电池是怎样工作的「电池的原理是什么」

今天带来电池是怎样工作的「电池的原理是什么」，关于电池是怎样工作的「电池的原理是什么」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

我是斜杠青年，一个热爱前沿科技的“杂食性”学者！

如何用金属和盐储存电力。

来源：维基共享

电池！它们不是气候和能源危机的唯一解决方案，但它们肯定会发挥重要作用。除了抽水电外，他们可能会在未来十年提供公司可再生能源所需的大部分能源存储。而且它们越来越便宜，越来越有效。

在新能源风口的大背景下，似乎几乎每周都会宣布一种新型电池——在过去的12个月里，它涵盖了量子电池、纸电池、纤维素电池和石墨烯电池。

因此，现在是普及基础知识的好时机：电池是如何工作的，它们在电网中扮演什么角色？

电池是如何工作的？

简短的答案是，电池会进行化学反应，释放能量。能量以电的形式释放，将电池连接到电路可以发生反应。

要理解稍长的答案，值得看看原子的结构。原子有一个原子核，由带正电荷的质子和无电荷中子组成，周围环绕着带负电荷的电子云。

锂原子的图画：原子核中的质子（红色）和中子（蓝色），电子（灰色）在外面呼啸。来源：Richie Bendall - 自己的作品，CC BY-SA 4.0，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=102688272

电子可以很容易地从一个原子移动到另一个原子。如果你能以一致的流动方式移动电子，你就可以使用电力来创造热量、光和各种其他有用的东西。

电池有一种物质或试剂，提供电子（称为阳极），另一种接受电子的试剂（称为阴极）。电子通过你试图供电的设备中的电路在试剂之间发送，让电力流动。

为了使这种反应起作用，带正电荷的东西还必须从阳极移动到阴极，以平衡带负电荷的电子。电子少于质子的原子——称为正离子或阳离子——可以完成这项工作。

正离子不会通过电路移动，而是通过连接阳极和阴极的单独桥。这是电解质——它可以是液体溶液，也可以是固体。

整个过程被称为电化学电池。电池只能使用一个电池，也可以有几个电化学电池相互连接。

大多数商用电池实际上依赖于化学反应，这些反应比简单地分流电子和一种正离子（包括锂离子）更复杂。可能涉及几种不同类型的金属、盐和其他反应物。

但是，电池最终都需要阴极、阳极和电解质。

一个简单的电化学电池。来源：Emanuele Oddo – 自己的作品，CC BY-SA 4.0，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=80156641

不可充电和可充电电池有什么区别？

它是由什么组成的。在不可充电的电池中，产生电子的反应只能以一种方式工作：一旦阴极中的物质接受了电子，它就无法恢复到以前的无电子自我。

在可充电电池中，可以扭转这种反应。外部电源可以从阴极中取出电子并将其添加到阳极中，使它们保持新鲜，并准备再次反应。

构成阳极、阴极和电解质的物质将决定反应是否可逆。

为什么可充电电池会耗尽？

因为电池中有一堆不同的物质相互反应，使这些电子流动，所以有几件事出错的机会。

化学反应很少能完全制造你想要的产品——通常有少量的副产品。

澳大利亚国立大学电池存储和电网集成项目负责人Lachlan Blackhall教授表示：“当发生化学反应时，有时当你给它充电时，它不会完全逆转。这可能会导致树突生长之类的东西——这是一种微小的晶体生长。”

“随着时间的推移，这有效地降低了该化学反应继续以可逆的方式发生的能力。”

研究人员和制造商越来越擅长寻找具有干净可逆反应的电池化学成分，这些反应随着时间的推移几乎不会耗尽。

例如，特斯拉在南澳大利亚州霍恩斯代尔电力储备的电池保修期为15年，但运营商Neoen相信，这些电池目前仍将保留大部分容量，并且将能够根据市场条件和其他因素在电池之外运行。

2017年9月，特斯拉Powerpack电池在霍恩斯代尔安装之前。来源：维基共享

手机电池和电网电池有什么区别？

“在许多情况下，它们实际上是相同的化学反应。”

“一个网格规模的电池，它只有数百或数千个小锂离子电池，在电池模块中进行包装和管理。”

大电池不是奇异的电化学电池。它们实际上是一系列较小的单元，排在一个地方。

也就是说，这并不能保证你的手机与电网电池相同。电池的要求都说明了它可能由什么构成。例如，重量是汽车电池中绝对关键的功能，但它与家用静电电池不太相关。在那里，你也许可以使用更便宜但更重的材料。

这提出了另一个问题：

为什么电池需要锂？

锂离子电池会永远是金本位吗？我们可以用更便宜的物质制作它们吗？

锂作为“电池女王”备受推崇的原因在于它的基本化学成分。作为最轻的金属，只有三个质子，锂基本上可以保证是制造电池能量最强的方式。

但电网电池和家庭电池可能比汽车或手机电池更大、更重。例如，钠对锂具有经济可行性。

流动电池也开始被采用为大电池。流动电池的运行结构与传统电池截然不同——它们可能永远不会耗尽，并且在没有锂的情况下可以非常高效地工作。Vanadium是这里特别受欢迎的候选者。

在规模的另一端，小型电子产品不一定需要强大的电池。在这里，我们可以在化学方面更具创造性——例如，使用纸张和碳基聚合物等可生物降解材料。

它们如何在网格中工作？

抽水是一种比电池更便宜的能源储存方式。但电池有一个功能，在能源转换中具有关键优势：它们几乎可以立即向电网供电。

“化学反应可以发生得足够快，你可以非常快地从中吸取电流。”

“输出几乎可以是瞬间的。”

即使是最快形式的化石燃料发电机也无法与之匹敌——例如用于峰值能源的燃气发电厂。

“煤气峰值，从无输出到输出电力可能需要15分钟，只是因为你必须将涡轮机向上旋转。”

目前，电网的设计是为了适应这种时间。但随着我们进一步过渡能源系统，我们可能会变得更加灵活。

“由于你可以如此快速地控制电池，一旦我们完全关闭所有同步发电机，我们甚至可能会为我们的电力系统提供新的操作范式。”

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