可充電(即,鋅錳或鎳鎘)電池如何工作?是什麼使得某些電池中的反應是可逆的,而在另一些電池中則不然?

俄勒岡州立大學化學副教授邁克爾·M·勒納回應道

“電池可充電的必要條件之一是,當在電池兩端施加相反的電勢時,電池放電期間發生的潛在化學變化必須有效地逆轉。例如,在鎳鎘(NiCad)電池中,電池放電期間形成的Cd(OH)2和Ni(OH)2在電池充電時很容易被還原回原始電極材料(Cd和NiOOH)。

“相比之下,不可充電或一次電池可能基於不可逆的化學變化。例如,相機中常用的碳氟化合物-鋰一次電池透過將(CF)n和鋰金屬轉化為碳和LiF來產生能量。但是,當施加反向電勢時,電池正極的起始材料(CF)n不會重新形成。相反,電池電解質會分解,最終氟化物會被氧化形成氟氣。


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“然而,可逆的化學變化不是可充電電池的唯一要求。要被歸類為可充電電池,電池必須能夠有效地進行逆反應,以便可以進行數百甚至數千次的充電迴圈。此外,通常必須有措施來確保充電過程可以安全地進行。

“鹼性電池(通常基於MnO2和Zn轉化為Mn3O4和ZnO)為最後一點提供了一個極好的例子。儘管電極上的化學變化可以逆轉,但直到最近,鹼性電池的製造目的只是作為一次電池。給這些一次電池充電可以使電池重複使用,但是這種電池的可能充電迴圈次數非常有限——每次充電後的效能都會變差。更重要的是,給老式鹼性電池充電是不安全的。在充電期間或之後,電池可能會產生足夠的氫氣以引起爆炸。在其可充電形式中,鹼性電池經歷了幾項改變。它們經過重新設計,以允許更有效的逆反應,它們包含催化劑以最大限度地減少氫氣形成,並且它們具有安全閥,可防止充電期間過壓積聚。”

弗蘭克·麥克拉農是勞倫斯伯克利國家實驗室能源與環境部門的 staff scientist 和首席研究員。他闡明瞭為什麼某些反應是不可逆的

“所有電池,包括可充電電池和不可充電電池,都經歷電化學反應。當電池放電時,負極發生電化學氧化反應,正極發生電化學還原反應。當人們嘗試透過反轉電流方向來給電池充電時,會發生相反的情況:負極發生還原反應,正極發生氧化反應。

“在可充電電池的情況下,電化學氧化-還原反應在兩個電極上都是可逆的。例如,當電池充電時,負極的整體電化學還原反應與電池放電時負極的電化學氧化反應相同,只是方向相反。

“在不可充電電池的情況下,當人們嘗試透過反轉電子電流方向來給電池充電時,至少有一個電化學氧化-還原反應是不可逆的。當電池充電時,負極發生的整體還原反應可能不是電池放電時發生的氧化反應的真正逆反應。例如,金屬氧化可能是電池放電期間唯一的氧化反應,而氫氣(一種高度易燃且因此危險的氣體)的形成可能是電池充電期間顯著的還原反應。

“良好效能(即,長壽命)的可充電電池的另一個附加要求是,不僅電化學氧化-還原反應必須是可逆的,而且還必須使電極材料恢復到其原始物理狀態。例如,在重複的充放電迴圈後,電池中可能會形成粗糙或絲狀結構。這些結構會導致電極不必要的生長,並導致電池電極之間的電子接觸——短路。

“由於這些要求,可充電電池的開發比不可充電電池的開發要困難得多。在鎳鎘電池的情況下,鎘電極具有兩個重要特徵。首先,鎘上氫氣形成的速率非常慢(與純鋅或純鐵等相比)。其次,鎘在鹼性水溶液中的溶解度足夠低,以至於鎘不會傾向於溶解在電解質中並遷移到正極或電池內的其他位置。然而,與此同時,鎘的溶解度足以使其還原反應容易進行,並且在電池充電期間可以形成緻密的鎘結構;大多數其他金屬的溶解度要麼太高要麼太低。這些和其他基本因素使得可充電鎳鎘電池的成功開發成為可能

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