什么是高能电池?

[拼音]：gaoneng dianchi

[外文]：high energy batteries

具有较高比能量的电池。

在电池反应中，1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。以铅蓄电池为例，它的电池反应为

Pb＋PbO2＋2H2SO4─→2PbSO4＋2H2O

反应物的电化学当量之和为 3.866(Pb)＋4.463(PbO2)+3.659(H2SO4)懡12克，这些物质全部反应后产生1安时的电量。 因此1千克反应物质可产生83.3安时的电量。电量与电动势的乘积等于电能，所以1千克反应物产生的电能为83.3×2.044＝170.3瓦时。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为，在计算中假定了反应物全部按电池反应进行，即无副反应；忽略了电池的内阻引起的电位降；没有考虑反应物质以外的其他部件的重量。理论比能量是实际比能量的极限。在研制新型化学电池时，理论比能量与实际比能量的比值能够反映出电池的研制水平。

理论上，1克当量活性物质完全反应后能够产生26.8安时的电量。由此可知，当量越小，产生的理论安时电量就越大。所以，高能电池的正负极活性物质是周期表上方的单质及其化合物。由于电池的电动势是正极电位与负极电位之差，因此，通常选择电位较正的电极为正极，电位较负的电极为负极，即以周期表左边元素的单质及其离子所构成的电极为负极；以周期表左上角元素的单质及其离子所构成的电极为正极。

影响电池实际比能量的因素有电池的电压效率、反应效率和重量效率。

（1）电压效率(KE)：指电池的工作电压与电动势的比值。 主要与电流密度、扩散速度(包括溶液的扩散、气体的透气度以及活性物质内部的扩散)和电池的内阻(包括电解质溶液的电阻、集流体和隔板的电阻、固体活性物质和固体放电产物的电阻、多孔电极孔内电解质溶液的电阻以及接触电阻)等有关。

（2）反应效率(KR)：指活性物质的利用率。电池副反应越少，则反应效率越高。

（3）重量效率(KW)：完全按电池反应式参加反应的活性物质的重量与电池总重量之比。电池中不参加电池反应的物质越多则重量效率越低。重量效率KW对电池实际比能量的影响不是孤立的。例如，加入添加剂，虽然降低了重量效率，但却增大了反应效率KR和电压效率KE。

实际比能量M与理论比能量M* 的关系可由下式表示：

目前已投入使用和正在研制的高能电池有以下几种。

（1）以镁作负极活性物质的镁干电池:其结构与锌-锰干电池基本相同。镁的标准电极电势比较低，电化学当量小，具备了作为高能电池负极活性物质的优良条件。例如镁-锰干电池的实际比能量是锌-锰干电池的4倍，工作时电压平稳，在低温下也具有较好的工作能力，并且能耐高温贮存。其缺点是有电压滞后现象（接通后需要经一段时间，电压才能上升至终止电压值），滞后时间约为2～3秒；由于腐蚀作用，镁电极电流效率低；不宜于小电流长时间的间歇放电。

（2）金属-空气电池:以空气中的氧气作为正极活性物质，金属作为负极活性物质的电池（见电池）。

（3）锂-非水电解质溶液电池:锂的电化学当量约为镁的二分之一，因此作为高能电池的负极，锂比镁更优越。但锂与水要激烈反应，须采用有机溶剂或非水的无机溶剂来配制电解质溶液，再加入无机盐使之导电。目前使用的正极材料主要有固体氟化物、氯化物、氧化物、硫化物。这些电池的理论比能量大都在1000瓦时／千克以上。其实际比能量也比较高。例如锂-氟化铜(Li/CuF2)电池在放电电流密度为2毫安／厘米2时， 实际比能量可达250瓦时/千克。由于有机电解质溶液的比电导小，电流密度不能提高，因此锂-非水电解质溶液电池是一种高比能量、低功率的电池。而锂－硫化物电池在重负荷下放电，特别当外部短路时还会发生爆炸。

（4）钠－硫电池：是近几年研制出的比较成熟的一种二次电池。它的负极是熔融金属钠（Na）；正极活性物质是熔融多硫化钠（Na2Sx），通常充满在多孔碳中，碳作为正极集流体。需采用导电陶瓷管将钠与多硫化钠隔开，以防直接反应而引起自放电。此外，陶瓷管还起电池中的电解质作用。电池放电时，负极上的反应为

2Na─→2Na+＋2e-Na+

通过导电陶瓷管进入正极与硫发生反应形成多硫化物。当负极的钠耗尽的时候则放电终止。为使钠和多硫化钠都处于液态，放电需在300℃左右进行。钠-硫电池的实际比能量已经达100瓦时／千克，充放电循环寿命可达2000个深放电循环，因此特别适于用作车辆的电力电池。

（5）锂高温电池：以锂为负极，硫族（包括硫化物）和氯气为正极活性物质，熔融盐为电解质的电池。由于采用熔融盐，电池在300～600℃间工作，因此锂高温电池与钠－硫电池合称为高温电池。液态锂电极经多次充放电循环后易失去湿润性；硫在高温下要挥发，并有腐蚀性；氯是气体，难以处理。因此锂高温电池研制的方向将向以锂合金为负极和以硫化物为正极的方向发展。如锂铝合金-硫化铁电池，其电池反应为

4LiAl＋FeS2─→2Li2S＋Fe＋4Al

它的理论比能量为650瓦时／千克;实际比能量到80年代已超过100瓦时／千克；充放电循环周期大于250次。新开始研制的还有锂硅合金-硫化铁电池，具有更高的比能量。

正在研制中的高能电池主要有锌-卤素电池、钠-水电池和锂-水电池等。