一種放電後可充電再用的化學電源,又稱二次電池。蓄電池的一次放電容量決定於電池內部所含電極活性物質的當量數和利用率;當電池放電後,可通入與放電電流方向相反的直流電(稱充電),使放電後產物回復到放電前的狀態,從而可再次放電。對多數蓄電池,這種反復充放電迴圈一般為幾百次,甚至可達幾千次。充放電迴圈次數的多少,主要決定於電極的可逆性以及隔膜和結構材料等在充放電迴圈過程中的穩定性。電極的可逆性除電化學可逆性外,還包括化學的和物理的可逆性。

  充電過程是將電能轉變成化學能(反應活性物質)的過程,因此蓄電池是一種儲能裝置。例如,通信衛星在光照軌道期間,固體結構的太陽能電池將太陽能轉換成電能,對衛星供電,同時把一部分電能儲存於蓄電池裡(充電),而當衛星處於陰影期間,蓄電池放電,將所儲存的電能供衛星使用。

  簡史 蓄電池的發展已有一百多年的歷史,1859年G.普朗忒研制出第一隻鉛酸蓄電池,1899年W.瓊格納獲得瞭堿性鎘│鎳蓄電池專利,1901年T.A.愛迪生獲得瞭鐵│鎳蓄電池專利。這三種電池迄今仍是蓄電池的主要產品。第二次世界大戰前夕,研制出實際可用的鋅│氧化銀蓄電池,其比能量比一般蓄電池高3~4倍。50年代以來,城市噪聲和環境污染引起對汽車動力電池的極大興趣,軍事上對機動性高、無熱源、無噪聲的大功率電源的要求,促進瞭各種新型高能蓄電池研究的迅速發展。據統計,目前發展中的蓄電池已有幾十個品種。

鉛酸蓄電池 中國船舶工業總公司四八二廠供稿

蓄電池在汽車上的使用情況 中國船舶工業總公司四八二廠供稿

  鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池(見上面彩圖)的正極活性物質為二氧化鉛,負極活性物質為海綿鉛,電解液為硫酸的水溶液,充放電過程的電池總反應為:

由於放電時消耗硫酸而生成水,使硫酸變稀;充電時相反,使硫酸濃度提高。因此,鉛酸蓄電池可用測比重的方法來粗略估計電池的放電程度。

  鉛酸蓄電池的主要優點是價廉,充放電循環可達300~500次以上。缺點是重量大,比能量低,每千克隻有20~30瓦·時,自放電大,不適於過放電和放電狀態下儲存。它是迄今使用最廣、產量最高的蓄電池,大量用於汽車上,甚至稱它為汽車蓄電池。在過去30年中,它的比能量提高瞭將近一倍,出現瞭新型全密封的無需維護的汽車蓄電池以及小尺寸圓形全密封防漏鉛酸蓄電池。當前研究的主要方向為提高比能量、循環壽命和使用期限,如提高活性物質利用率,降低板柵和容器重量,防止活性材料的脫落和尋找耐腐蝕正極板柵等。

  堿性蓄電池 鎘│鎳蓄電池 產量僅次於鉛酸蓄電池,負極活性物質為海綿狀鎘,正極活性物質為β-羥基氧化鎳,電解液為氫氧化鉀水溶液。充放電過程的電池總反應為:

正極反應機理比較復雜,至今還有爭論。鎳的氧化物可吸附OH-和水化,反應式並不能準確描述充放電過程中電解液濃度的變化,因此,與鉛酸電池不同,不能用堿濃度的變化來估測電池的放電程度。

  鎘│鎳蓄電池的主要優點是循環壽命長,一般可達2000~4000次循環,其中小型密封類型也在500次以上。它的使用期限長,通常達10~15年,甚至更長,是目前循環壽命和使用期最長的蓄電池品種。燒結式極板鎘│鎳蓄電池可連續大電流放電,低溫性能好(均比鉛酸蓄電池高約一倍),容易維護,耐過充電和過放電,不論在什麼放電狀態下均可長時間存放。采用過量鎘以吸收充電後期正極產生的氧氣,容易做到密封,是目前普遍采用與太陽能電池配套的通信衛星電源。小型密封圓筒式和扣式鎘│鎳蓄電池廣泛使用於要求較大電流下連續工作的便攜式電子設備。

  鎘│鎳蓄電池的缺點為價格高,需要較貴的鎳和鎘,比能量不高(每千克電池隻有30瓦·時左右)。它是非全密封電池,堿液容易吸收空氣中的二氧化碳,即使采用氣密和隔氣措施,通常2~3年就需更換堿液一次。電液爬堿現象使密封工藝要求很高。目前的研究方向是提高比能量和密封性能。

  鐵│鎳蓄電池 特性類似於鎘│鎳電池,且價格便宜,但自放電大,充電效率低。通常用於礦井和鐵路運輸。

  鋅│氧化銀蓄電池 是目前已廣泛應用的蓄電池中比功率最高的品種,每千克電池可達150~200瓦·時。電池內阻小,特別適於強電流密度放電,工作電壓平穩。缺點是價格昂貴,循環壽命短,低溫性能較差。主要用於軍事和航天工業。

  氫│金屬蓄電池 是70年代發展起來的新型全密封蓄電池,負極為雙功能氫電極。雙功能電極是一種可以進行充放電循環的多孔氣體擴散電極,充電時作為析氣電極,放電時作為多孔氣體擴散電極。正極為金屬氧化物,如β-羰基氧化鎳、氧化銀等。電解液為氫氧化鉀水溶液。外殼全密封,同時作為高壓儲氫罐,可用氫氣壓力反映電池的荷電程度。比能量可達每千克45~65瓦·時,耐過充放電,循環壽命已達1000次左右。缺點是自放電大,密封要求高。目前正處於研究中,擬發展為與固體結構的太陽能電池配套使用的衛星電源,以代替鎘│鎳蓄電池。

  高溫蓄電池 一種運行於高溫(250~600°C)下的非水溶液電解質蓄電池。非水溶液中有可能使用高活性電極材料,如鈉、鋰等。高溫下運行提高瞭電極反應速率,且電解質有高的導電率,因此高溫蓄電池的突出優點是具有高的比功率和比能量。高溫蓄電池是60年代後期應汽車動力電源和電站峰值調平儲能電池的需求而發展起來的,主要有高溫固體電解質蓄電池和熔鹽電解質蓄電池兩類。

  鈉│硫電池 是目前正在研究中的一種固體電解質蓄電池。用β-氧化鋁作電解質兼隔膜,這是一種固態的鈉離子導體,工作溫度在300~350°C時其電導率與硫酸接近;正負極活性物質分別為熔融的金屬鈉和硫;全密封。包括絕熱裝置在內的電池的比能量達每千克100~150瓦·時,放電循環可達2000次左右。由於原材料豐富,價格低廉,受到相當重視。存在的主要問題是提高固體電解質的壽命和電導;尋找耐熔融鈉,特別是耐正極生成物多硫化鈉腐蝕的電池結構材料。

  熔鹽電解質蓄電池 目前研制比較多的負極材料為鋰和鋰合金,正極材料為氯、硫、金屬硫化物等,電解質為氯化鉀-氯化鋰低共熔物。在液態熔鹽電解質中使用熔融的液態負極活性物質給電池在結構上帶來許多困難,且鋰在熔鹽中有較大的溶解度,因此,采用在工作溫度下為固態的鋰-鋁合金負極和金屬硫化物正極。這種電池的工作溫度達400°C,其比能量可達每千克150瓦·時,有希望成為未來的汽車動力電池。目前正在研究延長循環壽命和使用期限。

  展望 一種新型的嵌入過程鋰二次電池已受到人們的註意,嵌入電極材料可以是無機物或有機物,如二硫化鈦、石墨、導電高分子材料。充電過程中鋰離子可嵌入到電極材料中而不引起材料的晶格參數變化,充放電過程沒有新相的形成,故正極的可逆性較好。但如何提高鋰負極的可逆性是目前的研究課題。