電池作為能量存儲設備

電池是化學能量存儲設備，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，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。

因此，電流不過是電荷的運動。但為了使電流通過導體并在閉合電路中流動，必須做功來推動它，從而導致能量的消耗。也就是說，電能是與帶電電子流動相關的能量，這些電子能夠通過吸引或排斥其他電荷來做某種形式的功。

電荷做功的能力稱為其電勢，所有電荷的電勢差之和被稱為電動勢（emf）。由于電子的運動或流動被稱為電流。

為了產生電流，電子必須通過電勢差被移動或被迫移動。電勢差的基本單位是伏特（V），表示推動電子移動的做功能力。我們可以通過三種基本方式產生電壓以在電路中移動電能：

1. 電磁感應：通過使用發電機、交流發電機或直流發電機

2. 化學能：使用電池或燃料電池

3. 光伏發電：通過光伏太陽能電池產生

電池是化學能量存儲設備

電池是電化學設備，通過將存儲在其中的化學能轉化為電能來工作。雖然“電池”一詞被廣泛使用，但電池的基本電化學單元是電池單元。

電池通常由兩個或多個單獨的電池單元通過串聯、并聯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（mAh）、9伏特1600毫安時或12伏特40安時（Ah）等。

單個電池單元由三個主要部分組成：1. 正極或正電極，2. 負極或負電極，3. 電解質溶液，用于提供陽極和陰極之間電荷轉移的介質。這兩個電極（有時稱為“極”）總是由不同的金屬制成，電解質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，較長的上線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加號（+）。較短的線始終代表負號（-），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，會發生化學反應，從負電極釋放電子。這些電子通過外部電路流回正電極。電解質溶液允許離子在電極之間流動，從而平衡電荷并保持電流流動。

當電池單元內部的所有化學反應通過使用耗盡時，電流停止流動。此時，電池單元被稱為完全放電。換句話說，電池單元“耗盡”了自由電子。

電池單元內部發生的化學反應因電池的化學結構和類型而異。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，當它們耗盡（放電）時，它們會被丟棄和回收。另一方面，二次電池，也稱為可充電電池或儲能電池，可以通過以與放電電流相反的方向通過電流多次充電。這會逆轉化學反應并將電池恢復到其原始狀態。

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

常見的原電池類型和電壓：

- 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材料類型，單個充滿電的電池單元在向外部負載供電時，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，我們必須將兩個或多個單獨的電池單元連接在一起，形成一個電池組或簡稱為電池。

因此，“電池”不過是兩個或多個單獨的電化學電池的組合，用于表示電池的示意圖符號顯示為多個單獨的電池單元符號串聯在一起，如圖所示。

標準電池符號

電池符號

如前所述，任何特定類型的電池單元（無論是原電池還是二次電池）產生的電壓由電池單元本身的化學組成決定，為了獲得比單個電池單元輸出更高的電壓，我們必須將多個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，如果我們有六個標準的鋅碳電池單元，標稱電壓輸出將為：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”個電池單元連接在一起，電池輸出端子上的電勢差將是每個單個電池單元電勢差的“n”倍。請注意，必須使用相同類型的電池單元，我們不能混合不同類型的電池單元來形成電池。

同樣的想法也適用于連接電池。例如，如果我們將三個9V PP3堿性電池串聯在一起，這將產生：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，較長的水平線代表正電極，較短的水平線代表負電極。因此，在連接電池單元時，理解電池極性至關重要，因為它決定了電流流動的方向。

電路中的常規電流流動

常規電流流動電路

假設“常規電流流動”，電池單元的正極是電流流出的地方，并流入另一個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入電池的地方。它標有減號（-）或與正極相比更平坦。

實際上，常規電流流動是正電荷（空穴）在電路中從正極到負極的流動。因此，常規電流流動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的方向。

電路中的電子流動

電子流動電路

電子在電路中的實際流動方向與常規電流流動方向相反，從電池單元的負電極（陰極）返回電池單元的正電極（陽極）。

也就是說，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，電子從負極移動到正極。這種從負極到正極的實際電子運動通常被稱為“電子流動”。

需要注意的是，雖然電子流動的方向是從負極到正極，但電流（由常規電流流動表示）從正電極移動到負電極。也就是說，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，許多教科書同時使用常規電流流動和電子流動。事實上，只要方向一致，電流在電路中流動的方向并不重要。電流流動的方向不會影響電流在電路中的作用。通常，理解常規電流流動——從正極到負極——要容易得多。

電池的安時容量評級

電池內部可以存儲的能量量稱為其容量。電池或電池單元以化學能的形式存儲電荷，然后將其轉化為電能以供特定時間使用。因此，在電池的能量儲備耗盡之前，必須有一定數量的化學反應來推動電流通過電路。

因此，我們可以根據電池可以產生的電子總數來衡量電池的容量，但這將是一個巨大的數字，因為庫侖（C）的單位等于6.25 x 10^18個電子。一般來說，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（Ah）表示。

儲能電池的容量Q（以安時為單位）是電池可以供應或存儲的電荷量。其安時容量是電流強度i（以安培為單位）與給定時間t（以秒為單位）的乘積。即：Q = i x t。因此，如果t以小時為單位，Q以安時（Ah）為單位，因為1安時= 3600庫侖，因為1安培= 1庫侖電子/秒，1小時= 3600秒。

因此，電池的安時評級基本上是電池（或電池單元）可以供應一定電流的小時數，容量為10安時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。因此，我們的10安時電池將供應20安培1/2小時，或5安培2小時，因為5 x 2 = 10。

電池作為能量存儲設備示例No1

1). 一個電池需要連續供應500mA（0.5A）3天。電池的安時評級是多少。2). 第二個電池的容量為100 Ah。它可以連續供應2.5安培多少小時。

1. 3天= 3 x 24小時= 72小時

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

2. 時間，t以小時為單位

t = Ah ÷ I = 100 ÷ 2.5 = 40小時

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，因為電池電解質內部由1安培10小時產生的化學反應與2安培5小時甚至20安培1/2小時產生的化學反應不同。還要注意，較小的容量值以毫安時（通常縮寫為mAh）為單位，也用于較小的電池。

不同電池尺寸

不同類型的電池

電池根據其安時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，在需要時產生方便可靠的直流電能來源。它們用于各種設備，因為電池易于理解、價格低廉、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，但最重要的兩個電池規格是其端電壓和安時電流容量評級。單個電池單元產生的電壓量由其制造材料決定。

電池可以存儲的能量量稱為其容量，電池單元可以提供的功率量稱為其電流容量。電池的容量取決于電池單元的物理尺寸、使用的電池單元類型以及電流放電速率、端電壓和涉及的時間長度。

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，因為原電池的化學反應會導致其中一個電極在產生電能時被侵蝕。

另一方面，二次電池可以在其存儲的能量耗盡后通過逆轉放電周期中發生的化學反應來充電。這是通過將直流電源連接到電池單元來實現的。