电池作为能量存储设备

电池是化学能量存储设备，其基本单元是电池单元

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电池第一部分——作为能量存储设备

电池是提供电流的能量存储设备。电气和电子电路之所以能够工作，是因为电流在其中流动，正如我们之前所看到的，电流是电荷（Q）以带负电的自由电子形式在闭合电路中的流动。

因此，电流不过是电荷的运动。但为了使电流通过导体并在闭合电路中流动，必须做功来推动它，从而导致能量的消耗。也就是说，电能是与带电电子流动相关的能量，这些电子能够通过吸引或排斥其他电荷来做某种形式的功。

电荷做功的能力称为其电势，所有电荷的电势差之和被称为电动势（emf）。由于电子的运动或流动被称为电流。

为了产生电流，电子必须通过电势差被移动或被迫移动。电势差的基本单位是伏特（V），表示推动电子移动的做功能力。我们可以通过三种基本方式产生电压以在电路中移动电能：

1. 电磁感应：通过使用发电机、交流发电机或直流发电机

2. 化学能：使用电池或燃料电池

3. 光伏发电：通过光伏太阳能电池产生

电池是化学能量存储设备

电池是电化学设备，通过将存储在其中的化学能转化为电能来工作。虽然“电池”一词被广泛使用，但电池的基本电化学单元是电池单元。

电池通常由两个或多个单独的电池单元通过串联、并联或两者的组合连接在一起，以提供所需的输出电压和容量。例如，3伏特225毫安时（mAh）、9伏特1600毫安时或12伏特40安时（Ah）等。

单个电池单元由三个主要部分组成：1. 正极或正电极，2. 负极或负电极，3. 电解质溶液，用于提供阳极和阴极之间电荷转移的介质。这两个电极（有时称为“极”）总是由不同的金属制成，电解质溶液通常是含有离子的液体或凝胶。

电池单元符号

请注意，较长的上线始终代表电池或电池单元的正极或正电极，因为它可以分成两半并形成一个加号（+）。较短的线始终代表负号（-），因为它较短。因此，在原理图上并不总是需要标注加号（+）和负号（-）。

当电池单元的端子（即其电极）连接到外部电路时，会发生化学反应，从负电极释放电子。这些电子通过外部电路流回正电极。电解质溶液允许离子在电极之间流动，从而平衡电荷并保持电流流动。

当电池单元内部的所有化学反应通过使用耗尽时，电流停止流动。此时，电池单元被称为完全放电。换句话说，电池单元“耗尽”了自由电子。

电池单元内部发生的化学反应因电池的化学结构和类型而异。电池通常分为原电池和二次电池。

原电池是典型的日常不可充电电池。也就是说，当它们耗尽（放电）时，它们会被丢弃和回收。另一方面，二次电池，也称为可充电电池或储能电池，可以通过以与放电电流相反的方向通过电流多次充电。这会逆转化学反应并将电池恢复到其原始状态。

二次储能电池现在通常用于车辆、手机、笔记本电脑和便携式设备，以及存储太阳能发电以供夜间使用。

常见的原电池类型和电压：

- 锌碳电池：1.5伏特

- 碱性电池：1.5伏特

- 锂离子电池（Li-ion）：1.8至3.65伏特

- 氧化汞电池：1.35至1.4伏特

二次电池类型和电压：

- 铅酸电池（LA）：2.1伏特

- 镍镉电池（NiCd）：1.2伏特

- 银锌电池：1.5伏特

我们可以看到，根据电池构造中使用的化学材料类型，单个充满电的电池单元在向外部负载供电时，正负电极之间的电势差大约为1.5伏特。因此，为了获得更高的电压，我们必须将两个或多个单独的电池单元连接在一起，形成一个电池组或简称为电池。

因此，“电池”不过是两个或多个单独的电化学电池的组合，用于表示电池的示意图符号显示为多个单独的电池单元符号串联在一起，如图所示。

标准电池符号

如前所述，任何特定类型的电池单元（无论是原电池还是二次电池）产生的电压由电池单元本身的化学组成决定，为了获得比单个电池单元输出更高的电压，我们必须将多个电池单元连接在一起。

因此，电池的端电压将是所有电池单元电压的总和。因此，如果我们有六个标准的锌碳电池单元，标称电压输出将为：6 x 1.5 = 9.0伏特，如图所示。

电池是电池组的组合

显然，如果我们有“n”个电池单元连接在一起，电池输出端子上的电势差将是每个单个电池单元电势差的“n”倍。请注意，必须使用相同类型的电池单元，我们不能混合不同类型的电池单元来形成电池。

同样的想法也适用于连接电池。例如，如果我们将三个9V PP3碱性电池串联在一起，这将产生：3 x 9 = 27.0伏特的电源。

电池单元极性

电池单元极性是指电池单元上正极（+）和负极（-）的方向。大多数电池单元都有清晰的标记指示其极性。在上面的电池单元符号中，较长的水平线代表正电极，较短的水平线代表负电极。因此，在连接电池单元时，理解电池极性至关重要，因为它决定了电流流动的方向。

电路中的常规电流流动

假设“常规电流流动”，电池单元的正极是电流流出的地方，并流入另一个电池单元或连接的设备。它通常标有加号（+）。在圆柱形电池（如AA、AAA等）中，正极通常是凸起的一端。负极是电流从外部电路进入电池的地方。它标有减号（-）或与正极相比更平坦。

实际上，常规电流流动是正电荷（空穴）在电路中从正极到负极的流动。因此，常规电流流动假设电流从正极流向负极，并且在所有电路图和示意图中，二极管和晶体管等元件符号上的箭头指向常规电流流动的方向。

电路中的电子流动

电子在电路中的实际流动方向与常规电流流动方向相反，从电池单元的负电极（阴极）返回电池单元的正电极（阳极）。

也就是说，由于负电极上带负电的电子之间的排斥力和正电极上空穴的吸引力，电子从负极移动到正极。这种从负极到正极的实际电子运动通常被称为“电子流动”。

需要注意的是，虽然电子流动的方向是从负极到正极，但电流（由常规电流流动表示）从正电极移动到负电极。也就是说，从正极到负极，用于电路图和电气计算中，以保持一致性并便于理解。

然而，许多教科书同时使用常规电流流动和电子流动。事实上，只要方向一致，电流在电路中流动的方向并不重要。电流流动的方向不会影响电流在电路中的作用。通常，理解常规电流流动——从正极到负极——要容易得多。

电池的安时容量评级

电池内部可以存储的能量量称为其容量。电池或电池单元以化学能的形式存储电荷，然后将其转化为电能以供特定时间使用。因此，在电池的能量储备耗尽之前，必须有一定数量的化学反应来推动电流通过电路。

因此，我们可以根据电池可以产生的电子总数来衡量电池的容量，但这将是一个巨大的数字，因为库仑（C）的单位等于6.25 x 10^18个电子。一般来说，电池单元越大，它可以提供的电能越多，可用能量的量就是电池单元或电池的容量，通常以安时（Ah）表示。

储能电池的容量Q（以安时为单位）是电池可以供应或存储的电荷量。其安时容量是电流强度i（以安培为单位）与给定时间t（以秒为单位）的乘积。即：Q = i x t。因此，如果t以小时为单位，Q以安时（Ah）为单位，因为1安时= 3600库仑，因为1安培= 1库仑电子/秒，1小时= 3600秒。

因此，电池的安时评级基本上是电池（或电池单元）可以供应一定电流的小时数，容量为10安时的电池应该能够在完全放电前以全电压向连接的负载供应10安培的电流整整1小时。因此，我们的10安时电池将供应20安培1/2小时，或5安培2小时，因为5 x 2 = 10。

电池作为能量存储设备示例No1

1). 一个电池需要连续供应500mA（0.5A）3天。电池的安时评级是多少。2). 第二个电池的容量为100 Ah。它可以连续供应2.5安培多少小时。

1. 3天= 3 x 24小时= 72小时

Ah = I x hr = 0.5 x 72 = 36 Ah

2. 时间，t以小时为单位

t = Ah ÷ I = 100 ÷ 2.5 = 40小时

显然，电池（或电池单元）的容量（以Ah为单位）取决于物理尺寸和放电速率，因为电池电解质内部由1安培10小时产生的化学反应与2安培5小时甚至20安培1/2小时产生的化学反应不同。还要注意，较小的容量值以毫安时（通常缩写为mAh）为单位，也用于较小的电池。

不同电池尺寸

电池根据其安时容量有不同的物理尺寸。每种电池尺寸由特定的标准尺寸字母代码指定，例如：

- AAA（三A）电池（1.5V）

- AA（双A）电池（1.5V）

- C电池（1.5V）

- D电池（1.5V）

- 灯笼电池（6V）

- PP3电池（9V）

- CR2032纽扣电池（3V）

- CR2025纽扣电池（3V）

这些尺寸是标准化的，以确保不同设备之间的兼容性。不同的应用，从微型助听器到大型手电筒，需要不同的电池尺寸以提供适当的电力。

电池作为能量存储设备总结

电池基本上是一组连接在一起的电池单元，在需要时产生方便可靠的直流电能来源。它们用于各种设备，因为电池易于理解、价格低廉、重量合理轻便，并且有各种不同的电压和电流容量配置，适用于各种不同的应用。

储能电池有许多电气评级和规格，但最重要的两个电池规格是其端电压和安时电流容量评级。单个电池单元产生的电压量由其制造材料决定。

电池可以存储的能量量称为其容量，电池单元可以提供的功率量称为其电流容量。电池的容量取决于电池单元的物理尺寸、使用的电池单元类型以及电流放电速率、端电压和涉及的时间长度。

电池单元分为原电池和二次电池。原电池是不能充电的电池，一旦放电就应该更换新电池，因为原电池的化学反应会导致其中一个电极在产生电能时被侵蚀。

另一方面，二次电池可以在其存储的能量耗尽后通过逆转放电周期中发生的化学反应来充电。这是通过将直流电源连接到电池单元来实现的。