化學電源—絢麗多彩的電池世界

曹佳弟

「電池」廣義上是泛指能產生電能的裝置，涉及化學電源和物理電源兩大類，而平時人們在生活中常說的「電池」則一般是指化學電源。化學電源是一種將化學能直接轉化為電能的裝置，化學電源由正負極、電解質、隔膜及外殼等部分組成，其外型五花八門，有扣式、平板式、圓柱形、矩形等等（見圖示）。現將化學電源（電池）的分類、性能及發展概況略作介紹。

一、 化學電源（電池）分類

化學電源（電池）大致可分為原電池、蓄電池和燃料電池三類。

1、 原電池

原電池（又稱一次電池），顧名思義即電池放電後不能再進行充電的一類電池，如日常生活中人們使用最普遍的乾電池（鋅錳乾電池）。

2、 蓄電池

蓄電池（又稱二次電池），即可反覆多次進行充放電循環使用的一類電池，如最常見電動自行車用的電瓶（一般為鉛酸蓄電池）。蓄電池的具體稱謂通常是將負極置前、正極隨後構成，如鎘鎳電池、氫鎳電池、鈉硫電池等等，當然也有例外，如鉛酸蓄電池正負極均為同類材料，分別是鉛的氧化物（PbO2）和鉛（Pb），所以就稱之為鉛酸電池，亦可簡稱為鉛電池。

蓄電池品種繁多，分類方式也很多，一般在教科書上最常見的方式是按電池電解質特性劃分，分為酸性電池、鹼性電池和固體電解質電池等。如鉛酸電池電解質是硫酸溶液，歸酸性電池；鎘鎳電池電解質是氫氧化鉀溶液，歸鹼性電池；鈉硫電池電解質是β」-Al2O3陶瓷材料，歸固體電解質電池。另外，也有按電池工作溫度的不同劃分為常溫電池、中溫電池和高溫電池。然而，在平時生活當中，人們一般更習慣於按電池的具體用途來進行劃分，如手機電池、數位相機電池、動力電池、儲能電池等等。

3、 燃料電池

燃料電池乍看與一般電池相似，也有正負極和電解質等電池主要部件，但細看發現與一般電池不同的是其正負極本身並無活性物質，負極（燃料電極）和正極（氧化劑電極）只是進行電極反應的催化轉換載體。以氫氧燃料電池為例，當電池工作時，反應物燃料氫（H2）和氧化劑氧（O2）分別由外部供給進行反應，原則上只要將這些反應物氫（H2）和氧（O2）不斷輸入，反應產物水（H2O）不斷排除，燃料電池就能源源不斷地輸出電來。所以，燃料電池更象是一個「發電廠」，也可以認為是一種持續的「一次電池」。

燃料電池種類也不少，按其工作溫度不同，從低到高依次為常溫鹼性燃料電池（AFC）和質子膜燃料電池（PEMFC）；中溫磷酸型燃料電池（PAFC）和熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）；以及高溫固體氧化物燃料電池（SOFC）等。

二、 化學電源（電池）性能

化學電源（電池）性能通常是指電性能，其主要參數有電動勢、開路電壓、工作電壓、內阻、容量、比能量和壽命等。

1、 電動勢與開路電壓

電動勢與開路電壓兩者都定義為電池斷路時（即無負荷情況下）的電壓值，用伏特（V）表示，但從嚴格意義上講，電動勢是指電池正負兩極在處於熱力學平衡狀態時的電極電位差，它是從對應的熱力學函數計算的理論數值；而開路電壓則是用高阻抗的電位差計或高精度的數字電壓表對電池測量的實際數值，兩者有一定差異，所以電池開路電壓並不等於電動勢，只能說是接近並總是小於電動勢。

電動勢或開路電壓取決於電池正負極活性物質的電化學特性，是組成一個新電池的先天要素，其與電池本身大小無關。所以，電動勢或開路電壓值的高低往往是初始區分電池特性的一個基本參數。

2、 工作電壓與內阻

電池工作電壓（放電電壓）是指電池在有電流通過外電路負載做功時克服其本身內阻壓降後所顯示的電壓值，即電池開路電壓與與其工作時內阻壓降的差值，用伏特（V）表示。很明顯，如電池內阻越小，則相應電池的工作電壓就越大。所以，內阻是表徵電池性能的一個重要參數。

3、 容量與比能量

容量係指電池放電電量，與電池本身大小有關，一般用安時（Ah）表示。比能量是指電池單位質量或單位體積所具有的電能量，用瓦時/千克（Wh/Kg）或瓦時/立方分米（Wh/dm3）表示。具體有理論比能量和實際比能量之分，理論比能量是指僅以電池參與電化學反應活性物質的量計算的數值，而實際比能量則是按照電池實際放電能量與其質量或體積之比實測的數值，由於電池放電時其內阻需消耗一定壓降，再加上電池除正負極活性物質外，還有電解質、外殼等也佔了一定重量和體積，所以電池實際比能量總是要遠低於其理論比能量。舉個例子，如鉛酸電池的理論比能量約為170 Wh/Kg，而實際比能量僅為35 Wh/Kg左右。所以，比能量大小是比較電池性能差異的一個關鍵參數。自上世紀60-90年代以來陸續研製開發的一些新型電池由於其比能量高（大於100Wh/Kg），被稱為高能電池，如鈉硫電池、鋰離子電池等。

4、 壽命

電池充放電循環壽命是衡量電池性能的一個主要參數。平時生活中人們總是希望電池使用壽命（充放電循環次數）能夠越長越好。通常各類電池的使用壽命參差不齊，如鉛酸電池使用壽命一般在200-300次左右，而一些高能電池，如鈉硫電池、鋰離子電池的使用壽命則可望大於1000次。另外，對同一類電池而言，其工作狀態如工作溫度、充放電條件、放電深度等差異也會影響電池實際壽命。一般來說，適當提高電池工作溫度，在小電流、淺放電的工作條件下，將會大大有助於延長其使用壽命。

三、化學電源（電池）發展

自從法國科學家勒克朗謝（G..Lec.Lanche）和普蘭特（R.G..Plante）分別於19世紀60年代先後發明製造出世界上第一個鋅錳乾電池和鉛酸蓄電池至今，化學電源（電池）已有150年的發展歷史。

一方面，大家知道化學電源（電池）在國計民生中的地位是十分顯赫，上至尖端科學領域，如太空中遨遊的人造衛星、宇宙飛船，下至國民經濟各部門運行和普通百姓的日常生活等方方面面，試想哪一樣能夠離得開化學電源（電池）。人類最早發明的鉛酸蓄電池和鋅錳乾電池，由於其價廉和實用並不斷在技術上得到優化改進，至今仍在市場上佔有很大的份額。近半個世紀來，隨著科學技術的突飛猛進，又不斷有新型化學電源嶄露頭角，如鋰離子電池異軍突起，作為電子產品的電源已廣泛用於移動通訊、筆記本電腦、數位相機等；質子膜燃料電池（PEMFC）奪人眼球，作為電動汽車的動力電源已投入運行試驗；鈉硫電池一馬當先，作為大型城市電網的儲能電源系統已在開展示範運行。相信隨著時間的推移，化學電源（電池）世界必將綻放出更加絢麗多姿的光彩。

另一方面，我們也不能忽視化學電源（電池）在給人類生產和生活造福的同時帶來的一些負面效應，如有些電池本身的活性物質材料或使用的添加劑是對人體健康危害較大的重金屬諸如鉛、鎘、汞等。就拿平時我們使用最普遍的乾電池生產來說，曾長期以來一直是添加汞作為緩蝕劑。據資料報導，一節一號電池在使用後如隨意丟棄在地裡腐爛，其中的有害物質能使一平方米的土地失去使用價值；而我國乾電池年產量早在1998年已達到140億隻，佔當年世界產量的近一半。這就給我們敲響了警鐘，如此大量使用後的廢舊電池如因處置不當勢必將會對環境造成嚴重的汙染。所以，消除廢舊電池汙染只有靠全社會的共同努力，在平時生活中養成良好的環保意識，將使用後的廢舊電池扔進專門的回收箱或交相關部門處理，這是我們每個人應盡的責任和義務。

圖1 鋅錳乾電池　　　　　　　　　　　　  圖2 鋰電池

 

圖3鉛酸電池　　　　　　　　　　　　　 圖4 鈉硫電池