Tuesday, December 8, 2015

電池 精益求精

生活中的電池

日常用品中,計算機與掌上型遊樂器及小家電如隨身聽等,以及各類電器用品的遙控器,使它們運作的最重要配備就是電池,尤其目前普遍使用的筆記型電腦與大哥大手機,要是少了電池就不方便使用。

由於科技的進步,電池品質大幅提升,種類也日新月異、不勝枚舉。茲將幾種生活中常用的電池介紹如下。

一、乾電池

乾電池是由法國化學家勒克朗舍(George Leclanche',1839 ~ 1882)於1865年所發明,現代的乾電池是將其改良而來。現代乾電池是以鋅的筒狀外殼作為負極反應物,二氧化錳為正極反應物,以碳棒為正極導出電流,同時在筒內還配有糊狀的氯化銨電解液,這種裝置就是「碳鋅電池」( 動畫1)。

碳鋅電池的電壓為1.5V,使用一段時間後,電壓會逐漸降低,終至無法使用;若儲放的時間太久而不用,亦會發生鋅殼腐蝕、電解液中的水分蒸發而變質,甚至電解液溢漏等情形。使用電池應注意認清電池型號、正負方向,檢查是否有漏液,電器若長時間不用時,須取出電池並置於乾燥處,不可充電,以免產生氣體爆裂碳鋅電池發展最早,因價格便宜且製造容易,目前仍是產量高、用途廣的一種電池。但受限於其功率較小的缺點,使得碳鋅電池不適用於大電流的放電,在放電過程中也有電壓不穩的現象。

二、鹼性電池

鹼性電池就是使用鹼性電解液的電池,該電池以二氧化錳為正極反應物,金屬外殼為正極導出電流,鋅粉為負極反應物,鍍鎳合金棒為負極導入電流,氫氧化鉀水溶液為電解液,其標準電壓為1.54V,可說是生活中很常用的電池,市面上所販售的電池有多數屬於此類。

與乾電池相比,鹼性電池在較大電流時仍可維持穩定的電壓,且在低溫下仍能使用(-20~54℃之間皆可使用),壽命較長,但其價格也較碳鋅電池高,鹼性電池在許多用途上已逐漸取代了乾電池。

三、鉛蓄電池

鉛蓄電池又稱電瓶,由三槽組成一6V電池,各槽中以鉛為負極、二氧化鉛為正極,硫酸溶液為電解液。常溫下每槽能提供2.0V的穩定電壓,串聯後三槽為6V。鉛蓄電池可再充電,有良好的循環壽命,使得此種電池的產量與產值在電池生產中具有相當重要的地位。其應用於汽機車領域為主、或用於不斷電系統 (Uninterruptible Power Supply,UPS)、無線電機、通信電機,以及工業用電機設備…等,也使用於電廠中作為緊急備用電源。

動畫2 鉛蓄電池(Lead accumulator)放電反應:

陽極(-):Pb(s)+HSO4-→PbSO4+H++2e-

陰極(+):PbO2+3H++HSO4-+2e-→ PbSO4+2H2O

淨反應:Pb+PbO+2H2SO4 → 2PbSO4+2H2O

鉛蓄電池使用一段時間後,供電能力會降低,必須充電使其回復原來的狀態。充電時,鉛蓄電池的負極接充電器的負極,正極接充電器的正極,反應為放電過程的逆反應,使內部的物質回復成未放電前的狀態。鉛蓄電池在充、放電時發生下列總反應:

放電︰PbO2 + 2 H2 SO4 + Pb → 2 PbSO4 + 2 H2 O

充電︰2 PbSO4 + 2 H2 O→PbO2 + 2 H2 SO4 + Pb

四、鋰離子電池

鋰離子電池(圖3)正極為鋰金屬氧化物,負極為碳。鋰電池的優點在於重量輕,並且具有較大的電池電壓,以鋰化合物為電極可以提供高電壓與高電量,但若直接使用鋰金屬,則有爆炸之虞,因此改用鋰離子較為安全,目前大部分鋰電池均屬於此類。

圖3 鋰離子電池

鋰離子電池的電壓可達3.6V,其供電時間長,且自我放電性低,具有可充電循環再使用、壽命長與較無記憶效應的特性,目前廣泛用於手機、數位照相機。

※重點整理
種類電壓(V)正極負極電解液用途可否充電
乾電池1.5碳棒氯化銨、氯化鋅、二氧化錳照明及一般用途
鹼性電池1.54二氧化錳二氧化錳、氫氧化鉀照明及一般用途
鉛蓄電池6~24二氧化鉛硫酸汽機車
鋰離子電池
3.6
鋰金屬氧化物
 手機、數位照相機

Reference:

http://pei.cjjh.tc.edu.tw/~pei/electricsafety/battery_elaborate.htm

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