide)做電解液。

鹼性電池具有極高的去極(depolarization)效率，所以它能連續的供應大電流，而碳鋅電池必須間歇性地使用。 鹼性電池在經過使用一段時間後，還是保持著近1.5V的輸出能力。在低電流的使用情況下， 鹼性電池雖然有較高的安培一小時容量;但它與碳鋅電池的電流密度足一樣。如果使用在大電流的情況，則鹼性電池就比碳鋅 的功能要好。

鹼性電池在低溫下的工作能力亦較碳鋅電池好;而且，在不使用時，既便不把鹼性電池從電池架上拿下，它亦能維持很久的 時間;如果存放在低溫下，則更能延長壽命。

可充電的(rechargeable)鹼性二氧化錳電池，其大量使用的時間已超過10年。由於它的防漏性相當好，所以可被使用在任 何環境。

然而鹼性電池可再充電的次數少於鎳一鎘(Nickel-Cadmi-um)電池。就像基本的鹼性電池一樣，可充電的電池亦是以鋅 做為陽極，二氧化錳做陰極和以氫氧化鉀做電解液;但足可充式電池還是有不同之處，其內部經過設計變更後，無論充電或放電 都很成功。

可充式電池的放電特性與一般不可充式的電池很類似。當其化學能降低時，其輸出電壓的降低速率還是很慢，但是無論如何 ，可充式電池無法再被充電至其原先的輸出電壓;而且當充電的次數增加時，極可能損害其功能。即使其兩端電壓保持一定，但 其可利用的化學能，會隨著使用時間的增長而降低。

可充式的鹼性電池，使用的放電電流，應該使用在廠商所建議的電流量，直到用完其額定的安培一小時(Ampere-hour)容 量再按照所建議的充電時間的長短充電。如果使用者能依此原則使用，則可使充、放電的次數達到預期的次數。降低放電電流或 降低安培一小時容量的消耗，雖可增長電池的壽命;然而，一旦電路需要的功率超過電池的額定容量時，則其使用命壽命將會縮 短很多。

三、汞電池

鋅一氧化汞(Zinc-mercuricoxide)電池所能產生的化學能，高於碳鋅及鹼性電池。大約80%--90% 的活性電化學材料， 被用於所謂的汞電池。

汞電池，其陽極(負極)是鋅一汞合金，而陰極是氧化汞，亦是去極劑。其電解液用氫氧化鉀。 汞電池在有負載的情況下，尚能維持平穩的放電特性及高於所需的正常電壓，此乃其特性之一。 不管所需電流的大小，汞電池均能保持相對穩定的安培一小時容量。汞電池放在電池架上， 如不使用，幾乎不會漏電;在高溫度環境中，亦能保持其良好的特性;而且對於震動和加速度的使用情況，亦有良好的抵抗性。 汞電池的極性與碳鋅、鹼性電池相反，其已被廣泛地用於照相機、助聽器、儀器和通訊器材。

汞電池主要的型式有兩種:圓筒型和鈕扣型電池。

1.35伏特(1.35V)的汞電 池能提供高穩定度的電壓 它能提供固定的工作電壓，直到幾乎放完電為止。1.35V汞電池乃工業用電池，它使用於 儀器，亦可用於科學和醫學。 這些電池的電壓，常被當作第二標準電壓。1.35V的汞電池含有純氧化汞去極劑。

1.40V的汞電池，乃一般用途 的電池;它們的去極劑是氧化汞和二氧化錳的混合物。 在額定的工作電流(約為最大承受電流的一半)情況下，典型的汞電池向能量密度範圍45-50Whr/lb(瓦，小時/磅)。 對於l號電池一D size (重量約6盎斯)，其額定電流約250mA;而3號電池一A size(約1.4盎斯)，其額定電流為80mA。

在低溫的工作環境中，大多數的汞電池，其功能受到損失。如溫度在40"F時，會嚴重的損失汞電池的容量，而且如溫度更低 的話，則汞電池的功能幾乎儘失，除非使用的電流非常小。

汞電池的第二型是鎘一氧化汞(Cadmium-mercuric Oxide)系統，此型電池的開路電壓為0.94V，其能量密度為18瓦．小時/磅。 它不是一種高能量的電池。

鎘汞電池乃被設計用於特殊的環境(特別是一65～300℉)，它是以鎘做陽極，以氧化汞做陰極，而以氫氧化鉀做為電解質。 此型電池在使用年限中，其功率經常不穩定;然而，其放在架上的年限，估計為10--20年之久。當它不放出化學能時，所有 的元素都不是活性的(此乃其放在架上能長久的主要原因)。

鎘汞電池能抵抗30,000g的震動和30,000rpm 的高速運轉。這種粗糙的電池，被用於保險、安全防護系統和計時器等裝置。

四、氧化銀電池

氧化銀電池跟汞電池一樣，其放電電壓曲線亦極為平穩。但它的工作電壓為1.5V(開路電壓為1.6V)。氧化銀電池的安 培一小時容量大約與汞電池一樣。 氧化銀電池乃助聽器和電錶 的重要電源。其正極(陰極)乃氧化銀和二氧化錳的去極氧化物，隨著應用的不同，其混合物的成分就不一樣;負極是鋅。 使用於助聽器的氧化銀電池(需要低的洩電流，長的使用壽命)，其電解液為強鹼性的氫氧化鉀，以增強其能量密度;而用於電子錶 的氧化銀電池(非常低的洩電流，極長的使用壽命)，其電解液為穩定性更好的氫氧化鈉(50-diumHydroxide)。

氧化銀電池的壽命很長，而且其在高溫時，其功能不受影饗;即使在低溫的環境中，它的功能尚強過大多數的汞鋅電池。 由於氧化銀電池所需的材料較貴，所以氧化銀電池主要的型式為鈕扣型及其他較小尺寸的型式。D-size(l號)或更大的可充電式的氧化銀電池，密封型(sealed)及開口型(Vented)的效果都不錯;然而，如果其他型式的氧化銀電池， 高價格因素不予考慮的話，則寧封型及開口型電池的應用將受到限制。

五、鎳一鎘電池

由於鎳鎘電池的功率容量大且為可充電式，所以它經常被用作轉動器的電源，小至閃光町，大至潛水艇。

全密封的鎳一鎘電池發行不久後，鎳一鎘電池的使用者，即發現其電壓上的麻煩，不止會導致電池的損壞且會使之爆開。 鎳一鎘電池是由密封可充電的子電池(cell)以串聯/並聯方式所組合而成。如果串聯的子電池沒有相同容量， 則在放電電流大的使用情況下，其中一個子電池可能會比其他的子電池先放完電。 在這種情況下，如用電池充電器充電的話，會損害到電池，甚至爆開。 然而，目前電池製造技術的進步，已降低了上述的威脅，而且便用者能利用輔助技術以避免電池反向或降低對電池的威脅。

為了解釋電池反向的影響，茲假設有三個1.25V的密封式可充電的鎳鎘電池串聯在一起，以供應閃光燈3.75V的電源。 假如此三個電池的容量都一樣，則它們傳輸到負載的額定化學電能應該一樣，而且三個電池含在同一時間放完電。 3.75V的平均工作電壓，使用10小時的情況下。其平均電流大約為100mA。

在正常的使用情況下，此三個電池的電子，應出電池的負端經由負載電路，再回到正端(與電流方向相反)。而電池內部的 子電池之間的電子流動方向，乃由各子電池的金屬部分通過接觸部分，到達鄰近子電池的中心部位。 但是，如果其中有一個電池，在其他二個電池尚未放完電之前，即已放完電時，則此放完電的電池，就是一個電阻器罷了; 而此時，整個電源系統大約祇能提供2.5V的電壓。電池完全放電時的電阻大小，乃跟據其止端接受電子，電解液離子傳導電子 以及負端放出電子的能力而定。

典型的鎳鎘電池兩端的金屬片，是由精純的鎳粉所製成。其製造過程中，產生一個多孔的結構，80%小孔的平面區域約為0.2 M2/gm。這些小孔當中，部分侵入活性化學材料，其餘的部分，則侵入電解液。

浸在沒充電的正極金屬片中的活性材料是氫氧化亞鎳(Nic-kel Hydroxide);如此金屬片被充電的話， 氫氧化亞鎳就反應成氫氧化鎳(Nickelic Hydroxide)。沒充電的負極金屬片，乃含有氫氧化鎘(Cadium Hydroxide)。 當金屬片被充電後，氫氧化鎘則反應成金屬鎘。所以金屬片的極性，乃由化學的浸透方法來決定。

在鎳鎘電池中，放電化學反應的方向與充電反應的方向相反。當電池充電太多或反向充電的話，其反應的主要生成物為氫氣 和氧氣。正極金屬片如被充飽和的話，則所有氫氧化亞鎳全部變成氫氧化鎳;因為此時已沒有氫氧化亞鎳了，故想要繼績充電的 話，則傳會產生氧氣罷了。而在負極中，當所有的氫氧化鎘皆已反應成金屬鎘後，如再繼績充電的話，則僅會產生氫氣而已。

電池化學的每一金屬片，其化學反應速率都要一樣方可。如果各片的化學反應速率不一樣，則在充電過程中，活性材料含量 最少的金屬片，將首先產生氣體;而且因產生氣體所消耗的電能，在放電的時候，無法再轉換成電能了。

面對著過度充電的情況，要產生何種氣體較好呢?電池設計者選擇氧氣;因為氧氣可經由絕緣性材料[尼龍(Nylon)或保 麗龍(Polypropylene)]擴散，且與金屬鎘起化學反應，使金屬還原為沒充電時的氫氧化鎘。因 此，當正極金屬片被充電飽和後，負極金屬片(也許尚有沒反應的氫氧化鎘)不會再存有化學能 。換句話說，當電池的正極金屬片過度充電時，則祇要負極金馬片被充電，擴散的氧氣馬上放出 電子。

由於過度充電所產生的氧氣會很快地再與鎘結合，因此，不會使密封的電池氣壓，高到危險的程度。 同樣地，假如氫氣在負極金屬片中產生，它亦會與正極的金屬片結合;但是，其結合速率太慢， 使得剩餘的氫氣積存在密封的電池，造成有危險性的氣壓。因此，叮確信地，過度充電 時祇能產生氧氣。

如果反向充電的話，電子被強迫由負極出來，經由充電器再進入正極，則其化學反應非常困難。 氫氧化亞鎳不會接受電子受成鎳;而是水分子(water molecules)接受電子受成氫氧。 除此之外，當負極中已經沒有鎘可再放出電子，而受成氫氧化鎘時，電子會由裡離子(OH-— hydroxy1 Ions)放出，如此會形成氧氣兩增加電池內部的氣 壓。

由於電池的反向充電，也許 會出現嵌重的問題;特別是當電池中的子電池，如其中一個已放完電，而其他尚能提供大電流， 則此不再有電能的子電池的高阻抗，會產生足以損害電池的高熱，而且所產生的氣壓會高得迫使 安全氣孔(Vent)打開。如果安全氣孔設計適當的話，則每次氣體由氣孔跑田時，電解液的降低 量不會影客電池的正常功能。裝有「低磁滯」(low hysteresis)安全氣孔的鎳一鎘電池，能承受 偶而的反向充電;但如果安全氣孔打開的次數太多的話，則會降低電池的容量，而且，這樣會因 下次使用大電流，而使反向充電提早發生。

避免子電池(Cell)反向的方法，乃小心的選擇子電池，以使所有的子電池皆有相同的容量 。每＿子電池都要個別測試，而且僅能把相同容量的子電池組成在同一電池(Battery)中。這 種方法，使得電池中最弱的子電池完全放完電之前，其他的子電池亦因電力太弱，而不能供應足 以使消耗完的子電池反向充電所需的電流。

有些製造商表示他們的電池能容忍反向充電的原因，乃他們在電池的正、負極中都加上有反 向充電緩衝特性(Reverse Charge Buffering)的材料。此種材料接受電子的特性比徑離子(Hy-droxy1)或水分子都要好。少量 的負極活性材料(氫氧化鎘)加到正極，同時把少量的正極活性材料(氫氧化亞鎳)加到負極;這些少數的材料不但不會影響到 電池的正常功能，而且當所有的子電池開始反向時，能延遲氫氣的產生。

http://pemclab.cn.nctu.edu.tw/peclub/w3cnotes/cn37.%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8B/%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8B.htm

碳鋅電池 VS 鹼性電池 ( 切身之痛 )

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