電池是化學(xué)能量存儲(chǔ)設(shè)備，其基本單元是電池單元

電池第一部分——作為能量存儲(chǔ)設(shè)備

電池是提供電流的能量存儲(chǔ)設(shè)備。電氣和電子電路之所以能夠工作，是因?yàn)殡娏髟谄渲辛鲃?dòng)，正如我們之前所看到的，電流是電荷（Q）以帶負(fù)電的自由電子形式在閉合電路中的流動(dòng)。

因此，電流不過(guò)是電荷的運(yùn)動(dòng)。但為了使電流通過(guò)導(dǎo)體并在閉合電路中流動(dòng)，必須做功來(lái)推動(dòng)它，從而導(dǎo)致能量的消耗。也就是說(shuō)，電能是與帶電電子流動(dòng)相關(guān)的能量，這些電子能夠通過(guò)吸引或排斥其他電荷來(lái)做某種形式的功。

電荷做功的能力稱為其電勢(shì)，所有電荷的電勢(shì)差之和被稱為電動(dòng)勢(shì)（emf）。由于電子的運(yùn)動(dòng)或流動(dòng)被稱為電流。

為了產(chǎn)生電流，電子必須通過(guò)電勢(shì)差被移動(dòng)或被迫移動(dòng)。電勢(shì)差的基本單位是伏特（V），表示推動(dòng)電子移動(dòng)的做功能力。我們可以通過(guò)三種基本方式產(chǎn)生電壓以在電路中移動(dòng)電能：

1. 電磁感應(yīng)：通過(guò)使用發(fā)電機(jī)、交流發(fā)電機(jī)或直流發(fā)電機(jī)

2. 化學(xué)能：使用電池或燃料電池

3. 光伏發(fā)電：通過(guò)光伏太陽(yáng)能電池產(chǎn)生

電池是化學(xué)能量存儲(chǔ)設(shè)備

電池是電化學(xué)設(shè)備，通過(guò)將存儲(chǔ)在其中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能來(lái)工作。雖然“電池”一詞被廣泛使用，但電池的基本電化學(xué)單元是電池單元。

電池通常由兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的電池單元通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或兩者的組合連接在一起，以提供所需的輸出電壓和容量。例如，3伏特225毫安時(shí)（mAh）、9伏特1600毫安時(shí)或12伏特40安時(shí)（Ah）等。

單個(gè)電池單元由三個(gè)主要部分組成：1. 正極或正電極，2. 負(fù)極或負(fù)電極，3. 電解質(zhì)溶液，用于提供陽(yáng)極和陰極之間電荷轉(zhuǎn)移的介質(zhì)。這兩個(gè)電極（有時(shí)稱為“極”）總是由不同的金屬制成，電解質(zhì)溶液通常是含有離子的液體或凝膠。

電池單元符號(hào)

電池單元符號(hào)

請(qǐng)注意，較長(zhǎng)的上線始終代表電池或電池單元的正極或正電極，因?yàn)樗梢苑殖蓛砂氩⑿纬梢粋€(gè)加號(hào)（+）。較短的線始終代表負(fù)號(hào)（-），因?yàn)樗^短。因此，在原理圖上并不總是需要標(biāo)注加號(hào)（+）和負(fù)號(hào)（-）。

當(dāng)電池單元的端子（即其電極）連接到外部電路時(shí)，會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從負(fù)電極釋放電子。這些電子通過(guò)外部電路流回正電極。電解質(zhì)溶液允許離子在電極之間流動(dòng)，從而平衡電荷并保持電流流動(dòng)。

當(dāng)電池單元內(nèi)部的所有化學(xué)反應(yīng)通過(guò)使用耗盡時(shí)，電流停止流動(dòng)。此時(shí)，電池單元被稱為完全放電。換句話說(shuō)，電池單元“耗盡”了自由電子。

電池單元內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)因電池的化學(xué)結(jié)構(gòu)和類型而異。電池通常分為原電池和二次電池。

原電池是典型的日常不可充電電池。也就是說(shuō)，當(dāng)它們耗盡（放電）時(shí)，它們會(huì)被丟棄和回收。另一方面，二次電池，也稱為可充電電池或儲(chǔ)能電池，可以通過(guò)以與放電電流相反的方向通過(guò)電流多次充電。這會(huì)逆轉(zhuǎn)化學(xué)反應(yīng)并將電池恢復(fù)到其原始狀態(tài)。

二次儲(chǔ)能電池現(xiàn)在通常用于車輛、手機(jī)、筆記本電腦和便攜式設(shè)備，以及存儲(chǔ)太陽(yáng)能發(fā)電以供夜間使用。

常見(jiàn)的原電池類型和電壓：

- 鋅碳電池：1.5伏特

- 堿性電池：1.5伏特

- 鋰離子電池（Li-ion）：1.8至3.65伏特

- 氧化汞電池：1.35至1.4伏特

二次電池類型和電壓：

- 鉛酸電池（LA）：2.1伏特

- 鎳鎘電池（NiCd）：1.2伏特

- 銀鋅電池：1.5伏特

我們可以看到，根據(jù)電池構(gòu)造中使用的化學(xué)材料類型，單個(gè)充滿電的電池單元在向外部負(fù)載供電時(shí)，正負(fù)電極之間的電勢(shì)差大約為1.5伏特。因此，為了獲得更高的電壓，我們必須將兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的電池單元連接在一起，形成一個(gè)電池組或簡(jiǎn)稱為電池。

因此，“電池”不過(guò)是兩個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的電化學(xué)電池的組合，用于表示電池的示意圖符號(hào)顯示為多個(gè)單獨(dú)的電池單元符號(hào)串聯(lián)在一起，如圖所示。

標(biāo)準(zhǔn)電池符號(hào)

電池符號(hào)

如前所述，任何特定類型的電池單元（無(wú)論是原電池還是二次電池）產(chǎn)生的電壓由電池單元本身的化學(xué)組成決定，為了獲得比單個(gè)電池單元輸出更高的電壓，我們必須將多個(gè)電池單元連接在一起。

因此，電池的端電壓將是所有電池單元電壓的總和。因此，如果我們有六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的鋅碳電池單元，標(biāo)稱電壓輸出將為：6 x 1.5 = 9.0伏特，如圖所示。

電池組

電池是電池組的組合

顯然，如果我們有“n”個(gè)電池單元連接在一起，電池輸出端子上的電勢(shì)差將是每個(gè)單個(gè)電池單元電勢(shì)差的“n”倍。請(qǐng)注意，必須使用相同類型的電池單元，我們不能混合不同類型的電池單元來(lái)形成電池。

同樣的想法也適用于連接電池。例如，如果我們將三個(gè)9V PP3堿性電池串聯(lián)在一起，這將產(chǎn)生：3 x 9 = 27.0伏特的電源。

電池單元極性

電池單元極性是指電池單元上正極（+）和負(fù)極（-）的方向。大多數(shù)電池單元都有清晰的標(biāo)記指示其極性。在上面的電池單元符號(hào)中，較長(zhǎng)的水平線代表正電極，較短的水平線代表負(fù)電極。因此，在連接電池單元時(shí)，理解電池極性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼪Q定了電流流動(dòng)的方向。

電路中的常規(guī)電流流動(dòng)

常規(guī)電流流動(dòng)電路

假設(shè)“常規(guī)電流流動(dòng)”，電池單元的正極是電流流出的地方，并流入另一個(gè)電池單元或連接的設(shè)備。它通常標(biāo)有加號(hào)（+）。在圓柱形電池（如AA、AAA等）中，正極通常是凸起的一端。負(fù)極是電流從外部電路進(jìn)入電池的地方。它標(biāo)有減號(hào)（-）或與正極相比更平坦。

實(shí)際上，常規(guī)電流流動(dòng)是正電荷（空穴）在電路中從正極到負(fù)極的流動(dòng)。因此，常規(guī)電流流動(dòng)假設(shè)電流從正極流向負(fù)極，并且在所有電路圖和示意圖中，二極管和晶體管等元件符號(hào)上的箭頭指向常規(guī)電流流動(dòng)的方向。

電路中的電子流動(dòng)

電子流動(dòng)電路

電子在電路中的實(shí)際流動(dòng)方向與常規(guī)電流流動(dòng)方向相反，從電池單元的負(fù)電極（陰極）返回電池單元的正電極（陽(yáng)極）。

也就是說(shuō)，由于負(fù)電極上帶負(fù)電的電子之間的排斥力和正電極上空穴的吸引力，電子從負(fù)極移動(dòng)到正極。這種從負(fù)極到正極的實(shí)際電子運(yùn)動(dòng)通常被稱為“電子流動(dòng)”。

需要注意的是，雖然電子流動(dòng)的方向是從負(fù)極到正極，但電流（由常規(guī)電流流動(dòng)表示）從正電極移動(dòng)到負(fù)電極。也就是說(shuō)，從正極到負(fù)極，用于電路圖和電氣計(jì)算中，以保持一致性并便于理解。

然而，許多教科書(shū)同時(shí)使用常規(guī)電流流動(dòng)和電子流動(dòng)。事實(shí)上，只要方向一致，電流在電路中流動(dòng)的方向并不重要。電流流動(dòng)的方向不會(huì)影響電流在電路中的作用。通常，理解常規(guī)電流流動(dòng)——從正極到負(fù)極——要容易得多。

電池的安時(shí)容量評(píng)級(jí)

電池內(nèi)部可以存儲(chǔ)的能量量稱為其容量。電池或電池單元以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)電荷，然后將其轉(zhuǎn)化為電能以供特定時(shí)間使用。因此，在電池的能量?jī)?chǔ)備耗盡之前，必須有一定數(shù)量的化學(xué)反應(yīng)來(lái)推動(dòng)電流通過(guò)電路。

因此，我們可以根據(jù)電池可以產(chǎn)生的電子總數(shù)來(lái)衡量電池的容量，但這將是一個(gè)巨大的數(shù)字，因?yàn)閹?kù)侖（C）的單位等于6.25 x 10^18個(gè)電子。一般來(lái)說(shuō)，電池單元越大，它可以提供的電能越多，可用能量的量就是電池單元或電池的容量，通常以安時(shí)（Ah）表示。

儲(chǔ)能電池的容量Q（以安時(shí)為單位）是電池可以供應(yīng)或存儲(chǔ)的電荷量。其安時(shí)容量是電流強(qiáng)度i（以安培為單位）與給定時(shí)間t（以秒為單位）的乘積。即：Q = i x t。因此，如果t以小時(shí)為單位，Q以安時(shí)（Ah）為單位，因?yàn)?安時(shí)= 3600庫(kù)侖，因?yàn)?安培= 1庫(kù)侖電子/秒，1小時(shí)= 3600秒。

因此，電池的安時(shí)評(píng)級(jí)基本上是電池（或電池單元）可以供應(yīng)一定電流的小時(shí)數(shù)，容量為10安時(shí)的電池應(yīng)該能夠在完全放電前以全電壓向連接的負(fù)載供應(yīng)10安培的電流整整1小時(shí)。因此，我們的10安時(shí)電池將供應(yīng)20安培1/2小時(shí)，或5安培2小時(shí)，因?yàn)? x 2 = 10。

電池作為能量存儲(chǔ)設(shè)備示例No1

1). 一個(gè)電池需要連續(xù)供應(yīng)500mA（0.5A）3天。電池的安時(shí)評(píng)級(jí)是多少。2). 第二個(gè)電池的容量為100 Ah。它可以連續(xù)供應(yīng)2.5安培多少小時(shí)。

1. 3天= 3 x 24小時(shí)= 72小時(shí)

Ah = I x hr = 0.5 x 72 = 36 Ah

2. 時(shí)間，t以小時(shí)為單位

t = Ah ÷ I = 100 ÷ 2.5 = 40小時(shí)

顯然，電池（或電池單元）的容量（以Ah為單位）取決于物理尺寸和放電速率，因?yàn)殡姵仉娊赓|(zhì)內(nèi)部由1安培10小時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)與2安培5小時(shí)甚至20安培1/2小時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)不同。還要注意，較小的容量值以毫安時(shí)（通?？s寫(xiě)為mAh）為單位，也用于較小的電池。

不同電池尺寸

不同類型的電池

電池根據(jù)其安時(shí)容量有不同的物理尺寸。每種電池尺寸由特定的標(biāo)準(zhǔn)尺寸字母代碼指定，例如：

- AAA（三A）電池（1.5V）

- AA（雙A）電池（1.5V）

- C電池（1.5V）

- D電池（1.5V）

- 燈籠電池（6V）

- PP3電池（9V）

- CR2032紐扣電池（3V）

- CR2025紐扣電池（3V）

這些尺寸是標(biāo)準(zhǔn)化的，以確保不同設(shè)備之間的兼容性。不同的應(yīng)用，從微型助聽(tīng)器到大型手電筒，需要不同的電池尺寸以提供適當(dāng)?shù)碾娏Α?/p>

電池作為能量存儲(chǔ)設(shè)備總結(jié)

電池基本上是一組連接在一起的電池單元，在需要時(shí)產(chǎn)生方便可靠的直流電能來(lái)源。它們用于各種設(shè)備，因?yàn)殡姵匾子诶斫狻r(jià)格低廉、重量合理輕便，并且有各種不同的電壓和電流容量配置，適用于各種不同的應(yīng)用。

儲(chǔ)能電池有許多電氣評(píng)級(jí)和規(guī)格，但最重要的兩個(gè)電池規(guī)格是其端電壓和安時(shí)電流容量評(píng)級(jí)。單個(gè)電池單元產(chǎn)生的電壓量由其制造材料決定。

電池可以存儲(chǔ)的能量量稱為其容量，電池單元可以提供的功率量稱為其電流容量。電池的容量取決于電池單元的物理尺寸、使用的電池單元類型以及電流放電速率、端電壓和涉及的時(shí)間長(zhǎng)度。

電池單元分為原電池和二次電池。原電池是不能充電的電池，一旦放電就應(yīng)該更換新電池，因?yàn)樵姵氐幕瘜W(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致其中一個(gè)電極在產(chǎn)生電能時(shí)被侵蝕。

另一方面，二次電池可以在其存儲(chǔ)的能量耗盡后通過(guò)逆轉(zhuǎn)放電周期中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)來(lái)充電。這是通過(guò)將直流電源連接到電池單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的。