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碳鋅電池

鹼性電池

汞電池

鋅一氧化汞(Zinc-mercuricoxide)電池所能產生的化學能，高於碳鋅及鹼性電池。大約80%--90% 的活性電化學材料， 被用於所謂的汞電池。

汞電池，其陽極(負極)是鋅一汞合金，而陰極是氧化汞，亦是去極劑。其電解液用氫氧化鉀。 汞電池在有負載的情況下，尚能維持平穩的放電特性及高於所需的正常電壓，此乃其特性之一。 不管所需電流的大小，汞電池均能保持相對穩定的安培一小時容量。汞電池放在電池架上， 如不使用，幾乎不會漏電;在高溫度環境中，亦能保持其良好的特性;而且對於震動和加速度的使用情況，亦有良好的抵抗性。 汞電池的極性與碳鋅、鹼性電池相反，其已被廣泛地用於照相機、助聽器、儀器和通訊器材。

汞電池主要的型式有兩種:圓筒型和鈕扣型電池。

1.35伏特(1.35V)的汞電 池能提供高穩定度的電壓 它能提供固定的工作電壓，直到幾乎放完電為止。1.35V汞電池乃工業用電池，它使用於 儀器，亦可用於科學和醫學。 這些電池的電壓，常被當作第二標準電壓。1.35V的汞電池含有純氧化汞去極劑。

1.40V的汞電池，乃一般用途 的電池;它們的去極劑是氧化汞和二氧化錳的混合物。 在額定的工作電流(約為最大承受電流的一半)情況下，典型的汞電池向能量密度範圍45-50Whr/lb(瓦，小時/磅)。 對於l號電池一D size (重量約6盎斯)，其額定電流約250mA;而3號電池一A size(約1.4盎斯)，其額定電流為80mA。

在低溫的工作環境中，大多數的汞電池，其功能受到損失。如溫度在40"F時，會嚴重的損失汞電池的容量，而且如溫度更低 的話，則汞電池的功能幾乎儘失，除非使用的電流非常小。

汞電池的第二型是鎘一氧化汞(Cadmium-mercuric Oxide)系統，此型電池的開路電壓為0.94V，其能量密度為18瓦．小時/磅。 它不是一種高能量的電池。

鎘汞電池乃被設計用於特殊的環境(特別是一65～300℉)，它是以鎘做陽極，以氧化汞做陰極，而以氫氧化鉀做為電解質。 此型電池在使用年限中，其功率經常不穩定;然而，其放在架上的年限，估計為10--20年之久。當它不放出化學能時，所有 的元素都不是活性的(此乃其放在架上能長久的主要原因)。

鎘汞電池能抵抗30,000g的震動和30,000rpm 的高速運轉。這種粗糙的電池，被用於保險、安全防護系統和計時器等裝置。

氧化銀電池

氧化銀電池跟汞電池一樣，其放電電壓曲線亦極為平穩。但它的工作電壓為1.5V(開路電壓為1.6V)。氧化銀電池的安 培一小時容量大約與汞電池一樣。 氧化銀電池乃助聽器和電錶 的重要電源。其正極(陰極)乃氧化銀和二氧化錳的去極氧化物，隨著應用的不同，其混合物的成分就不一樣;負極是鋅。 使用於助聽器的氧化銀電池(需要低的洩電流，長的使用壽命)，其電解液為強鹼性的氫氧化鉀，以增強其能量密度;而用於電子錶 的氧化銀電池(非常低的洩電流，極長的使用壽命)，其電解液為穩定性更好的氫氧化鈉(50-diumHydroxide)。

氧化銀電池的壽命很長，而且其在高溫時，其功能不受影饗;即使在低溫的環境中，它的功能尚強過大多數的汞鋅電池。 由於氧化銀電池所需的材料較貴，所以氧化銀電池主要的型式為鈕扣型及其他較小尺寸的型式。

D-size(l號)或更大的可充電式的氧化銀電池，密封型(sealed)及開口型(Vented)的效果都不錯;然而，如果其他型式的氧化銀電池， 高價格因素不予考慮的話，則寧封型及開口型電池的應用將受到限制。

鎳一鎘電池

由於鎳鎘電池的功率容量大且為可充電式，所以它經常被用作轉動器的電源，小至閃光町，大至潛水艇。

全密封的鎳一鎘電池發行不久後，鎳一鎘電池的使用者，即發現其電壓上的麻煩，不止會導致電池的損壞且會使之爆開。 鎳一鎘電池是由密封可充電的子電池(cell)以串聯/並聯方式所組合而成。如果串聯的子電池沒有相同容量， 則在放電電流大的使用情況下，其中一個子電池可能會比其他的子電池先放完電。 在這種情況下，如用電池充電器充電的話，會損害到電池，甚至爆開。 然而，目前電池製造技術的進步，已降低了上述的威脅，而且便用者能利用輔助技術以避免電池反向或降低對電池的威脅。

為了解釋電池反向的影響，茲假設有三個1.25V的密封式可充電的鎳鎘電池串聯在一起，以供應閃光燈3.75V的電源。 假如此三個電池的容量都一樣，則它們傳輸到負載的額定化學電能應該一樣，而且三個電池含在同一時間放完電。 3.75V的平均工作電壓，使用10小時的情況下。其平均電流大約為100mA。

在正常的使用情況下，此三個電池的電子，應出電池的負端經由負載電路，再回到正端(與電流方向相反)。而電池內部的 子電池之間的電子流動方向，乃由各子電池的金屬部分通過接觸部分，到達鄰近子電池的中心部位。 但是，如果其中有一個電池，在其他二個電池尚未放完電之前，即已放完電時，則此放完電的電池，就是一個電阻器罷了; 而此時，整個電源系統大約祇能提供2.5V的電壓。電池完全放電時的電阻大小，乃跟據其止端接受電子，電解液離子傳導電子 以及負端放出電子的能力而定。

典型的鎳鎘電池兩端的金屬片，是由精純的鎳粉所製成。其製造過程中，產生一個多孔的結構，80%小孔的平面區域約為0.2 M2/gm。這些小孔當中，部分侵入活性化學材料，其餘的部分，則侵入電解液。

浸在沒充電的正極金屬片中的活性材料是氫氧化亞鎳(Nic-kel Hydroxide);如此金屬片被充電的話， 氫氧化亞鎳就反應成氫氧化鎳(Nickelic Hydroxide)。沒充電的負極金屬片，乃含有氫氧化鎘(Cadium Hydroxide)。 當金屬片被充電後，氫氧化鎘則反應成金屬鎘。所以金屬片的極性，乃由化學的浸透方法來決定。

在鎳鎘電池中，放電化學反應的方向與充電反應的方向相反。當電池充電太多或反向充電的話，其反應的主要生成物為氫氣 和氧氣。正極金屬片如被充飽和的話，則所有氫氧化亞鎳全部變成氫氧化鎳;因為此時已沒有氫氧化亞鎳了，故想要繼績充電的 話，則傳會產生氧氣罷了。而在負極中，當所有的氫氧化鎘皆已反應成金屬鎘後，如再繼績充電的話，則僅會產生氫氣而已。

電池化學的每一金屬片，其化學反應速率都要一樣方可。如果各片的化學反應速率不一樣，則在充電過程中，活性材料含量 最少的金屬片，將首先產生氣體;而且因產生氣體所消耗的電能，在放電的時候，無法再轉換成電能了。

面對著過度充電的情況，要產生何種氣體較好呢?電池設計者選擇氧氣;因為氧氣可經由絕緣性材料[尼龍(Nylon)或保 麗龍(Polypropylene)]擴散，且與金屬鎘起化學反應，使金屬還原為沒充電時的氫氧化鎘。因 此，當正極金屬片被充電飽和後，負極金屬片(也許尚有沒反應的氫氧化鎘)不會再存有化學能 。換句話說，當電池的正極金屬片過度充電時，則祇要負極金馬片被充電，擴散的氧氣馬上放出 電子。

由於過度充電所產生的氧氣會很快地再與鎘結合，因此，不會使密封的電池氣壓，高到危險的程度。 同樣地，假如氫氣在負極金屬片中產生，它亦會與正極的金屬片結合;但是，其結合速率太慢， 使得剩餘的氫氣積存在密封的電池，造成有危險性的氣壓。因此，叮確信地，過度充電 時祇能產生氧氣。

如果反向充電的話，電子被強迫由負極出來，經由充電器再進入正極，則其化學反應非常困難。 氫氧化亞鎳不會接受電子受成鎳;而是水分子(water molecules)接受電子受成氫氧。 除此之外，當負極中已經沒有鎘可再放出電子，而受成氫氧化鎘時，電子會由裡離子(OH-— hydroxy1 Ions)放出，如此會形成氧氣兩增加電池內部的氣 壓。

由於電池的反向充電，也許 會出現嵌重的問題;特別是當電池中的子電池，如其中一個已放完電，而其他尚能提供大電流， 則此不再有電能的子電池的高阻抗，會產生足以損害電池的高熱，而且所產生的氣壓會高得迫使 安全氣孔(Vent)打開。如果安全氣孔設計適當的話，則每次氣體由氣孔跑田時，電解液的降低 量不會影客電池的正常功能。裝有「低磁滯」(low hysteresis)安全氣孔的鎳一鎘電池，能承受 偶而的反向充電;但如果安全氣孔打開的次數太多的話，則會降低電池的容量，而且，這樣會因 下次使用大電流，而使反向充電提早發生。

避免子電池(Cell)反向的方法，乃小心的選擇子電池，以使所有的子電池皆有相同的容量 。每＿子電池都要個別測試，而且僅能把相同容量的子電池組成在同一電池(Battery)中。這 種方法，使得電池中最弱的子電池完全放完電之前，其他的子電池亦因電力太弱，而不能供應足 以使消耗完的子電池反向充電所需的電流。

有些製造商表示他們的電池能容忍反向充電的原因，乃他們在電池的正、負極中都加上有反 向充電緩衝特性(Reverse Charge Buffering)的材料。此種材料接受電子的特性比徑離子(Hy-droxy1)或水分子都要好。少量 的負極活性材料(氫氧化鎘)加到正極，同時把少量的正極活性材料(氫氧化亞鎳)加到負極;這些少數的材料不但不會影響到 電池的正常功能，而且當所有的子電池開始反向時，能延遲氫氣的產生。

鎳氫電池（Nikel Metal Hydride）

鎳氫電池的設計源於鎳鎘電池，但在改善鎳鎘電池的記憶效應上，有極大的進展。其主要的改變，在以儲氫合金取代負極原來使用之鎘，因此鎳氫電池說是材料革新的典型代表。1982 年美國 OVONIC 公司請求儲氫合金用於電極製造之專利,使得此一材料受到重視,繼之為 1985 年荷蘭飛利浦公司突破了儲氫合金在充放電過程中容量衰減的問題<終使鎳氫電池脫穎而出。目前在日本有 8 家以上鎳氫電池製造廠，德國，美國，香港，台灣亦有鎳氫電池生產,市場反應良好。而且鎳氫電池所造成之污染，會比含有鎘之鎳鎘電池小很多，因此，目前鎳鎘電池已逐漸被鎳氫電池取代.

正極： 
　　
　　 鎳氫電池正極活性物質為氫氧化鎳粉末，此材料用於電池已有百年歷史，更已經多次品質改良，因此相關之製造方法很多。不過，依各廠商製程不同，最終所得產品品質迥異。目前市場所使用的材料以球型結構之高容量氫氧化鎳品質最佳。此乃導因於鎳電極之製作已從鎳鎘電池之燒結式極板，轉變為黏結式鎳極，因而可促使電容量大幅提昇，相對搭配之氫氧化鎳材料也要求更高之電容量。

　　常見品質要求的指標除電容量外，組成成分分析、形狀、晶型、粒徑及密度都相當重要。鎳氫電池所使用之氫氧化鎳，一方面要求其純度，一方面又與其他金屬共沈澱作為改質之用，常使用的鈷有提高電流放電活性的功能，而鋅與電極膨脹率有關。當氫氧化鎳本身密度越高時，單位體積的電容量可更高，而均勻的球型取代不定型氫氧化鎳，可使粉末流動性良好，易於填充。另一方面由於材料之間的空隙減少，也可提高在有限體積內之材料的填充量，進而使電池有更好之性能。

負極：

　　 負極儲氫合金為影響鎳氫電池性能之關鍵所在，其主要構成為兩大類金屬共同熔煉所得。A 類表強吸氫能力金屬如 Mg，Al，Ti，V，La 系金屬。B 類則為具觸媒能力之過渡金屬元素，如Fe，Co，Ni，Mn，Al，Cr，V等。曾被開發出來之多元素多晶相儲氫合金，大致分可AB₅，AB₂，A₂B 及 AB 系列合金。AB₅ 系列合金為目前市場佔有率最高者，其中MmNi _3.55 Co _0.75 Mn _0.4 Al _0.3 的比例最為常見。Mm 意指稀土金屬，主要含有 La，Ce，Pr，Nd 等強吸氫元素，又稱為 mischemetal。

　　因為 AB₅ 系列合金製成較容易控制，成本也較低，市場佔有率高達 95 ％。不過此材料電容量之發展已達接近瓶頸階段，反而是 AB₂ 系列合金，由於具有較高之理論電容量，部份業者特別針對此系列開發，其中則以美國 Ovonic 公司為代表。

基本上，儲氫合金要作為一個良好的電極材料，主要應具備之特性如下： 　

1. 在使用溫度及低壓限制下有良好的吸放氫能力。 　

2. 具優良的電化學反應觸媒能力。 　

3. 抗氧化及抗腐蝕性能。

　　在合金製作時，各元素成分的比例對電池品質有絕對性之影響，如 Ni，Co，Mn，Al，Cr 等元素組成，多用以改進合金性能，而合金粒徑需控制在 100μm下。

　　目前合金粉碎的方法乃採用吸氫後體積膨脹，放氫後自然粉碎的方式。再藉由溫度與壓力控制獲得所需之粒徑分佈。為了增加儲氫合金之導電度，最後產品常添加碳粉。而表面以化學方法包覆銅處理則對材料之循環有良好之改善。

基版製作：

　　極電材又稱為基材或基板。負極一般為鍍鎳鐵網，而正極則以純鎳為主。此乃因為在鎳氫電池極版製作時，為使正、負極之電容量有適切之搭配，特別在正極基版上所做的改良。因過去鎳鎘電池正極基版所使用之鍍鎳鋼板，孔隙度只能達 80 ％ 左右，無法再提高氫氧化鎳活性物質的填充量，故難以高容量化。

　　反觀鎳氫電池負極所使用之儲氫合金，本身即擁有良好導電度及電容特性。正、負極材料差距過於懸殊，因此需藉由基材的改良來調整。目前市場上使用之正極基版主要有海綿狀的發泡鎳網和纖維狀基版兩種。

　　發泡鎳網與纖維狀基版之孔隙度可達 95 ％，故可大幅提高活性物質之填充空間，並可減少電池體積及重量。纖維狀基版之製法相當多，其中一種是用細徑鎳金屬纖維與木質纖維材料混合打漿製成。發泡鎳網則是 PU 發泡體以化學浸鍍法鍍鎳，再以高溫去除有機物。新型基材的使用明顯提升電池能量密度與放電功率，在價格上也較高。

隔離膜：

　　鎳氫電池隔離膜與鎳鎘電池同樣是採用尼龍不織布或 PP 不織布，但尼龍不織布於鹼性電解液中亦有解離物，鎳氫電池製作時較少使用，目前約 90 ％ 以上皆採用 PP 不織布。用作電池隔離膜之基本特性，至少有下列要求：　　

　　　　1.在強電解液中具抗腐蝕性。

　　　　2.多孔隙以便於離子傳導。

　　　　3.對電解液之吸附力。

　　　　4.具電絕緣性以防止正負極間漏電或短路。

　　關於孔洞大小，實用上以 20μm較普遍，假若孔洞太大可能因正、負極活性物質粉末掉粉而接觸，孔洞過小則影響透氣率，進而影響電池內壓。此外，孔洞之分布需力求均勻。而電解液之吸收僅需達最適吸收量即可，過多過少皆不適宜。反而是電解液吸收的速率，將間接影響電池製程之快慢。

　　目前使用於鎳氫電池之 PP 不織布，因機械強度的問題，其厚度必須在 0.1mm 上，一般常見為 0.1２~ 0.13mm 左右，比起鋰離子二次電池所用之薄膜厚了很多，為提高鎳氫電池之電容量，隔離膜之薄化為目前最重要之課題。關於不織布之厚度，雖可經由纖維密度下降而變薄，但其機械強度也會跟著下降。又空隙率若上升，因纖維表面積減少，電解液之液性也會降低，且不易維持孔洞之均勻性。為了克服上述之缺點，目前隔離膜製造廠商則應用超細纖維技術開發出超細纖維不織布，供應鎳氫電池製造使用。

轉貼自交大教授的網頁：http://pemclab.cn.nctu.edu.tw/peclub/w3cnotes/cn37.%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8B/%E9%9B%BB%E6%B1%A0%E7%B0%A1%E4%BB%8B.htm