什么是不同类型的电池?

在本教程中，我们将学习电气和电子系统中的一个重要组件:电池。我们将看到关于电池的一些基本信息，看看不同类型的电池，也指导什么电池类型适合您的应用程序。

简介

无论你是不是一名电气工程师，你可能在你的生活中至少遇到过几种不同类型的电池。一些常见的使用电池的地方是挂钟、闹钟或烟雾探测器，它们使用的是小型一次性电池，或汽车、卡车或摩托车，它们使用的是相对较大的充电电池。

在过去十年左右的时间里，电池已经成为一种非常重要的能源。甚至在那之前，它们就已经是我们生活中不可或缺的一部分，为晶体管收音机、随身听、手持游戏、相机等便携式设备供电。

但随着先进智能手机、平板电脑、笔记本电脑、太阳能和电动汽车的发展，对续航时间更长、能提供必要能量的强大电池的研究已经达到了顶峰。

事实上，2019年诺贝尔化学奖已经授予了开发锂离子电池的3名科学家约翰·b·古迪纳夫、m·斯坦利·惠廷厄姆和吉野明。

什么是电池?

电池是一种以化学物质形式储存电能的化学装置，它通过电化学反应将储存的化学能转化为直流电能。意大利物理学家亚历山德罗·沃尔特于1800年发明了第一块电池。

电池中的电化学反应包括电子通过电流从一种材料转移到另一种材料(称为电极)。

电池和电池

尽管电池这个术语经常被使用，但负责实际储存能量的基本电化学单元被称为电池。电池，就像刚才提到的，是基本的电化学单位，是化学能转换产生电能的来源。

电池的基本形式通常包括三个主要成分:两个电极和电解质，还包括终端、分离器和容器。说到电极，有两种类型的电极称为阳极和阴极。

阳极是负极(也称为燃料电极或还原电极)。它失去电子到外部电路在电化学反应中，它被氧化。

另一方面，阴极是正极(也称为氧化电极)。它从永恒电路中接受电子在电化学反应中，它被还原。因此，电池中的能量转换是由于电化学氧化还原反应。

细胞的第三个重要成分是电解质。电解液作为在两个电极之间以离子形式进行电荷转移的介质。因此，电解质有时被称为离子导体。这里需要注意的一点是电解质是不导电的，而只有离子导电性。

电池通常由一个或多个“单元”组成，这些“单元”以串联或并联的方式电连接，以提供必要的电压和电流水平。

不同类型的电池

基本上，所有的电化学电池和电池都可以分为两类:

• 初级(一次性)
• 二级(可充电)

尽管在这两种类型的电池中还有其他几种分类，但这两种是基本类型。简单地说，一次电池是不可充电电池，即，它们不能充电，而次电池是可充电电池，即，它们可以充电。

主要的电池

一次电池是一种简单而方便的电力来源，为一些便携式电子和电气设备，如灯，相机，手表，玩具，收音机等。由于它们不能充电，所以属于“使用，放电后丢弃”类型。

通常，一次电池价格便宜，重量轻，体积小，使用非常方便，相对不需要或很少维护。在国内应用中使用的主要电池是单电池类型，通常是圆柱形配置(尽管，很容易生产不同形状和大小的电池)。

常用主电池类型

直到20世纪70年代，基于锌阳极的电池是主要的电池类型。在20世纪40年代，第二次世界大战和战后，锌碳基电池的平均容量为50 Wh / kg。

电池技术最重要的发展发生在1970 - 1990年期间。正是在这个时期，著名的锌/碱性二氧化锰电池被开发出来，它们慢慢取代了旧的锌-碳类型作为主要的一次电池。

锌-氧化汞和镉-氧化汞电池也在这一时期被使用，但由于汞的使用对环境的影响，这些电池类型慢慢被淘汰。

正是在这一时期，锂作为活性负极材料的电池开始发展，由于锂电池比能量高，比传统锌电池的货架寿命更长，被认为是一项重大成就。

锂电池被制造为纽扣和硬币电池的特定范围的应用(如手表，内存备份等)，而更大的圆柱形电池也可用。

下表列出了不同类型的一次电池及其特点和应用。

电池类型	特征	应用程序
锌-碳	普通，成本低，尺寸多样	收音机、玩具、乐器
镁(毫克/汇总)	容量大，保质期长	军用和飞机无线电
汞(锌/ HgO)	容量非常高，保质期长	医疗(助听器、起搏器)、摄影
碱性(锌/碱性/汇总)	非常受欢迎，成本适中，性能高	最流行的一次电池
银/锌(锌/ Ag2O)	容量最高，价格昂贵，流量平坦	助听器，摄影，呼机
锂/可溶性阴极	能量密度高，性能好，温度范围宽	广泛的应用范围，容量在1 - 10,000 Ah之间
锂/固体阴极	能量密度高，低温性能好，保质期长	更换按钮和圆柱形电池
锂/固态电解质	功耗低，保质期极长	记忆电路，医疗电子设备

二次电池

二次电池也被称为可充电电池，因为它们可以在放电后再次充电。通过放电方向相反的电流通过电池，可以将电化学电池的化学状态“充电”到其原始状态。

二次电池基本上有两种用途:

• 在第一类应用中，二次电池基本上被用作储能装置，它们与主能源电连接，也由主能源充电，并在需要时提供能量。此类应用的例子有混合动力电动汽车(HEV)、不间断电源(UPS)等。
• 二次电池的第二类应用是电池作为一次电池使用和放电的应用。一旦它完全放电(或几乎完全放电)，而不是丢弃它，电池被一个适当的充电机制重新充电。这类应用的例子包括所有现代便携式电子产品，如手机、笔记本电脑、电动汽车等。

二次电池的能量密度相对较低，但具有功率密度高、放电曲线平坦、放电率高、低温性能好等特点。

常用二次电池类型

两种最古老的电池实际上是二次电池，称为铅酸电池，它是在19世纪50年代后期开发的，镍镉电池是在20世纪早期开发的。直到最近，只有两种类型的二次电池。

第一种也是最常用的充电电池叫做铅酸电池。它们是基于铅-二氧化铅(Pb - PbO2)电化学偶对。在这些类型的电池中使用的电解质是非常常见的硫酸。

第二类充电电池被称为镍镉电池。它们是以氢氧化镍(镍氧化物)为正极和以镉金属为负极。进入电解液，使用氢氧化钾的碱性溶液。

近几十年来，出现了两种新型的充电电池。它们是镍金属氢化物电池和锂离子电池。在这两种电池中，锂离子电池成为了游戏规则的改变者，并以其高比能和能量密度数字(150 Wh / kg和400 Wh / L)成为商业优势。

二次电池还有其他一些类型，但主要有四种类型:

• 铅酸蓄电池
• 镍镉电池
• 镍金属氢化物电池
• 锂离子电池

现在让我们分别简单地看看这些电池类型。

铅酸蓄电池

铅酸电池是目前最受欢迎和使用最多的充电电池。一个多世纪以来，它们一直是成功的产品。铅酸电池有几种不同的配置，如容量为1ah的小密封电池到容量为12000 Ah的大电池。

铅酸电池的主要应用之一是在汽车行业，因为他们主要用作SLI电池(启动，照明和点火)。

铅酸电池的其他应用包括储能、应急电源、电动汽车(甚至混合动力汽车)、通信系统、应急照明系统等。

铅酸电池的广泛应用是由于其电压范围宽、形状和尺寸不同、成本低和相对容易维护。与其他二次电池技术相比，铅酸电池是任何应用中最便宜的选择，并提供非常好的性能。

铅酸电池的电效率在75 - 80%之间。这种效率值适合于储能(不间断电源- UPS)和电动汽车。

镍镉电池

镍镉电池或简称镍镉电池是当今与铅酸电池一起可用的最古老的电池类型之一。它们的寿命很长，非常可靠和坚固。

镍镉电池的主要优点之一是它们能承受高放电率，并能在很宽的温度范围内工作。此外，镍镉电池的保质期很长。这些电池的成本高于铅酸电池，但它比其他类型的碱性电池更低。

如前所述，镍镉电池使用氢氧化镍(NiOOH)作为阴极，金属镉(Cd)作为阳极。典型的消费级电池的在线电压为1.2V。在工业应用中，镍镉电池因其低温性能、放电电压平坦、寿命长、维护费用低、可靠性好等优点仅次于铅酸电池。

不幸的是，镍镉电池有一个叫做“记忆效应”的主要特性，这是它们唯一的缺点。当Ni-Cd电池被部分放电然后再充电时，它们逐渐失去其容量，即一个周期一个周期。“调节”是指电池失去的容量可以恢复的过程。

在这个过程中，电池完全放电到零伏，然后完全充电。

镍金属氢化物电池

这些是相对新型的电池，是镍氢电极电池的扩展版本，专门用于航空航天应用(卫星)。正极是氢氧镍(NiOOH)，而电池的负极是一种金属合金，其中氢气是可逆存储的。

在充电时，金属合金吸收氢形成金属氢化物，放电时，金属氢化物失去氢。

镍氢电池比镍镉电池的一个主要优点是比能和能量密度更高。密封镍金属氢化物电池作为小型圆柱形电池商用，并用于便携式电子产品。

锂离子电池

锂离子电池在过去几十年里的出现是相当惊人的。超过50%的消费市场已经采用锂离子电池的使用。特别是笔记本电脑、手机、相机等是锂离子电池的最大应用领域。

锂离子电池具有显著的高能量密度、高比能和较长的循环寿命。锂离子电池的其他主要优点是自放电速率慢，工作温度范围宽。

电池的应用

在过去的几十年里，小型密封电池在消费应用中的使用呈指数级增长。小尺寸的一次电池或充电电池正在大量的电器中使用。下面将提到其中一些。

• 便携式电子设备:手表，相机，移动电话，笔记本电脑，摄像机，计算器，测试设备(万用表)。
• 娱乐:收音机，MP3播放器，CD播放机，所有红外遥控器，玩具，游戏，键盘。
• 家用:时钟，闹钟，烟雾探测器，闪光灯，UPS，应急灯，牙刷，头发修剪器和剃须刀，血压计，助听器，起搏器，便携式电动工具(钻，螺丝刀)。

如何选择电池?

为您的应用程序选择电池可以归结为两个特征:性能和成本。但如果我们挖掘得更深一点，那么以下是为您的应用程序选择正确的电池的决定性因素。

• 主要的,次要的
• 能源和电力
• 保质期
• 能源效率和充值率
• 电池寿命
• 电池温度

结论

本文简要介绍了电池、不同类型的电池、一次电池和二次电池、充电电池和不可充电电池以及每种电池的一些常见应用。