曹佳弟

“电池”广义上是泛指能产生电能的装置，涉及化学电源和物理电源两大类，而平时人们在生活中常说的“电池”则一般是指化学电源。化学电源是一种将化学能直接转化为电能的装置，化学电源由正负极、电解质、隔膜及外壳等部分组成，其外型五花八门，有扣式、平板式、圆柱形、矩形等等（见图示）。现将化学电源（电池）的分类、性能及发展概况略作介绍。

一、 化学电源（电池）分类

化学电源（电池）大致可分为原电池、蓄电池和燃料电池三类。

1、 原电池

原电池（又称一次电池），顾名思义即电池放电后不能再进行充电的一类电池，如日常生活中人们使用最普遍的干电池（锌锰干电池）。

2、 蓄电池

蓄电池（又称二次电池），即可反复多次进行充放电循环使用的一类电池，如最常见电动自行车用的电瓶（一般为铅酸蓄电池）。蓄电池的具体称谓通常是将负极置前、正极随后构成，如镉镍电池、氢镍电池、钠硫电池等等，当然也有例外，如铅酸蓄电池正负极均为同类材料，分别是铅的氧化物（PbO2）和铅（Pb），所以就称之为铅酸电池，亦可简称为铅电池。

蓄电池品种繁多，分类方式也很多，一般在教科书上最常见的方式是按电池电解质特性划分，分为酸性电池、碱性电池和固体电解质电池等。如铅酸电池电解质是硫酸溶液，归酸性电池；镉镍电池电解质是氢氧化钾溶液，归碱性电池；钠硫电池电解质是β”-Al2O3陶瓷材料，归固体电解质电池。另外，也有按电池工作温度的不同划分为常温电池、中温电池和高温电池。然而，在平时生活当中，人们一般更习惯于按电池的具体用途来进行划分，如手机电池、数码相机电池、动力电池、储能电池等等。

3、 燃料电池

燃料电池乍看与一般电池相似，也有正负极和电解质等电池主要部件，但细看发现与一般电池不同的是其正负极本身并无活性物质，负极（燃料电极）和正极（氧化剂电极）只是进行电极反应的催化转换载体。以氢氧燃料电池为例，当电池工作时，反应物燃料氢（H2）和氧化剂氧（O2）分别由外部供给进行反应，原则上只要将这些反应物氢（H2）和氧（O2）不断输入，反应产物水（H2O）不断排除，燃料电池就能源源不断地输出电来。所以，燃料电池更象是一个“发电厂”，也可以认为是一种持续的“一次电池”。

燃料电池种类也不少，按其工作温度不同，从低到高依次为常温碱性燃料电池（AFC）和质子膜燃料电池（PEMFC）；中温磷酸型燃料电池（PAFC）和熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）；以及高温固体氧化物燃料电池（SOFC）等。

二、 化学电源（电池）性能

化学电源（电池）性能通常是指电性能，其主要参数有电动势、开路电压、工作电压、内阻、容量、比能量和寿命等。

1、 电动势与开路电压

电动势与开路电压两者都定义为电池断路时（即无负荷情况下）的电压值，用伏特（V）表示，但从严格意义上讲，电动势是指电池正负两极在处于热力学平衡状态时的电极电位差，它是从对应的热力学函数计算的理论数值；而开路电压则是用高阻抗的电位差计或高精度的数字电压表对电池测量的实际数值，两者有一定差异，所以电池开路电压并不等于电动势，只能说是接近并总是小于电动势。

电动势或开路电压取决于电池正负极活性物质的电化学特性，是组成一个新电池的先天要素，其与电池本身大小无关。所以，电动势或开路电压值的高低往往是初始区分电池特性的一个基本参数。

2、 工作电压与内阻

电池工作电压（放电电压）是指电池在有电流通过外电路负载做功时克服其本身内阻压降后所显示的电压值，即电池开路电压与与其工作时内阻压降的差值，用伏特（V）表示。很明显，如电池内阻越小，则相应电池的工作电压就越大。所以，内阻是表征电池性能的一个重要参数。

3、 容量与比能量

容量系指电池放电电量，与电池本身大小有关，一般用安时（Ah）表示。比能量是指电池单位质量或单位体积所具有的电能量，用瓦时/千克（Wh/Kg）或瓦时/立方分米（Wh/dm3）表示。具体有理论比能量和实际比能量之分，理论比能量是指仅以电池参与电化学反应活性物质的量计算的数值，而实际比能量则是按照电池实际放电能量与其质量或体积之比实测的数值，由于电池放电时其内阻需消耗一定压降，再加上电池除正负极活性物质外，还有电解质、外壳等也占了一定重量和体积，所以电池实际比能量总是要远低于其理论比能量。举个例子，如铅酸电池的理论比能量约为170 Wh/Kg，而实际比能量仅为35 Wh/Kg左右。所以，比能量大小是比较电池性能差异的一个关键参数。自上世纪60-90年代以来陆续研制开发的一些新型电池由于其比能量高（大于100Wh/Kg），被称为高能电池，如钠硫电池、锂离子电池等。

4、 寿命

电池充放电循环寿命是衡量电池性能的一个主要参数。平时生活中人们总是希望电池使用寿命（充放电循环次数）能够越长越好。通常各类电池的使用寿命参差不齐，如铅酸电池使用寿命一般在200-300次左右，而一些高能电池，如钠硫电池、锂离子电池的使用寿命则可望大于1000次。另外，对同一类电池而言，其工作状态如工作温度、充放电条件、放电深度等差异也会影响电池实际寿命。一般来说，适当提高电池工作温度，在小电流、浅放电的工作条件下，将会大大有助于延长其使用寿命。

三、化学电源（电池）发展

自从法国科学家勒克朗谢（G..Lec.Lanche）和普兰特（R.G..Plante）分别于19世纪60年代先后发明制造出世界上第一个锌锰干电池和铅酸蓄电池至今，化学电源（电池）已有150年的发展历史。

一方面，大家知道化学电源（电池）在国计民生中的地位是十分显赫，上至尖端科学领域，如太空中遨游的人造卫星、宇宙飞船，下至国民经济各部门运行和普通百姓的日常生活等方方面面，试想哪一样能够离得开化学电源（电池）。人类最早发明的铅酸蓄电池和锌锰干电池，由于其价廉和实用并不断在技术上得到优化改进，至今仍在市场上占有很大的份额。近半个世纪来，随着科学技术的突飞猛进，又不断有新型化学电源崭露头角，如锂离子电池异军突起，作为电子产品的电源已广泛用于移动通讯、笔记本电脑、数码相机等；质子膜燃料电池（PEMFC）夺人眼球，作为电动汽车的动力电源已投入运行试验；钠硫电池一马当先，作为大型城市电网的储能电源系统已在开展示范运行。相信随着时间的推移，化学电源（电池）世界必将绽放出更加绚丽多姿的光彩。

另一方面，我们也不能忽视化学电源（电池）在给人类生产和生活造福的同时带来的一些负面效应，如有些电池本身的活性物质材料或使用的添加剂是对人体健康危害较大的重金属诸如铅、镉、汞等。就拿平时我们使用最普遍的干电池生产来说，曾长期以来一直是添加汞作为缓蚀剂。据资料报导，一节一号电池在使用后如随意丢弃在地里腐烂，其中的有害物质能使一平方米的土地失去使用价值；而我国干电池年产量早在1998年已达到140亿只，占当年世界产量的近一半。这就给我们敲响了警钟，如此大量使用后的废旧电池如因处置不当势必将会对环境造成严重的污染。所以，消除废旧电池污染只有靠全社会的共同努力，在平时生活中养成良好的环保意识，将使用后的废旧电池扔进专门的回收箱或交相关部门处理，这是我们每个人应尽的责任和义务。

图1 锌锰干电池　　　　　　　　　　　　  图2 锂电池

图3铅酸电池　　　　　　　　　　　　　 图4 钠硫电池