电池工作原理

1、在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。

2、正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。

3、当外电路断开时，两极之间虽然有电位差（开路电压），但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。

4、当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。

简单地说，电池就是把化学能、光能、热能、核能等直接转换为电能的装置。如化学电池、太阳电池、温差电池、核电池等，其中化学电池通常简称电池。

化学电池在工作时，电池由正极经过外电路流到负极，而在电解液内，正负离子则分别向两极迁移，电流从负极流到正极，这叫做电池的放电。放电时，电池的两个电极上都有化学反应，放电过程一直进行到电路断开或者一种化学反应物质耗尽。

电池的一个重要的性能参数是其电动势，电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时电池内非静电力（化学力）所作的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池大小无关。电池放电后，由于电极上的化学反应，产生不导电的气体如氧等覆盖在电极表面上，电动势随即降低，这叫做电池的极化现象，可用去极化剂等法消除极化。

电池的另一个性能参数是它的内阻，电池的电极面积越大，内阻越小。 电池的能量储存有限，电池所能输出的总电荷量叫做它的容量，通常用安培小时作单位，它也是电池的一个性能参数。电池的容量与电极物质的数量有关，即与电极的体积有关。

实用的化学电池可以分成两个基本类型：原电池与蓄电池。

原电池制成后即可以产生电流，但在放电完毕即被废弃。蓄电池又称为二次电池，使用前须先进行充电，充电后可放电使用，放电完毕后还可以充电再用。蓄电池充电时，电能转换成化学能；放电时，化学能转换成电能。

原电池

湿电池历史上，1836年发明的丹聂耳电池和约在1865年发明的勒克朗谢电池，都是湿电池。 在丹聂耳电池中，负极是浸在硫酸锌溶液中的锌极，正极是浸在硫酸铜溶液中的铜极，两种溶液盛在同一个容器里，中间有多孔的陶器杯隔开，使两种溶液不易渗混而离子可以自由通过，在锌极处，锌原子成为锌离子进入溶液，使锌极带负电；在铜极处，溶液中的铜离子沉积到铜极上，使铜极带正电。

人们早期使用过这种装有电解液的原电池，但今天大量使用的是干电池，电解液吸收在糊状物中。它是勒克朗谢电池的改进。

干电池常用的一种是碳－锌干电池。负极是锌做的圆筒，内有氯化铵作为电解质，少量氯化锌、惰性填料及水调成的糊状电解质，正极是四周裹以掺有二氧化锰的糊状电解质的一根碳棒。电极反应是:负极处锌原子成为锌离子（Zn++），释出电子，正极处铵离子 (NH4+)得到电子而成为氨气与氢气。用二氧化锰驱除氢气以消除极化。电动势约为1.5伏。

蓄电池种类很多，共同的特点是可以经历多次充电、放电循环，反复使用。

铅蓄电池最为常用，其极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸。两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后，正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅，负极处硫酸铅转变成金属铅。放电时，则发生反方向的化学反应。

铁镍蓄电池也叫爱迪生电池。铅蓄电池是一种酸性蓄电池，与之不同，铁镍蓄电池的电解液是碱性的氢氧化钾溶液，是一种碱性蓄电池。其正极为氧化镍，负极为铁。其优点是轻便、寿命长、易保养，缺点是效率不高。

镍镉蓄电池正极为氢氧化镍，负极为镉，电解液是氢氧化钾溶液，充电、放电的化学反应是 其优点是轻便、抗震、寿命长，常用于小型电子设备。

银锌蓄电池正极为氧化银，负极为锌，电解液为氢氧化钾溶液，充电、放电的化学反应是 。 银锌蓄电池的比能量大，能大电流放电，耐震，用作宇宙航行、人造卫星、火箭等的电源。充、放电次数可达约100～150次循环。其缺点是价格昂贵，使用寿命较短。

燃料电池 一种把燃料在燃烧过程中释放的化学能直接转换成电能的装置。与蓄电池不同之处，是它可以从外部分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂而不需要充电。燃料电池由燃料（例如氢、甲烷等）、氧化剂（例如氧和空气等）、电极和电解液等四部分构成。其电极具有催化性能，且是多孔结构的，以保证较大的活性面积。工作时将燃料通入负极，氧化剂通入正极，它们各自在电极的催化下进行电化学反应以获得电能。

燃料电池把燃烧反应所放出的能量直接转变为电能，所以它的能量利用率高，约等于热机效率的2倍以上。此外它还有下述优点:①设备轻巧；②不发噪音，很少污染；③可连续运行；④单位重量输出电能高等。因此，它已在宇宙航行中得到应用，在军用与民用的各个领域中已展现广泛应用的前景。

太阳电池把太阳光的能量转换为电能的装置。当日光照射时，产生端电压，得到电流，用于人造卫星、宇宙飞船中的太阳电池是半导体制成的（常用硅光电池）。日光照射太阳电池表面时，半导体PN结的两侧形成电位差。

温差电池 两种金属接成闭合电路，并在两接头处保持不同温度时，产生电动势，即温差电动势，这叫做塞贝克效应，这种装置叫做温差电偶或热电偶。金属温差电偶产生的温差电动势较小，常用来测量温度差。但将温差电偶串联成温差电堆时，也可作为小功率的电源，这叫做温差电池。用半导体材料制成的温差电池，温差电效应较强。

核电池 把核能直接转换成电能的装置(目前的核发电装置是利用核裂变能量使蒸汽受热以推动发电机发电，还不能将核裂变过程中释放的核能直接转换成电能）。通常的核电池包括辐射β射线（高速电子流）的放射性源（例如锶-90），收集这些电子的集电器，以及电子由放射性源到集电器所通过的绝缘体三部分。放射性源一端因失去负电成为正极，集电器一端得到负电成为负极。在放射性源与集电器两端的电极之间形成电位差。这种核电池可产生高电压，但电流很小。它用于人造卫星及探测飞船中，可长期使用。