電池作為能量存儲設備

電池是化學(xué)能量存儲設備，其基本單元是電池單元

電池第一部分——作為能量存儲設備

電池是提供電流的能量存儲設備。電氣和電子電路之所以能夠工作，是因為電流在其中流動(dòng)，正如我們之前所看到的，電流是電荷（Q）以帶負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)是電荷的運動(dòng)。但為了使電流通過(guò)導體并在閉合電路中流動(dòng)，必須做功來(lái)推動(dòng)它，從而導致能量的消耗。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(chēng)為其電勢，所有電荷的電勢差之和被稱(chēng)為電動(dòng)勢（emf）。由于電子的運動(dòng)或流動(dòng)被稱(chēng)為電流。

為了產(chǎn)生電流，電子必須通過(guò)電勢差被移動(dòng)或被迫移動(dòng)。電勢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：通過(guò)使用發(fā)電機、交流發(fā)電機或直流發(fā)電機

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)能量存儲設備

電池是電化學(xué)設備，通過(guò)將存儲在其中的化學(xué)能轉化為電能來(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. 負極或負電極，3. 電解質(zhì)溶液，用于提供陽(yáng)極和陰極之間電荷轉移的介質(zhì)。這兩個(gè)電極（有時(shí)稱(chēng)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

電池單元符號

請注意，較長(cháng)的上線(xiàn)始終代表電池或電池單元的正極或正電極，因為它可以分成兩半并形成一個(gè)加號（+）。較短的線(xiàn)始終代表負號（-），因為它較短。因此，在原理圖上并不總是需要標注加號（+）和負號（-）。

當電池單元的端子（即其電極）連接到外部電路時(shí)，會(huì )發(fā)生化學(xué)反應，從負電極釋放電子。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)。

當電池單元內部的所有化學(xué)反應通過(guò)使用耗盡時(shí)，電流停止流動(dòng)。此時(shí)，電池單元被稱(chēng)為完全放電。換句話(huà)說(shuō)，電池單元“耗盡”了自由電子。

電池單元內部發(fā)生的化學(xué)反應因電池的化學(xué)結構和類(lèi)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(chēng)為可充電電池或儲能電池，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 )逆轉化學(xué)反應并將電池恢復到其原始狀態(tài)。

二次儲能電池現在通常用于車(chē)輛、手機、筆記本電腦和便攜式設備，以及存儲太陽(yáng)能發(fā)電以供夜間使用。

常見(jiàn)的原電池類(lèi)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(lèi)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，根據電池構造中使用的化學(xué)材料類(lèi)型，單個(gè)充滿(mǎn)電的電池單元在向外部負載供電時(shí)，正負電極之間的電勢差大約為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)單獨的電池單元連接在一起，形成一個(gè)電池組或簡(jiǎn)稱(chēng)為電池。

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

標準電池符號

電池符號

如前所述，任何特定類(lèi)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)標準的鋅碳電池單元，標稱(chēng)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差將是每個(gè)單個(gè)電池單元電勢差的“n”倍。請注意，必須使用相同類(lèi)型的電池單元，我們不能混合不同類(lèi)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（+）和負極（-）的方向。大多數電池單元都有清晰的標記指示其極性。在上面的電池單元符號中，較長(cháng)的水平線(xiàn)代表正電極，較短的水平線(xiàn)代表負電極。因此，在連接電池單元時(shí)，理解電池極性至關(guān)重要，因為它決定了電流流動(dòng)的方向。

電路中的常規電流流動(dòng)

常規電流流動(dòng)電路

假設“常規電流流動(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備。它通常標有加號（+）。在圓柱形電池（如AA、AAA等）中，正極通常是凸起的一端。負極是電流從外部電路進(jìn)入電池的地方。它標有減號（-）或與正極相比更平坦。

實(shí)際上，常規電流流動(dòng)是正電荷（空穴）在電路中從正極到負極的流動(dòng)。因此，常規電流流動(dòng)假設電流從正極流向負極，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上的箭頭指向常規電流流動(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)方向與常規電流流動(dòng)方向相反，從電池單元的負電極（陰極）返回電池單元的正電極（陽(yáng)極）。

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

需要注意的是，雖然電子流動(dòng)的方向是從負極到正極，但電流（由常規電流流動(dòng)表示）從正電極移動(dòng)到負電極。也就是說(shuō)，從正極到負極，用于電路圖和電氣計算中，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，理解常規電流流動(dòng)——從正極到負極——要容易得多。

電池的安時(shí)容量評級

電池內部可以存儲的能量量稱(chēng)為其容量。電池或電池單元以化學(xué)能的形式存儲電荷，然后將其轉化為電能以供特定時(shí)間使用。因此，在電池的能量?jì)浜谋M之前，必須有一定數量的化學(xué)反應來(lái)推動(dòng)電流通過(guò)電路。

因此，我們可以根據電池可以產(chǎn)生的電子總數來(lái)衡量電池的容量，但這將是一個(gè)巨大的數字，因為庫侖（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。

儲能電池的容量Q（以安時(shí)為單位）是電池可以供應或存儲的電荷量。其安時(shí)容量是電流強度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，因為1安時(shí)= 3600庫侖，因為1安培= 1庫侖電子/秒，1小時(shí)= 3600秒。

因此，電池的安時(shí)評級基本上是電池（或電池單元）可以供應一定電流的小時(shí)數，容量為10安時(shí)的電池應該能夠在完全放電前以全電壓向連接的負載供應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20安培1/2小時(shí)，或5安培2小時(shí)，因為5 x 2 = 10。

電池作為能量存儲設備示例No1

1). 一個(gè)電池需要連續供應500mA（0.5A）3天。電池的安時(shí)評級是多少。2). 第二個(gè)電池的容量為100 Ah。它可以連續供應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，因為電池電解質(zhì)內部由1安培10小時(shí)產(chǎn)生的化學(xué)反應與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(lèi)型的電池

電池根據其安時(shí)容量有不同的物理尺寸。每種電池尺寸由特定的標準尺寸字母代碼指定，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）

這些尺寸是標準化的，以確保不同設備之間的兼容性。不同的應用，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的電力。

電池作為能量存儲設備總結

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。它們用于各種設備，因為電池易于理解、價(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用。

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

電池可以存儲的能量量稱(chēng)為其容量，電池單元可以提供的功率量稱(chēng)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(lèi)型以及電流放電速率、端電壓和涉及的時(shí)間長(cháng)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，一旦放電就應該更換新電池，因為原電池的化學(xué)反應會(huì )導致其中一個(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的能量耗盡后通過(guò)逆轉放電周期中發(fā)生的化學(xué)反應來(lái)充電。這是通過(guò)將直流電源連接到電池單元來(lái)實(shí)現的。