电池

电池（battery），^[1]是将化学能、光能、热能、核能等直接转化为电能的装置。电池由电极、电解质、隔离层和容器四个基本部分组成。电池放电时，电子由负极经过外电路流入正极，在电池内部的电解质溶液中，正、负离子分别向两极做定向移动，形成电流。^[3]

1800年左右，意大利物理学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)利用不同金属与电解液接触所构成的伏打电堆，是世界公认的第一个电池。1859年，法国的加斯东·普朗特首次发明铅蓄电池，铅蓄电池是现代汽车电池的前身。^[1]1887年，英国人赫勒森(Wilhelm Hellesen)发明了最早的干电池。^[4]1990年，日本取得了锂离子电池的研究成功。^[3]

按工作性质和储存方式分类，电池分为一次电池、二次电池、储备电池、燃料电池、光伏电池。各种电池广泛应用于日常生活和现代设备中，如电筒、收音机、电子血压计、电动玩具、医疗器械和电脑等。^[2]

意大利物理学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)被公认为研制出第一块可操作电池的人。1790年，伏特在其同胞路易吉·伽尔瓦尼早期工作的基础上，进行了一系列有关电化学现象的实验。到1800年左右，他制造出了简易电池，后来被称为"伏打桩"。这种装置由交替排列的锌盘和银盘组成，中间用浸泡在氢氧化钠或盐水溶液中的纸或布隔开。约1834年，迈克尔·法拉第利用伏打桩进行实验最终得出了电化学定量定律，定律确定了电极材料的数量与所需电量之间的确切关系，是现代电池技术的基础。^[1]

继法拉第的理论贡献之后，各种具有重要商业价值的原电池相继问世。1836年，英国化学家约翰·弗雷德里克·丹尼尔推出了一种由硫酸中的铜和锌组成的改进型电池。丹尼尔电池能够在连续工作时输出持续电流，其效率远远高于"伏打桩"。1839年，英国物理学家威廉·罗伯特·格罗夫（William Robert Grove）的双流体原电池取得了更大的进步，他的双流体原电池由浸入稀硫酸中的汞齐锌组成，多孔锅将硫酸与含有铂阴极的强硝酸溶液隔开。硝酸是一种氧化剂，可防止阴极积聚氢气造成电压损失。德国化学家罗伯特·威廉·本生（Robert Wilhelm Bunsen）在格罗夫的电池中用廉价的碳代替了铂，从而促进了这种电池的广泛使用。^[1]

1859年，法国的加斯东·普朗特首次发明实用的铅蓄电池，铅蓄电池是现代汽车电池的前身。普朗特的装置能够产生非常大的电流。^[1]铅蓄电池于1882年商品化。^[3]1860年，^[4]法国工程师乔治·勒克朗谢（Georges Leclanché）的二氧化锰锌系统原型为现代原电池的发展铺平了道路。最初的勒克朗谢电池是"湿式"的，因为它的电解液是由氯化铵ǎn溶液组成的。19世纪80年代末，人们最终提出了采用固定电解液的想法，并由此启动了干电池行业，^[1]并于1888年商品化。^[3]

1887年，英国人赫勒森(Wilhelm Hellesen)发明了最早的干电池。相对于液体电池而言，干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。1890年，爱迪生发明可充电的铁镍niè电池，1910年可充电的铁镍电池商业化生产。^[4]1899年，瑞典科学家W.荣格发明了镉镍碱性蓄电池。1941年，法国科学家H.G.安德烈创造了锌银碱性蓄电池。在20世纪50年代，美国研究者W.S.赫特首次成功开发了碱性锌锰电池。锂电池的研究起源于20世纪50年代，并在70年代迈入实用化阶段。此后，电子技术和移动通信的不断进步推动了电池产业和技术的迅猛发展。在20世纪80年代，金属氢化物镍电池由美国成功研发。1990年，日本取得了锂离子电池的研究成功。进入1993年，美国成功研制出聚合物锂离子电池。^[3]随着制造技术的进步和新材料的出现，体积更小但功率更大的电池应运而生，适用于各种便携式设备，并广泛应用于航天器、计算机、移动电话等领域。^[1]

2021年8月16日，新加坡南阳理工大学的研究人员开发出一种可通过人体汗液供能的柔性可伸展电池，其可被黏贴在柔软吸汗的纺织品上，推动可穿戴技术领域的创新。^[5]2022年11月，美国麻省理工学院研究人员利用一种对能量输送具有活性的材料，代替传统的非活性电池电解质，以提高原电池的能量密度。在给定的功率或能量容量下，新方法可使电池使用寿命增加50%，或相应地减小尺寸和重量，同时还能提高安全性，而成本几乎没有增加。该研究发表在《美国国家科学院院刊》杂志上。^[6]

英国物理化学家迈克尔·法拉第（MichaelFaraday）于1834年提出了电化学电池工作的基本关系，即每流过一个安培电流一段时间，就必须发生相应的化学反应或其他变化。这种变化的程度取决于构成电池电极和电解液的元素的分子和电子结构。二次变化也可能发生，但必须在电极上发生一对主要的理论上可逆的反应才能产生电能。电化学电池的阳极通常是一种金属，它在高于阴极0.5伏至约4伏的电位下被氧化（放出电子）。阴极通常由金属氧化物或硫化物组成，通过接受电子和离子进入其结构而转化为氧化程度较低的状态。必须通过外部电路（如灯或其他设备）提供导电连接，将电子从阳极带到电池负极触点。此外，还必须有足够的电解液。电解质由溶剂（水、有机液体甚至固体）和一种或多种在溶剂中离解成离子的化学物质组成。在电池工作期间，这些离子通过电池内部输送电子和化学物质，以平衡电池外部的电流流。电池的效用不仅受到容量的限制，还受到汲取电流速度的限制。为电解质溶液选择的盐离子必须能够在溶剂中快速移动，以便在电极之间携带与电力需求速度相等的化学物质。因此，电池性能受到内部化学物质扩散速度和容量的限制。^[1]

电池是由四个基本部分组成：电极、电解质、隔离层和容器。电极是电池的核心部分，包括参与电化学反应的活性物质和导电材料。电极分为正极（表示为“+”）和负极（表示为“-”）。电解质是水溶液中的酸、碱或盐，或者是有机电解质溶液，它在电池内部负责传递带电离子。在一些电池中，电解质也参与电化学反应。隔离层位于正极和负极之间，起到隔离作用，防止内部发生短路，避免电能损耗。容器则是电池的外壳，用于保护和容纳电池的各组成部分。有些电池的外壳同时也是电池的电极。^[3]

电池产生的实际能量由产生的安培数×时间单位×时间内的平均电压来衡量。对于一个电极为锌和二氧化锰的电池（如常见的手电筒干电池），我们会发现锌的化学当量重32.5克（1.4盎司），二氧化锰的化学当量重约87克（3.1盎司）。每个电极放电一个等效重量，将导致32.5克锌溶解，87克二氧化锰变成含有更多氢离子和锌离子的不同氧化物。部分电解液也会在反应中消耗掉。每个电极的一个化学当量产生一个法拉第，或96,485库仑的电流，相当于每小时26.8安培。如果电池的平均工作电压为1.2伏，则可产生32.2瓦时的直流电能。以另一种方式表示，公式n等于放电的化学当量数，F是法拉第常数（9.6485×104库仑/摩尔），V是放电期间电池的平均电压（不一定恒定），1焦耳≅2.78×10·4瓦时。^[1]

电池的性能参数包括电动势、容量、比能量和电阻。电动势表示单位正电荷从负极通过电池内部移到正极时，所做的非静电力（化学力）功。这个性能参数取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池的容量指电池能够输出的总电荷量，通常以安培小时作为单位。在电池反应中，1千克反应物质所产生的电能被称为电池的理论比能量。但实际比能量往往小于理论值，因为电池中的反应物未完全按电池反应进行，同时电池内部的阻力也造成电动势的降低。因此，常将比能量高的电池称为高能电池。另外，电池的面积越大，其内部阻力越小。^[7]

以上信息来源：^[8]

人们为了解决伏打电池的不便和稀硫酸的腐蚀性问题，创造了干电池。这种电池以锌制成的圆筒和碳棒作为两极，氯化铵浆糊作为电解质，加入二氧化锰粉末作为催化剂。这种干电池也被称为锰锌电池，相对于伏打电池的稀硫酸而言，它使用氯化铵浆糊。不同于其他干电池（比如氧化银电池、镍镉电池），锰锌电池的电压为15伏，而非1.5伏。干电池消耗化学原料产生电能，电压不高，持续电流不能超过1安培，否则可能发热损坏。^[9]

铅蓄电池是广泛应用的电池之一。它使用玻璃或塑料槽装满硫酸，并插入两块铅板。其中一块连接充电机的正极，另一块连接充电机的负极，在十几小时的充电后形成蓄电池。这种电池正负极之间具有2伏的电压。蓄电池的优点在于可重复使用，并且内电阻很小，能提供大电流。它为汽车起动机提供电力，瞬间电流可达20多安培，其他电池无法替代。充电时将电能存储，放电时将化学能转换为电能。虽然体积较大且不便携，但汽车和摩托车仍然无法离开它。^[9]

镍镉充电电池和锰锌干电池外观相似，但材料不同，镍镉电池成本高，可多次充电。它的电压只有1.2伏，不适合某些需要特定电压的设备。对于电动汽车模型，1.2伏的镍镉电池比1.5伏的锰锌电池跑得更快，因为它内阻小，能提供更高的路端电压。但镍镉电池有残留记忆性，导致充电后容量减少，一般使用十余次后效果变差。^[9]

电池常串联或并联使用。有些设备需要高电压，单节电池满足不了需求，所以会串联多节电池。比如手电筒，仓库值班员通常用三至四节干电池。有些设备需要9伏或15伏电压，但不需大电流。为此，人们制造薄片状的锰锌电池，将多片叠加形成长方体的积层电池。例如，打开9伏的积层电池，会发现里面实际上是6片电池叠加而成。^[9]

在某些小体积且需要特定电压和微小电流的设备中（如电子手表、计算器），人们常使用钮扣电池。这种电池按不同需求制成不同大小，手表使用比衬钮扣电池，计算器则使用大一些的西服钮扣电池。银锌电池是其中一种，以银为正极、锌为负极，具有高能量输出，电压为1.5V。钮扣电池是一次性的，无法充电，同时需避免投入火中。^[9]

锂电池也是一种钮扣电池，常用于自动相机。外观短粗，白色。它提供大电流，内阻小，主要用于相机的卷片电动机。锂电池密封性好，避免“流汤”腐蚀机件，因此在精密仪器中安全使用。这种电池是一次性的，不可充电，充电会引发危险。太阳能电池广泛应用，但需注意避免过热造成爆炸。另外，连接太阳能电池和铅蓄电池可以产生可充电的块状锂电池，储存大量能量，晚上供电电视机等设备。在人造卫星等条件下，太阳能电池可以持续工作7.2小时。与镍镉电池和镍氢电池相比，在太空中，锂电池性能优越，能反复充放电，并被广泛应用于手机和摄像机。^[9]

一次电池，也称为原电池或“用后即弃”电池，指放电后无法再充电恢复的电池类型，包括锂氟fú电池、碱性电池、镍锌电池、锂锰电池和锰锌电池。^[2]

二次电池利用化学反应的可逆性，可以被充电以修复化学体系，再次转化为电能使用。这类电池包括铅酸电池、镍镉电池、氢镍电池和锂离子电池，都能通过充电再次利用化学反应转换为电能。^[2]

储备电池是一类特殊形式的原电池，其电极活性物质与电解质分开存放，无自放电现象。因此，它能长时间储存（5～10年）而无需维护。需要使用时，可以通过一定的机构激活电解液或水（溶剂），完成一次放电过程。^[2]

燃料电池是一种高效、清洁的电化学发电装置，能直接将反应物的化学能转化为电能。^[2]

光伏电池，即太阳能电池，能直接将太阳光能转化为电能。主要地面光伏系统采用以硅为基底的硅太阳能电池，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池。^[2]

品牌认证：优先选择带有“国家免检”“中国名牌”标志或地方名牌的电池产品。^[10]用途匹配：根据设备要求选择合适的电池类型和规格，考虑设备的功耗和特性购买合适的电池。^[10]生产日期：查看生产日期和保质期，倾向选购新生产的电池以获得更好的性能。^[10]外观检查：选择外包装精美、外观整洁、无漏液痕迹的电池产品。^[10]标识审查：检查电池标志，确认生产厂名、电池极性、型号、标称电压、商标等信息齐全。购买碱性锌锰电池时，注意型号是否带有“ALKALINE”或“LR”字样。^[10]无汞选择：为了环保考量，优先选购商标上标明“无汞”“0%汞”“不添加汞”字样的电池。^[10]

电池制造商为不同的专业应用设计了多种不同尺寸、电压和电流负载的电池。对于常见的家用电池，美国国家标准协会（ANSI）和国际电工委员会（IEC）已制定标准尺寸和电气特性。常见尺寸包括AAA(R03)、AA(R6)、C(R14)、D(R20)和9V(6F22)，以ANSI(IEC)形式标示。^[1]

2023年6月14日，欧洲议会正式通过了《欧盟电池与废电池法》，亦称《欧盟新电池法》。该法规定，只有具备碳足迹声明和标签以及数字电池护照的电动汽车电池和可充电工业电池才能进入欧盟市场。《欧盟新电池法》适用于投放欧盟市场的所有类别的电池，无论电池是在欧盟生产的还是进口的，无论电池单独使用或被纳入电器、轻型交通工具或其他车辆，或以其他方式添加到产品中。^[11]

2023年3月，中国按照《国务院办公厅关于深化电子电器行业管理制度改革的意见》（国办发〔2022〕31号）有关要求，对电子电器产品使用的锂离子电池和电池组实施强制性产品认证（CCC认证）管理，锂离子电池和电池组适用标准为GB31241，不包括电子烟用锂离子电池和电池组。^[12]

保持清洁：保持电器和电池接触点清洁，如有必要，用湿布擦拭后待干燥后正确安装电池，确保按照极性标示装入“+”和“-”，并按照电器说明书要求使用，避免导致故障或损坏。^[10]统一更换：更换电池时，应同时更换整组电池，不要混用新旧电池。同一型号但不同电化学类型的电池也不应混用，以防造成部分电池过放电，增加泄漏风险。^[10]一次性电池：严禁加热或充电一次性电池，否则可能导致爆炸。^[10]避免短路：避免电池短路，以免发生泄漏或产生过热，损坏外包装。^[10]合理使用：使用后关闭电源，长期不用及时取出电池，以防止继续放电产生内部化学反应导致泄漏。^[10]环保处理：废弃电池应正确处理，不随意丢弃，应与其他垃圾分开投放。^[10]随用随充：整夜充电影响不大，但能够根据需要充电更好，随充随用，没有必要一定要充满。^[13]避免高温：如果温度从参考点（如21°C(70°F)）降低，单个电池的电压和内部扩散率都会降低。如果温度低于电解液的凝固点，电池通常只能产生极小的有用电流，甚至可能改变内部尺寸，导致内部损坏和性能下降，即使在再次升温后也是如此。如果刻意升高温度，则可以保持较快的放电速度，但这通常并不可取，因为电池化学物质可能会蒸发或自发地相互反应，从而导致早期故障。^[1]最好保持在16°C - 22°C的环境温度，避免长时间直接在阳光下曝晒晚上睡觉的时候不要把手机放在枕头床头这样不易散热的地方充电。^[13]忌零电量：不要等电池电量预警或者电量耗尽后再充电，这样对电池的伤害更大。^[13]忌电池过热：最好不要边玩手机边充电，避免电池过热。^[13]

《国家危险废物名录》（2021版）中将废铅蓄电池、废镍镉电池、氧化汞电池归为有害垃圾，需要专门处理，其余类别电池则可作为其他垃圾投放。随着技术进步和国家环保政策趋严，普通干电池都已经是碱性电池了。现在市面主流的干电池，例如一号、五号、七号电池，不含有或仅含有微量汞，基本不再有危害性。电子产品用的锂电池（如手机电池）及其电解液为有机溶剂和锂盐，不含铅、汞、镉等有毒有害重金属，相对污染较小，也可作为其他垃圾投放。^[14]

废铅蓄电池、废镍镉电池、纽扣电池分别含有铅、镉、汞等有毒重金属，随意投放会危害人体健康和环境。^[14]一粒纽扣电池可污染600吨水，该水量相当于一个人一生的饮水量。^[15]即使符合低汞标准的废电池，放入水中也会增加汞含量。^[16]因此，废铅蓄电池、废镍镉电池、纽扣电池仍需作为有害垃圾进行专业回收处理。^[14]

汽车所使用的锂离子电池的金属回收工艺相对复杂，若操作不当，可能对环境构成严重威胁。拆解后，通常采用湿法冶金或火法冶金方式回收其中的锂、镍、钴等金属元素。不当拆解可能引发安全隐患，如触电、短路引发爆燃，甚至氢氟酸腐蚀。环境方面存在钴、镍等重金属和氟污染，以及电池隔膜引起的白色污染。此外，不当处理可能导致锂、镍、钴等高价值资源的浪费。^[17]

随着电池产业发展，废电池的处理方式和技术也多样化。国际上通行的处理方法有三种：固化深埋、旧矿井存放和回收利用。 ^[18]居民可以将有害废电池投放至小区的有害垃圾收集点，或在每月回收日送至指定点。环卫部门或资质单位将收集的废电池分类存放，达到一定量后由持有危废经营许可的单位进行无害化处理。^[14]

中国在2016年颁布了《生产者责任延伸制度推行方案》，要求电动汽车和动力电池制造企业建立废旧电池回收网络，通过售后服务回收、发布回收信息，并实施规范回收和安全处置。同时，动力电池生产企业需要实施产品编码和全生命周期追溯系统。2018年7月31日，北京理工大学电动车辆国家工程实验室推出了新能源汽车国家监测与动力蓄电池回收利用溯源综合管理平台，监测并记录动力电池全过程信息，确保可查、可追溯和可控制。2021年3月29日，中国新能源汽车“退役”动力电池评估及交易平台在广东佛山成立，整合资源以提高电池利用率。该平台基于区块链技术，提供电池性能评估、实验室检测和线上交易服务，预计解决回收难题和技术限制。^[17]

含汞较低的电池通常采用固化处理，将固化后的废电池填埋。对于含汞较高的电池（如碳锌电池和碱性锌锰电池），可采用湿法或火法处理。湿法包括焙烧—浸出法和直接浸出法，而火法则分为常压和真空冶金法。瑞士、日本、瑞典、美国等国家主要采用火法处理技术。^[18]

20世纪90年代初，废铅酸蓄电池的再生工艺主要包括机壳解体、分类（铅粉、铅泥、铅合金小块、铅渣）和再生等步骤。近年来，中国在废铅蓄电池回收利用技术方面取得了新的进展——采用火法冶炼再生铅工艺，这一技术具备高效回收和较小污染的特点。^[18]

含镍电池的处理方法主要分为干法和湿法两类。干法工艺主要利用镉及其氧化物的高蒸气压特性来分离镍和镉。湿法工艺则利用硫化镉和硫化镍容度差异，通过控制特定条件实现镍和镉的分离。^[18]

锂离子电池的处理工艺通常包括焚烧电池以除去有机物，然后进行筛选以去除铁和铜。接着，对残余粉末进行加热并溶解于酸中，利用有机溶剂提取氧化钴，这种氧化钴可作为颜料、涂料的原料。^[18]

普通家用电池原电池类型化学尺寸和常见应用特征锌碳（Leclanché）锌合金阳极·二氧化锰阴极，电解质混合物为80%的氯化铵和20%的氯化锌，围绕着碳棒电极；每节电池1.55伏，使用量下降最广泛的尺寸、形状和容量范围（包括所有主要的圆柱形和矩形护套）；用于遥控器、手电筒、便携式收音机便宜又轻；能量密度低；对于高耗电应用来说非常差；低温下性能差；锌合金中有毒汞和镉的处置危害氯化锌锌阳极·二氧化锰阴极与氯化锌电解液；每节电池1.55伏，使用量下降各种圆柱形和矩形护套；用于电动玩具、盒式磁带和CD播放器、手电筒、便携式收音机通常标记为“重型”；与锌碳相比，在较高的漏极率和较低的温度下，电压下降更少；通常寿命是锌碳电池的2·3倍；环境安全碱性锌锰二氧化物锌阳极·二氧化锰阴极与氢氧化钾电解液；每节电池1.55伏各种圆柱形和矩形护套；最适合用于电动玩具、盒式磁带和CD播放器保质期长；防漏；重载下性能最佳；寿命是锌碳电池的4·10倍氧化锌银锌阳极·氧化银阴极与氢氧化钾电解质；每节电池1.55伏纽扣电池；用于助听器、手表、计算器高能量密度；保质期长；贵锌空气锌阳极·氢氧化钾电解质氧阴极圆柱形、9伏、纽扣和硬币护套；用于助听器、寻呼机、手表所有一次性电池中能量密度最高；几乎无限的保质期；环境安全锂锂铁硫化物锂阳极·硫化铁正极含有机电解质；每节电池1.6伏圆柱形和纽扣电池；用于数码相机、小家电高能量密度；支持高放电率；保质期长；贵锂·二氧化锰锂阳极·二氧化锰正极与有机电解质；每节电池2.8–3.2伏圆柱形和纽扣电池；用于数码相机、小家电高能量密度；支持高放电率；保质期长；贵二次（可充电）电池类型化学尺寸和常见应用特征铅酸铅阳极·二氧化铅阴极与硫酸电解质尺寸范围广；应用于汽车、轮椅、儿童电动车、应急电源最便宜和最重的电池；寿命长；无记忆效应；放电倍率范围广碱性镍镉镉阳极·二氧化镍阴极与氢氧化钾电解液常见的圆柱形护套；用于电动工具、无绳电话、生物医学设备重放电下性能优异；几乎恒定的电压；最佳可充电循环寿命；一些人的记忆效应；镉如果回收不当，将产生剧毒和致癌性镍氢化物镧lán系元素或镍合金阳极·二氧化镍阴极与氢氧化钾电解液一些圆柱形护套；用于烟雾报警器、电动工具、手机高能量密度；重放电下性能好；几乎恒定的1.2伏放电；无记忆效应；环境安全锂锂离子含有机电解质的碳阳极·钴锂阴极大多数圆柱形护套；用于移动电话、便携式计算机能量密度比镍镉高，寿命短；贵；无记忆效应

以上信息来源：^[1]

电池作为能源，已不仅局限于日常生活和传统生产用途。随着技术和生产力的进步，人们对电池性能有了更高的要求，其应用领域也在不断扩展。^[7]

一次电池，如锂氟电池、碱性电池、镍锌 电池、锂锰电池和锰锌电池，广泛应用于日常生活和现代设备，如电筒、收音机、电子血压计、电动玩具、医疗器械和电脑等。二次电池，如有铅酸电池、镍镉电池、氢镍电池和锂离子电池等，市场正在经历变革，应用领域包括3C市场、新能源汽车、风能和太阳能储能等。全球最大的三个供应市场是：日本，市场份额约为65%；韩国占22%左右；中国正在成为全球最大的电池制造和消费国。储备电池分液体激活和热激活两大类，用于应急电源和军事武器等。燃料电池在固定、便携和车载等方面都有广阔的应用前景，包括医院、学校、办公楼、汽车、火车、飞机、电动工具、警报器和通讯设备。光伏电池，用于把太阳的光能直接转化为 电能，主要应用于空间站、汽车、飞机、手机、充电器、LED灯和发电站等。^[2]

新能源汽车的发展已成为全球各国战略重点。在“中国制造2025”引领下，中国设定了成为化学电源强国的目标，并将新能源汽车与再生能源储能相联系的蓄电池产业作为重点之一。为确保能源行业的健康发展，中国提出了清晰的“十三五”规划与可执行方案，支撑国民经济、社会和国防现代化全面发展。提高能量密度、确保安全性和降低生产成本是能源改革的关键和主要方向。电池技术的发展呈现多样化趋势，高端领域如锂氟电池可能成为未来的发展方向。二次电池领域发展较为复杂，但燃料电池可能最终占据主导地位。电池技术的进步还要考虑其对环境和资源的影响，国内外学者正在进行系统研究，尽管取得了阶段性进展，但产业化和实际应用还需时间。因此，在当前市场和技术发展下，2017年起至未来十年内，锂离子电池仍将保持主流地位。^[2]