电池

背景

本杰明·富兰克林通过在雷雨中放风筝来吸引电力的著名实验只是 18 世纪晚期和 19 世纪早期为了解电而进行的众多实验之一。 1800 年，意大利人亚历山德罗·沃尔特 (Alessandro Volta) 建造了第一块电池。所谓的伏打桩 由浸泡在盐水、碱液或一些碱性溶液中的皮革或纸板隔开的银和锌的交替圆盘组成。桩两端的金属条与装满水银的小杯子相连。当伏打用手指接触两杯水银时，他受到了电击；他组装的光盘越多，他受到的震动就越大。

Volta 的发现导致了进一步的实验。 1813 年，汉弗莱戴维爵士在伦敦皇家学院的地下室建造了一堆装有 2,000 对光盘的文件。在其他应用中，戴维将他产生的电力用于电解——通过使电流通过物质来催化化学反应（戴维将钠和钾从化合物中分离出来）。仅仅几年后，迈克尔法拉第发现了电磁感应原理，即使用磁铁在线圈中感应电流。这项技术是当今发电厂用于发电的发电机的核心。 （虽然发电机产生交流电 (AC)，其中电流有规律地改变方向，但电池产生仅沿一个方向流动的直流电 (DC)。）能够产生大量电流的铅酸电池，当今汽车的先驱 电池，由法国人加斯顿·普兰特于 1859 年设计。

在美国，托马斯·爱迪生正在试验用电池和发电机的电力为灯泡供电，该灯泡于 1880 年代初开始在美国普及。在 1860 年代，Georges Leclanché 发明了湿式电池，虽然由于其液体成分而很重，但可以出售和用于商业用途。到 1870 年代和 1880 年代，Leclanché 电池使用干材料生产，并用于许多任务，包括为 Alexander Graham Bell 的电话和新发明的手电筒供电。电池随后被要求为许多其他发明提供动力，例如收音机，它在第一次世界大战后的几年中变得非常流行。今天，全世界每年销售超过 200 亿个电池，每个美国人都使用每年约 27 块电池。

设计

所有电池都使用类似的程序来发电；然而，材料和结构的变化产生了不同类型的电池。严格来说，通常所说的电池实际上是一组相互连接的电池。以下是对电池工作原理的简单描述。

任何电池的两个重要部分是阳极和阴极。阴极是一种金属，可以自然地或在实验室中与氧结合——这种结合被称为 氧化物。 氧化铁（铁锈）虽然太脆弱而不能用于电池，但它可能是最常见的氧化物。其他一些氧化物实际上足够坚固，可以进行加工（切割、弯曲、成型、成型等）并在电池中使用。阳极是一种金属，如果允许它会氧化，并且在其他条件相同的情况下，它比形成阴极一部分的金属更容易氧化。

当阴极的一端和阳极的一端放入可以导电的第三种物质中，而它们的另一端相连时，电池就会产生电。阳极将氧原子拉向它，从而产生电流。如果电路中有开关（类似于任何墙壁或灯开关），除非开关处于闭合位置，否则电路是不完整的，电流无法流动。如果除了开关之外，电路中还有其他东西，例如灯泡，灯泡会因电子穿过它的摩擦而发光。

放置阳极和阴极的第三种物质称为电解质。 在许多情况下，这种材料是一种化学组合，具有碱性。因此，碱性电池是一种使用碱性电解质的电池。除非将电池置于通过简单开关或使用电池的电器中的其他开关连接完成的电路中，否则电池不会自行发电。

设计一个单元会导致类型和结构的许多变化。例如，并非所有电解质都是碱性的。此外，电解液的容器既可以作为容器，也可以作为阴极或阳极。有些细胞不是从阴极而是直接从空气中吸取氧气。阳极和阴极组成的变化将提供或多或少的电力。精确调整电池中使用的所有材料会影响可产生的电量、生产速率、在电池的整个生命周期内提供的电压以及电池在不同温度下工作的能力.

事实上，所有这些可能性都存在，它们的各种应用产生了当今可用的许多不同类型的电池（锂、汞等）。然而，多年来，最常见的电池一直是 1.5 伏碱性电池。

不同的电池在不同的情况下性能更好。碱性 1.5 伏电池非常适合摄影设备、掌上电脑和计算器、玩具、录音机和其他“高耗电量”用途；它在低温下也很好。这种电池具有倾斜放电特性——它会逐渐断电，而不是突然停止发电——如果搁置不用，它每年可能会损失百分之四的电量。

其他类型的电池包括锂/二氧化锰电池，它具有平坦的放电特性——它在寿命开始时提供的电量与在寿命结束时提供的电量大致相同——并且可用于需要小型、高功率电池（烟雾报警器、照相机、计算机上的内存备份等）。助听器、寻呼机和其他一些类型的医疗设备经常使用锌空气纽扣电池，它在连续放电时提供高能量密度。汞电池经常用于许多与锌空气电池相同的应用中，因为它也提供稳定的输出电压。

原材料

本节以及下一节将重点介绍碱性电池。在碱性电池中，装有电池的圆柱体由镀镍钢制成。它衬有一个隔板，将阴极与阳极隔开，由多层纸或多孔合成材料制成。罐的一端用位于钢板下面的沥青或环氧树脂密封剂密封，另一端用穿过圆柱体的黄铜钉密封。该钉子焊接到金属端盖上并穿过外部塑料密封件。在圆柱体内，阴极由二氧化锰、石墨和氢氧化钾溶液的混合物组成；阳极包含锌粉和氢氧化钾电解质。

制造
过程

阴极

• 1 在碱性电池中，阴极实际上兼作容器的一部分。大量的组成成分——二氧化锰、炭黑（石墨）和电解质（溶液中的氢氧化钾）——是 混合组成成分是电池制造的第一步。造粒后，混合物被压制或压实成预制件——空心圆柱体。压实的原理很简单：钢制冲头下降到型腔中并压实混合物。当它缩回时，来自下方的冲头上升以弹出压实的预制件。通过火车交付并在生产现场大批量混合。然后将混合物造粒并压制或压实成称为预成型件的中空圆柱体。 根据所制造电池的尺寸，电池中可能会出现多个预成型件一个叠一个的顶部。或者，这一系列预制件可以用相同材料的挤压环代替。
• 2 接下来将瓶坯插入镀镍钢罐中；预制件和钢的组合可以构成电池的阴极。在大型操作中，罐是在电池工厂使用标准切割和成型技术制造的。在罐子的顶部附近制作一个凹痕，并在凹痕上方放置沥青或环氧树脂密封剂以防止泄漏。

分隔符

• 3 然后将浸泡在电解质溶液中的纸隔板插入罐内，紧靠预制件；隔板由几张纸（如胶合板）按横纹排列而成。低头看一个打开的罐子，会看到一个看起来像插在罐子里的纸杯。隔板防止阴极材料与阳极材料接触。作为替代方案，制造商可能会出于相同目的使用多孔合成纤维。

阳极

• 4 阳极接下来进入电池罐。它是一种主要由锌粉和其他材料（包括氢氧化钾电解质）组成的凝胶。这种凝胶具有非常浓稠的糊状物的稠度。它不是溶液，而是化学上的悬浮液，其中颗粒不会沉淀（尽管适当的过滤器可以将它们分开）。凝胶不会将罐子填满顶部，以便为电池投入使用后发生的化学反应留出空间。

封印

• 5 虽然此时电池能够发电，但开放式电池并不实用，而且会迅速耗尽其潜力。电池需要用三个相连的组件密封。第一个是黄铜“钉子”或长钉，通过凝胶材料插入罐的中间，用作“集电器”。第二个是塑料密封件，第三个是金属端盖。指甲，延伸约三分之二 典型碱性电池的容器，由插入钢罐中的预制件组成，也兼作阴极。中间的阳极是一种主要由锌粉组成的凝胶。阳极和阴极之间的隔板是纸或已浸泡在电解质溶液中的合成纤维。
  在成品电池中，增加了塑料封条、钢钉和金属顶部和底部。钉子焊接到金属底部，并通过阳极延伸到罐子的三分之二处。进入罐头的一端，焊接在金属端盖上，然后穿过塑料密封。
• 6 这种密封在某些地方比其他地方要薄得多，因此如果罐中积聚过多气体，密封会破裂而不是整个电池。一些电池设计利用塑料中的蜡孔；多余的气体会通过蜡而不是使电池破裂。密封组件在过程开始时与罐子上的凹痕相吻合，并被卷曲到位。
• 7 罐的另一端（电池的正极）然后用钢板封闭，钢板焊接到位或用环氧树脂胶粘在一起。

标签

• 8 在电池出厂前，会添加一个标签，用于识别电池类型、尺寸和其他信息。标签通常是简单地粘在电池上的纸。一家大型制造商将其标签设计印在塑料收缩包装上：一块松散的热敏塑料包裹在电池罐周围，然后暴露在热风中，使塑料收缩以紧紧贴合罐头。

质量控制

由于电池技术并不是特别新奇或奇特，质量控制及其结果作为品牌竞争的基础尤为重要。电池的抗腐蚀能力、在各种条件下的良好运行、保持良好的保质期和使用寿命等因素，都是质量控制的直接结果。电池和成分几乎在生产过程的所有阶段都经过检查和测试，并且完成的批次都经过严格的测试。

环境问题

尽管制造电池确实存在一些环境障碍，但没有一个是不可克服的。锌和锰是碱性电池中的主要化学物质，不会造成环境问题，并且都被食品和药物管理局 (FDA) 认为是安全的。电池中的主要潜在污染物是汞，它通常与锌一起存在，多年来一直被添加到碱性电池中以帮助导电和防止腐蚀。在 1980 年代中期，碱性电池通常含有 5% 到 7% 的汞。

几年前，当汞对环境的危害变得显而易见时，制造商开始寻求生产不含汞的高效电池的方法。这样做的主要方法侧重于更好地控制成分的纯度。今天的碱性电池可能含有大约 0.025% 的汞。一些制造商提供完全不添加汞的电池（它是一种天然存在的元素，因此很难保证产品不含任何痕量质量），并且最终将成为整个行业的规则而不是例外1993 年。

未来

电池目前是世界各地科学家和工程师深入研究的焦点。原因很简单：几项关键创新取决于更好的电池的创造。可以长时间运行而无需充电的可行电动汽车和便携式电子设备必须等到开发出更轻巧、更强大的电池。例如，目前用于汽车的典型铅酸电池体积太大，无法储存足够的电力用于电动汽车。锂电池虽然重量轻且功能强大，但容易泄漏和着火。

1993 年初，亚利桑那州立大学的科学家们宣布，他们通过将聚环氧丙烷和聚环氧乙烷溶解在锂盐溶液中，设计了一类新的电解质。新的电解质似乎比典型的锂电解质具有高导电性和更稳定的特性，研究人员现在正试图构建使用有前途的物质的原型电池。

与此同时，一些制造商正在开发更大、更强大的镍金属氢化物电池，用于便携式计算机。这些新电池预计将在 1994 年末出现。