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西門子 6ES7 217-1AG40-0XB0 電池
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電池(Battery)指盛有電解質(zhì)溶液和金屬電極以產(chǎn)生電流的杯、槽或其他容器或復(fù)合容器的部分空間,能將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。具有正極、負(fù)極之分。隨著科技的進(jìn)步,電池泛指能產(chǎn)生電能的小型裝置。如太陽能電池。電池的性能參數(shù)主要有電動(dòng)勢(shì)、容量、比能量和電阻。利用電池作為能量來源,可以得到具有穩(wěn)定電壓,穩(wěn)定電流,長時(shí)間穩(wěn)定供電,受外界影響很小的電流,并且電池結(jié)構(gòu)簡單,攜帶方便,充放電操作簡便易行,不受外界氣候和溫度的影響,性能穩(wěn)定可靠,在現(xiàn)代社會(huì)生活中的各個(gè)方面發(fā)揮有很大作用。
電池的性能參數(shù)主要有電動(dòng)勢(shì)、容量、比能量和電阻。電動(dòng)勢(shì)等于單位正電荷由負(fù)極通過電池內(nèi)部移到正極時(shí),電池非靜電力(化學(xué)力)所做的功。電動(dòng)勢(shì)取決于電極材料的化學(xué)性質(zhì),與電池的大小無關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量,通常用安培小時(shí)作單位。在電池反應(yīng)中,1千克反應(yīng)物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實(shí)際比能量要比理論比能量小。因?yàn)殡姵刂械姆磻?yīng)物并不全按電池反應(yīng)進(jìn)行,同時(shí)電池內(nèi)阻也要引起電動(dòng)勢(shì)降,因此常把比能量高的電池稱做高能電池。電池的面積越大,其內(nèi)阻越小。電池的能量儲(chǔ)存有限,電池所能輸出的總電荷量叫做它的容量,通常用安培小時(shí)作單位,它也是電池的一個(gè)重要參數(shù)。原電池制成后即可以產(chǎn)生電流,但在放電完畢即被廢。
在化學(xué)電池中,化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>電能是靠電池內(nèi)部自發(fā)進(jìn)行氧化、還原等化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果,這種反應(yīng)分別在兩個(gè)電極上進(jìn)行。負(fù)極活性物質(zhì)由電位較負(fù)并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的還原劑組成,如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳?xì)浠衔锏?。正極活性物質(zhì)由電位較正并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的氧化劑組成,如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物,氧或空氣,鹵素及其鹽類,含氧酸及其鹽類等。電解質(zhì)則是具有良好離子導(dǎo)電性的材料,如酸、堿、鹽的水溶液,有機(jī)或無機(jī)非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當(dāng)外電路斷開時(shí),兩極之間雖然有電位差(開路電壓),但沒有電流,存儲(chǔ)在電池中的化學(xué)能并不轉(zhuǎn)換為電能。當(dāng)外電路閉合時(shí),在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時(shí)在電池內(nèi)部,由于電解質(zhì)中不存在自由電子,電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質(zhì)與電解質(zhì)界面的氧化或還原反應(yīng),以及反應(yīng)物和反應(yīng)產(chǎn)物的物質(zhì)遷移。電荷在電解質(zhì)中的傳遞也要由離子的遷移來完成。因此,電池內(nèi)部正常的電荷傳遞和物質(zhì)傳遞過程是保證正常輸出電能的必要條件。充電時(shí),電池內(nèi)部的傳電和傳質(zhì)過程的方向恰與放電相反;電極反應(yīng)必須是可逆的,才能保證反方向傳質(zhì)與傳電過程的正常進(jìn)行。因此,電極反應(yīng)可逆是構(gòu)成蓄電池的必要條件。G為吉布斯反應(yīng)自由能增量(焦);F為法拉第常數(shù)=96500庫=26.8安·小時(shí);n為電池反應(yīng)的當(dāng)量數(shù)。這是電池電動(dòng)勢(shì)與電池反應(yīng)之間的基本熱力學(xué)關(guān)系式,也是計(jì)算電池能量轉(zhuǎn)換效率的基本熱力學(xué)方程式。實(shí)際上,當(dāng)電流流過電極時(shí),電極電勢(shì)都要偏離熱力學(xué)平衡的電極電勢(shì),這種現(xiàn)象稱為極化。電流密度(單位電極面積上通過的電流)越大,極化越嚴(yán)重。極化現(xiàn)象是造成電池能量損失的重要原因之一。極化的原因有三:①由電池中各部分電阻造成的極化稱為歐姆極化;②由電極-電解質(zhì)界面層中電荷傳遞過程的阻滯造成的極化稱為活化極化;③由電極-電解質(zhì)界面層中傳質(zhì)過程遲緩而造成的極化稱為濃差極化。減小極化的方法是增大電極反應(yīng)面積、減小電流密度、提高反應(yīng)溫度以及改善電極表面的催化活性。
在設(shè)計(jì)規(guī)定的條件(如溫度、放電率、終止電壓等)下,電池應(yīng)能放出的容量,單位為安培小時(shí),以符號(hào)C表示。容量受放電率的影響較大,所以常在字母C的右下角以阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明放電率,如C20=50,表明在20時(shí)率下的容量為50安·小時(shí)。電池的理論容量可根據(jù)電池反應(yīng)式中電極活性物質(zhì)的用量和按法拉第定律計(jì)算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量精確求出。由于電池中可能發(fā)生的副反應(yīng)以及設(shè)計(jì)時(shí)的特殊需要,電池的實(shí)際容量往往低于理論容量。
電池在常溫下的典型工作電壓,又稱標(biāo)稱電壓。它是選用不同種類電池時(shí)的參考。電池的實(shí)際工作電壓隨不同使用條件而異。電池的開路電壓等于正、負(fù)電極的平衡電極電勢(shì)之差。它只與電極活性物質(zhì)的種類有關(guān),而與活性物質(zhì)的數(shù)量無關(guān)。電池電壓本質(zhì)上是直流電壓,但在某些特殊條件下,電極反應(yīng)所引起的金屬晶體或某些成相膜的相變會(huì)造成電壓的微小波動(dòng),這種現(xiàn)象稱為噪聲。波動(dòng)的幅度很小但頻率范圍很寬,故可與電路中自激噪聲相區(qū)別。
電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓。電池的開路電壓等于電池在斷路時(shí)(即沒有電流通過兩極時(shí))電池的正極電極電勢(shì)與負(fù)極的電極電勢(shì)之差。電池的開路電壓用V開表示,即V開=Ф+-Ф-,其中Ф+、Ф-分別為電池的正負(fù)極電極電位。電池的開路電壓,一般均小于它的電動(dòng)勢(shì)。這是因?yàn)殡姵氐膬蓸O在電解液溶液中所建立的電極電位,通常并非平衡電極電位,而是穩(wěn)定電極電位。一般可近似認(rèn)為電池的開路電壓就是電池的電動(dòng)勢(shì)。
電池的內(nèi)阻是指電流通過電池內(nèi)部時(shí)受到的阻力。它包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻,極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化內(nèi)阻和濃差極化內(nèi)阻。由于內(nèi)阻的存在,電池的工作電壓總是小于電池的電動(dòng)勢(shì)或開路電壓。電池的內(nèi)阻不是常數(shù),在充放電過程中隨時(shí)間不斷變化(逐漸變大),這是因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的組成,電解液的濃度和溫度都在不斷的改變。歐姆內(nèi)阻遵守歐姆定律,極化內(nèi)阻隨電流密度增加而增大,但不是線性關(guān)系。常隨電流密度增大而增加。內(nèi)阻是決定電池性能的一個(gè)重要指標(biāo),它直接影響電池的工作電壓,工作電流,輸出的能量和功率,對(duì)于電池來說,其內(nèi)阻越小越好。
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