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电池如何工作?

电池
电池通过完成电气设备内的电路来工作。
(图片:©Mrs_ya | Shutterstock)

电池无处不在。现代世界依赖于这些便携式能源,从移动设备到助听器再到汽车,它们都存在于便携式能源中。  

但是,尽管电池在人们的日常生活中很盛行,但电池经常被忽略。想一想:您真的知道电池的工作原理吗?你能跟别人解释吗? 

这是能源背后的科学缩影 为智能手机供电,电动汽车,起搏器等等。 [测验:电动与汽油车]

Anatomy of a battery

该公司联合创始人兼首席执行官Ann Marie Sastry认为,大多数电池包含三个基本部分:电极,电解质和隔膜。 Sakti3,这是一家位于密歇根州的电池技术创业公司。

每个电池中有两个电极。两者均由导电材料制成,但它们起着不同的作用。一个电极,称为阴极,连接到电池的正极,是放电过程中电流离开(或电子进入)电池的地方,也就是使用电池为某些东西供电时。另一个电极,称为阳极,连接到电池的负极,是放电过程中电流进入(或电子离开)电池的地方。 

在这些电极之间以及内部,都有电解质。这是含有带电粒子或离子的液体或凝胶状物质。离子与构成电极的材料结合在一起,产生化学反应,使电池产生电流。 [深入了解电池的工作原理(信息图)]

典型的电池由化学反应供电。 [查看完整信息图] (图片来源:信息图表艺术家Karl Tate)

电池的最后一部分,隔板很简单。隔板的作用是使电池内部的阳极和阴极彼此分离。 Sastry解释说,如果没有隔板,两个电极将接触,这将导致短路并阻止电池正常工作。  

How it works

为了设想电池的工作原理,请想象一下自己将碱性电池(例如双重AA)放入手电筒中。当您将这些电池放入手电筒然后打开时,您真正要做的就是完成电路。电池中存储的化学能转换为电能,该电能从电池中传出并进入手电筒灯泡的底部,使其点亮。然后,电流重新进入电池,但在与电池原来相反的另一端。

电池的所有部件一起工作以使手电筒亮起。电池中的电极包含某些导电材料的原子。例如,在碱性电池中,阳极通常由锌制成,而二氧化锰用作阴极。这些电极之间和内部的电解质都包含离子。当这些离子与电极原子相遇时, 电化学反应 发生在离子和电极原子之间。 

电极中发生的一系列化学反应统称为氧化还原(redox)反应。在电池中,阴极被称为氧化剂,因为它接受来自阳极的电子。阳极被称为还原剂,因为它会失去电子。   

萨斯特里说,最终,这些反应导致离子在阳极和阴极之间流动,并使电子从电极原子中释放出来。 

这些自由电子聚集在阳极(碱性电池的底部,平坦部分)内部。结果,两个电极具有不同的电荷:随着电子的释放,阳极变成带负电荷,而随着电子(带负电荷)的消耗,阴极变成带正电荷。电荷的这种差异导致电子想要向带正电的阴极移动。但是,它们没有办法到达电池内部,因为隔板会阻止他们这样做。

轻按手电筒上的开关时,所有这些都会改变。电子现在具有到达阴极的路径。但是首先,它们必须经过您的基础 手电筒的灯泡。当电流通过阴极顶部的电池顶部重新进入电池时,电路完成。 

可充电与不可充电

对于一次电池,就像手电筒中的电池一样,最终会停止为电池提供燃料的反应发生,这意味着为电池提供电荷的电子将不再产生电流。当这件事发生时, 电池电量耗尽或“耗尽”, Sastry said.

你必须 扔掉这些电池Sastry解释说,因为使电池产生能量的电化学过程无法逆转。但是,可通过向电池提供电能来逆转发生在二次电池或可充电电池中的电化学过程。例如,当您将手机电池插入连接到电源的充电器时,就会发生这种情况。

当今使用的一些最常见的二次电池是锂离子(Li-ion)电池,可为大多数消费电子设备供电。这些电池通常包含碳阳极,由二氧化钴锂制成的阴极以及在有机溶剂中包含锂盐的电解质。其他可充电电池包括镍镉(NiCd)和镍氢(NiMH)电池,它们可用于 电动汽车 和无绳电动工具。铅酸(Pb-acid)电池通常用于为汽车和其他车辆提供动力,以进行启动,照明和点火。

Sastry说,所有这些可再充电电池均以相同的原理工作:当您将电池插入电源时,电子流会改变方向,阳极和阴极会返回其原始状态。 [十大颠覆性技术]

Battery lingo

尽管所有电池的工作方式大致相同,但不同种类的电池确实具有不同的功能。以下是任何有关电池的讨论中经常提到的一些术语: 

电压:关于电池,电压—也称为标称电池电压—Sastry解释说,描述了自由电子从电池的正极移动到负极的电力或压力的大小。在较低电压的电池中,电流从电池中移出的速度比在较高电压的电池(移出的电力更大)中移动的速度更慢(通过较小的力)。手电筒中的电池通常具有1.5伏的电压。但是,如果手电筒串联使用两个电池,则这些电池或电池的组合电压为3伏。 

铅酸电池像大多数非电动汽车中使用的一样,通常电压为2.0伏。但是通常在汽车电池中有六个这样的电池串联连接,这就是为什么您可能听说过这种电池称为12伏电池的原因。 

锂钴氧化物电池—消费电子产品中最常见的锂离子电池类型—萨斯特里说,它的标称电压约为3.7伏。

安培:安培(安培)是电流或在特定时间范围内流过电路的电子数量的度量。 

容量:容量或电芯容量以安培小时为单位,这是赖斯大学电气和计算机工程的一篇文章,电池在电压降至特定阈值以下之前可以提供特定电流量的小时数。部门。  

9伏碱性电池—便携式收音机中使用的那种—额定电流为1安培小时,这意味着该电池在达到电压阈值并被视为耗尽之前可以连续提供1安培电流1小时。 

功率密度萨斯特里说:功率密度表示电池每单位重量可提供的电量。 Sastry说,对于电动汽车来说,功率密度很重要,因为它可以告诉您汽车从0英里每小时加速到60英里每小时(97公里/小时)的速度。工程师们一直在努力想出办法 使电池更小 而不会降低它们的功率密度。

能量密度萨斯特里说:能量密度表示电池能够传递的能量除以电池的体积或质量。此数字对应于会对用户产生重大影响的事物,例如为手机充电之前需要走多长时间,或者在停止插入电源之前可以驾驶电动汽车多远。

跟随伊丽莎白·巴勒莫@techEpalermo。关注世界科学 @livescience脸书 & Google+.

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