2.5.1 电池
1.一般描述
一般来说，电池是最普通的直流电源。电池（派生于battery battery意为一些为同一目的或同时使用的东西。——译者注 of cells）是一个或更多个单元电池（cell）的组合，单元电池是电能的基本单元，它靠化学反应或太阳能转换来产生电能。根据其原理，电池可以分成一次电池和二次电池两种类型。二次电池是可充电的电池，而一次电池则不能被充电。这就是说，二次电池的化学反应是可逆的，充电时它能将电能转化成化学能存储起来。两种最普通的充电电池是铅酸电池（常用在汽车中）和镍氢电池（常用在计算器、闪光灯、电动工具、剃须刀等便携式消费电子产品中）。充电电池的明显优点是节省时间和费用，因为不像使用一次电池那样频繁地更换用尽了的电池。
本章所介绍的所有电池（太阳电池除外，它吸收以光子形式入射的太阳能）都是以消耗化学能为代价来建立电压的。此外，每个电池都有正极和负极。借助电介质在两个电极之间通过电池内部构成电流的通路。电介质既有接通电路的作用，同时又是离子的来源，这些离子传递着来自外部端子的电荷。
2.一次电池（非充电电池）
通常使用的碱性一次电池用锌粉做阳极，用氢氧化钾（碱性金属）做电介质，用二氧化锰或碳做阴极，如图2.12a所示。在图2.12b中，每一个柱形（AAA、AA、C和D型）电池的端电压都相同，但它们的额定容量（用安时数表示，单位为安时，符号A·h）要随着
图2.12 碱性一次电池（Eveready Bettery公司所有，圣路易斯密苏里州）
体积的增加而增加。安时（A·h）值代表了电池在规定时间内能够提供电流的量值（2.6节将对此做详细讨论）。特别地，对大得像灯笼一样的电池，其电压也只是AAA型电池的4倍，但52A·h的容量几乎是AAA型电池的42倍。
广泛使用的另外一种一次电池是锂电池，如图2.13所示。每一个电池的电压都是相同的，但随着容量和标准输出电流的增加，体积将明显地增加。这种电池特别适合在低温场合下使用。
一般地，对同一类型的电池，它的体积是由标准输出电流或容量决定的，不是由端电压决定的。
3.二次电池（可充电电池）
（1） 铅酸电池
这种电池广泛用在汽车中，提供12V电压，如图2.14所示。它含有硫酸电介质、海绵状铅电极（Pb）和过氧化铅电极（PbO2）。当负载接在电池端子上时，电子就通过负载从海绵状铅电极向过氧化铅电极运动，直到电极完全放电。放电时间取决于硫酸浓度的下降情况和每个极板上所覆盖的硫酸铅数量。电池的好坏可以用液体比重计通过测量电解液的比重来测量。物质的比重（也称相对密度）定义为：物体给定体积的重量与4℃时等体积的纯水的重量之比。对于完全充电的电池，它的比重应该介于1.28～1.30之间。当比重下降到大约1.1时，应该对电池及时充电。
因为铅酸蓄电池是二次电池，所以可以在放电的任何阶段对其充电，这只需在外部端子上接入直流电源，但电源的电流应从正极流入电池，与接负载时的电流方向刚好相反。充电时能从电极上清除覆盖的硫酸铅，并增加硫酸的浓度。
铅酸蓄电池被广泛用于汽车中，由6个单元电池串联组成，每个单元电池的输出电压大约为2.1V，共计输出12.6V的电压，如图2.14所示。一般说来，铅酸蓄电池被用在需要短时间提供大电流的场合。放电中产生的气体可能会逃逸。借助通气阀可以补充缺少的电介质或水，还能通过液体比重计检测硫酸的含量，以确认电池的剩余容量。使用锻造的铅钙合金栅格，可以使电池免于上述维护，如图2.14所示。对于铅锑合金栅格，存在易于被腐蚀、过度充电、产生气体、需要注水、自放电等缺点。采用铅钙栅格的改进设计已经充分消除或实质性地减少了这些负面问题。
随着许多新技术的采用，铅酸电池的体积和重量在最近这些年得到了显著减小。目前，它在汽车和各种机电设备上的应用明显多于其他电池。然而，这种应用已悄悄地发生了变化。出现了镍氢电池和锂离子电池，这两种电池的储能密度与输出功率都比铅酸电池来得优越，下面介绍这两种电池。
（2） 金属镍氢化物电池
最近几年，金属镍氢化物可充电电池引起了人们的广泛兴趣，并得到了长足发展。2008年，丰田公司声称，在丰田普锐斯汽车和另外两款混合动力汽车上使用了镍氢电池而不是铅酸电池。对于闪光灯、剃须刀、便携电视、钻孔机等电子或机电装置，通常都选择镍氢电池作为电源，如图2.15所示。这些电池制造得如此之好，以至于可以充电/放电1000次以上，能够连续使用若干年。
在给用电器选用电池时需注意，如果一个用电器需要可充电电池例如镍氢电池来供电，那么就不应该选用一次电池。因为这种用电器内部带有充电电路，一次电池可能损坏充电电路。此外，镍氢电池每节电压大约是1.2V，而常用的一次电池每节电压是1.5V，电压超出镍氢电池较多。
关于二次电池还存在一些含糊不清的问题，例如需要多久给二次电池充电？一般说来，二次电池一直可以用到电能偏低时再给其充电，例如闪光灯变暗，钻孔机动力不足，或者电池指示器发出电能低弱信号。请记住，二次电池确实有记忆性。如果短暂使用之后便对其充电，电池可能会以为用电器是个短期用电设备，也就不把电荷保持至更长的时间 这是形象的比喻，不是实际原理。——译者注。在任何情况下都要尽力避免“硬”放电（即短路式放电），太多的硬放电次数将缩短电池的使用寿命。最后，还应意识到，镍镉电池的充电方法与铅酸电池的充电方法是相当不同的。镍镉电池以恒定电流方式充电，在整个充电过程中，端电压相当稳定。而铅酸电池是以恒定电压方式充电，充电电流随着电池状态的变化而变化。镍氢电池的容量几乎随着充电时间的增加而线性增加。镍镉电池在充电时温度会升高，电池容量越低，升温越明显，当充电使电池容量渐渐接近额定值时，电池温度便渐渐接近室温。
（3） 锂电池
最近这些年，研究最多和发展最快的电池是锂电池，它比铅酸电池或镍氢电池能量密度更大。一旦找到安全有效的生产和使用方式，以及合理的销售价格，它将取代其他电池。目前，这种电池主要还是用在计算机、消费电子、电动工具等小功率产品上。在占领汽车电池市场之前有一条途径可走，例如通用汽车公司生产了一种内置混合动力的概念车即雪佛兰沃蓝达，该车就使用了锂电池，但在它起动汽油引擎之前只能行驶大约40英里。而带有超过6800块锂电池的圆滑特斯拉跑车，能够行驶大约250英里。但是，它所携带的电池费用太贵，价值在10000～15000美元。另一个问题就是寿命。电池一旦制造完毕，就会慢慢老化直至废弃，就像用尽的原电池被废弃一样，所以寿命是必须关注的。人们可能还记得，2006年索尼公司笔记本电脑燃烧起火的事，为此索尼公司召回了6百万台计算机。问题就出在锂电池上，原因是过热，使得内部压力过大，结果导致电池爆炸。这是由于在电介质中含有较多的杂质，妨碍了锂离子的运动。自此事件之后，这个问题得到了很好的解决。目前，笔记本电脑几乎都在使用锂电池。
工业界已经意识到这种电池的巨大潜力，正投入大量经费以研究容量非凡的电池。纳米技术和微结构技术的最新应用已经有效地改进了这种电池的性能。