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碳鋅電池

碳鋅電池乃一種極普遍的乾電池,早在1900年以前,已經商品化。 碳鋅電池的大小、形狀和使用壽命有好幾種。如果不計較其功能的強弱, 則碳鋅電池是一種安全又經濟的電池,何況其來源沒有問題。

 

碳鋅(C-Zn)電池是一種電化學(Electrochemical)系統,它是以鋅做陽極(陽極送出電子到電路中,因此是負極), 以二氧化錳(MangneseDioxide)粉末混合物和其他材料當做陰極(正極);氯化銨(A nomonium chloride)的電解質凍 (ElectrolyteJelly)和氯化鋅(Zinc chloride)溶解於水中當做電解液;而碳棒刀把外界電路的電子傳回到陰極(正極)。 電池中的陰極混合物也當做去極劑(De-polarizer)。

 

如果便用的電流很小,且使用的時間不長,則碳鋅電池是最有效率的。如果使用的電流較大及使用的時間較長的話, 則電池因化學反應放出電能所產生的氫氣(HydrogenGas)會積在碳棒,阻礙其傳導電子的能力,因而降低電池的效率。 做為去極劑的陰極混合物,乃防止氫氣存在碳棒的作用劑;因此,如沒有去極劑的話,電池的工作效率會受到影響。 然而,即使有去極劑,碳鋅電池在大電流的使用狀況下亦無法使用太久。

 

碳鋅電池在電解質混合物和碳棒大小的製法上有許多型式完全不同。設計給收音機使用的電池,含有高百分比的活性電化學的 (Electrochemical)材料。這種電池比用於閃光町的電池具有較大的容量,因而,使得它在低電流的使用情況下,能維持很久; 而閃光阿用的電池,須含有更多的碳,以便能在短時間內產生大電流,觸發閃光打泡。一般用和工業用電池, 其使用壽命和容量特性,已經被修改成適用於此兩種不同使用情況的特性

碳鋅電池的使用壽命和其使用情況有密切的關係。當所需的電流降低時,會改進電池的化學效率,以兩個並聯的電池代替一個電池, 可以增長三倍的使用壽命。安培小時(Ampere-hour)碳鋅電池使用到IV時的使用壽命估計的容量跟電池的大小和使用電流的高低很有關係, 其他影響電池使用壽命的因素尚有周圍溫度和放在電池架上的時間。 在室溫為20℉時,電池的容量約降低一半;而在-2O℉時,幾乎降到零。假如把特殊的電解液加入電池, 將會稍為改善低溫的功能。如電池一直被存放在溫度70℉的環境中,則其使用壽用大約 縮短一半,假如電池被放在更高的溫度中,則其變質的速度會更快。

 

電池大小
和重量
使用電流 容量 能量密度
(oz) (mA) (hr) (Ahr) (Whr/lb)
AAA
0.3
2 290 0.45 30
10 45 0.37 25
20 17 0.28 19
AA
0.6
3 350 0.88 29
15 40 0.50 17
30 15 0.37 12
C
1.4
5 430 1.8 26
25 100 2.1 30
50 40 1.7 24
D
3.3
10 500 4.2 25
50 105 4.4 27
100 45 3.8 23

鹼性電池

鹼性電池的發展,主要被用於需要高電流使用的裝置,以代替較不實用的碳鋅電池。 鹼性一二氧化錳一鋅電池(Alkaline-manganese Dioxide-zinc Cell)的電壓一時間特性的降低速率低於碳鋅電池。 在高電流的使用情況下,鹼性電池的使用壽命約標準式碳鋅電池的十倍。

 

鹼性電池以一大片的鋅做陽極,以高密度的二氧化錳混合物做陰極及用鋼或沒電鍍的黃銅做為電流集結器。 鹼性電池與碳鋅電池最大的差異,乃在於鹼性電池使用高濃度的鹼性氫氧化鉀(Potassium-hydroxide)做電解液。

 

鹼性電池具有極高的去極(depolarization)效率,所以它能連續的供應大電流,而碳鋅電池必須間歇性地使用。 鹼性電池在經過使用一段時間後,還是保持著近1.5V的輸出能力。在低電流的使用情況下, 鹼性電池雖然有較高的安培一小時容量;但它與碳鋅電池的電流密度足一樣。如果使用在大電流的情況,則鹼性電池就比碳鋅 的功能要好。

 

鹼性電池在低溫下的工作能力亦較碳鋅電池好;而且,在不使用時,既便不把鹼性電池從電池架上拿下,它亦能維持很久的 時間;如果存放在低溫下,則更能延長壽命。

 

可充電的(rechargeable)鹼性二氧化錳電池,其大量使用的時間已超過10年。由於它的防漏性相當好,所以可被使用在任 何環境。

 

然而鹼性電池可再充電的次數少於鎳一鎘(Nickel-Cadmi-um)電池。就像基本的鹼性電池一樣,可充電的電池亦是以鋅 做為陽極,二氧化錳做陰極和以氫氧化鉀做電解液;但足可充式電池還是有不同之處,其內部經過設計變更後,無論充電或放電 都很成功。

 

可充式電池的放電特性與一般不可充式的電池很類似。當其化學能降低時,其輸出電壓的降低速率還是很慢,但是無論如何 ,可充式電池無法再被充電至其原先的輸出電壓;而且當充電的次數增加時,極可能損害其功能。即使其兩端電壓保持一定,但 其可利用的化學能,會隨著使用時間的增長而降低。

 

可充式的鹼性電池,使用的放電電流,應該使用在廠商所建議的電流量,直到用完其額定的安培一小時(Ampere-hour)容 量再按照所建議的充電時間的長短充電。如果使用者能依此原則使用,則可使充、放電的次數達到預期的次數。降低放電電流或 降低安培一小時容量的消耗,雖可增長電池的壽命;然而,一旦電路需要的功率超過電池的額定容量時,則其使用命壽命將會縮 短很多。

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(極)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 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特(1.35V)的汞電 池能提供高穩定度的電壓 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(小時/) 對於l電池一D size (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(特別是一65300)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;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;使在低溫的環境中它的功能尚強過大多數的汞鋅電池 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/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

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 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)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 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。AB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 AB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

 

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