銀鋅蓄電池工作原理

銀鋅蓄電池在充好電后，其正極板的活性物質(zhì)是過(guò)氧化銀(Ag₂O₂)，負(fù)極板的活性物質(zhì)是鋅，電解液是以氫氧化鉀為主，并配以鋅酸鹽的飽和水溶液。放完電后，正極板的活性物質(zhì)變?yōu)殂y，負(fù)極板則變?yōu)闅溲趸\[Zn(OH)₂]。

放電時(shí)，在負(fù)極鋅與電解液中的氫氧根離子化合，生成氫氧化鋅，并放出兩個(gè)電子，其化學(xué)反應(yīng)式為：

Zn 2OH^-→Zn(OH)₂ 2e

在正極，化學(xué)反應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段，過(guò)氧化銀獲得電子并與水化合，生成氧化銀(Ag₂O)和氫氧根離子，其化學(xué)反應(yīng)式為：

Ag₂O₂ H₂O 2e→Ag₂O 2OH^-

當(dāng)放電進(jìn)行到一定程度時(shí)，轉(zhuǎn)入第二階段，氧化銀又獲得電子，并與水化合，生成銀和氫氧根離子，其化學(xué)反應(yīng)式為：

Ag₂O H₂O 2e→2Ag 2OH^-

與此同時(shí)，生成的銀還會(huì)與過(guò)氧化銀進(jìn)行如下反應(yīng)：

2Ag Ag₂O₂→2Ag₂O

綜合以上4個(gè)反應(yīng)式，得到放電時(shí)的化學(xué)反應(yīng)式如下：

Ag₂O₂ 2Zn 2H₂O→2Ag 2Zn(OH)₂

從上述化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可知，在放電時(shí)負(fù)極板上的鋅被氧化，生成氫氧化鋅，同時(shí)消耗掉氫氧根離子；正極板上的過(guò)氧化銀被還原，先生成氧化銀，繼而生成銀，同時(shí)消耗掉水，并產(chǎn)生氫氧根離子；電解液中的氫氧化鉀并無(wú)消耗掉，離子鉀和離子氫氧根僅是在兩極間起輸送電能的作用，但水則參與化學(xué)反應(yīng)，不斷被極板吸收，氫氧化鉀的濃度越來(lái)越大。

銀鋅蓄電池的化學(xué)反應(yīng)也是可逆的，故充、放電的化學(xué)反應(yīng)式為：

Ag₂O₂ 2Zn 2H₂O

這種電池是由一系列圓形鋅片和銀片相互交迭而成的裝置，在每一對(duì)銀片和鋅片之間，用一種在鹽水或其他導(dǎo)電溶液中浸過(guò)的紙板隔開(kāi)。銀片和鋅片是兩種不同的金屬，鹽水或其他導(dǎo)電溶液作為電解液，它們構(gòu)成了電流回路。這是一種比較原始的電池，是由很多銀鋅電池連接而成的電池組。

經(jīng)過(guò)了200多年的更迭，銀鋅蓄電池至今仍然出現(xiàn)在我們的手表、計(jì)算器等低耗電設(shè)備中。既然銀鋅蓄電池有那么久遠(yuǎn)的歷史，為什么至今才被當(dāng)作鋰電池最有希望的接班人推出？其實(shí)自問(wèn)世以來(lái)，民用的銀鋅電池就只能提供較低的電壓和電流，電池容量也相當(dāng)小。普通的鋅銀電池的正極是氧化汞加石墨，或者是氧化銀加石墨，負(fù)極材料是金屬鋅，電解質(zhì)是強(qiáng)堿氫氧化鉀。普通銀鋅電池性能穩(wěn)定，不可充電，占據(jù)了紐扣電池市場(chǎng)的半壁江山。在上世紀(jì)七十年代，人們才開(kāi)發(fā)出了銀鋅蓄電池。銀鋅蓄電池正極采用Ag₂O₂ 2H₂O 4e→2Ag 4OH^-，負(fù)極采用2Zn 4OH^- →2Zn(OH)₂ 4e，可以擁有極高的電容量和穩(wěn)定的電池性能。大容量銀鋅蓄電池價(jià)格驚人，在當(dāng)今的航天飛機(jī)、導(dǎo)彈、魚(yú)雷等尖端領(lǐng)域才能找到大容量銀鋅蓄電池的身影。

對(duì)于數(shù)碼設(shè)備來(lái)說(shuō)，在不考慮成本的情況下，銀鋅蓄電池將會(huì)使最佳的選擇。為了實(shí)現(xiàn)銀鋅蓄電池低價(jià)化的目標(biāo)，一家叫做Zinc Matrix的公司自1999年開(kāi)始就在風(fēng)險(xiǎn)投資的助力下開(kāi)發(fā)低成本長(zhǎng)壽命的銀鋅充電電池。經(jīng)過(guò)了幾年的努力，在2006年Intel信息技術(shù)峰會(huì)上，Zinc Martix展出了它們首個(gè)民用銀鋅充電電池原型。初次展出的該款電池只有1.6V電壓，但電池容量可以達(dá)到10AH。在隨后的兩年間，Zinc Martix改名為ZPower，繼續(xù)從事銀鋅電池的改良設(shè)計(jì)。2008年5月ZPower公司宣布旗下的銀鋅充電電池在同等體積下能獲得超過(guò)鋰電池30%~40%的電容量，并且較后者更安全耐用。

銀鋅蓄電池電動(dòng)勢(shì)

銀鋅蓄電池電動(dòng)勢(shì)的變化，主要受正極板的化學(xué)反應(yīng)階段性影響，而與電解液的密度無(wú)關(guān)。 銀鋅蓄電池正、負(fù)極的電極電位φ與氫氧化鉀百分比濃度N的關(guān)系如圖1所示。從圖1中可以看出氫氧化鉀濃度變化(相當(dāng)于密度變化)時(shí)，正、負(fù)極的電極電位都要變化，但它們的差值即電池的電動(dòng)勢(shì)基本保持不變。因此，銀鋅蓄電池的電動(dòng)勢(shì)與電解液的密度無(wú)關(guān)。

從圖1中可以看出，銀鋅蓄電池的電動(dòng)勢(shì)隨正極活性物質(zhì)的變化而有所不同。在放電過(guò)程中的第一階段，正極的電極電位主要取決于過(guò)氧化銀的電極電位。但在放電過(guò)程中，部分過(guò)氧化銀生成氧化銀，氧化銀的電極電位較低，所以正極電極電位逐漸下降，因此電動(dòng)勢(shì)隨正極電極電位的下降而減小。放電過(guò)程的第二階段，正極電極電位變成以氧化銀的電極電位為主，電極電位有所降低，因此電動(dòng)勢(shì)仍將繼續(xù)下降，但比第一階段緩慢。

銀鋅蓄電池內(nèi)電阻

與鉛蓄電池一樣，銀鋅蓄電池的內(nèi)電阻也由極板電阻、電解液電阻和極板與電解液的接觸電阻組成。由于銀鋅蓄電池在充、放電過(guò)程中不消耗氫氧化鉀，因此內(nèi)電阻的變化受電解液的影響較小，主要由極板生成物質(zhì)的電阻決定。例如在放電過(guò)程的第一階段，正極板生成阻值較高的氧化銀，負(fù)極板也部分被氫氧化鋅所遮蓋，因此內(nèi)電阻將逐漸增大。笫二階段由于正極板生成導(dǎo)電性很好的銀，因此內(nèi)電阻反而有所減小。

銀鋅蓄電池放電電壓

放電時(shí)電壓的變化情形如圖2所示，銀鋅蓄電池的放電電壓也有明顯的階段性。

放電過(guò)程的第一階段，一方面電動(dòng)勢(shì)要減小，一方面內(nèi)壓降隨內(nèi)電阻的加大而增大，因此端電壓下降較快，如圖2中AB段。第二階段電動(dòng)勢(shì)繼續(xù)下降，但比較緩慢，而內(nèi)壓降則隨內(nèi)電阻的減小而減小，因此端電壓保持不變，如圖2中BC段。到C點(diǎn)以后，剩下的活性物質(zhì)已經(jīng)很少，若過(guò)量放電，端電壓將迅速降低到D點(diǎn)或0伏，單體電池的終了電壓一般取1.3-1.1 V。

由于放電的第二階段有銀與過(guò)氧化銀結(jié)合，生成氧化銀后參與放電反應(yīng)，所以這個(gè)階段持續(xù)的時(shí)問(wèn)一般都大于放電總時(shí)間的70%，成為放電的主要階段。

銀鋅蓄電池充電電壓

XYG-45型單體電池以4.5A電流充電時(shí)，其電壓曲線如圖3所示。

充電電壓特性曲線具有明顯的階段性。這主要是由正極化學(xué)反應(yīng)的階段性決定的。第一個(gè)平階對(duì)應(yīng)于曲線AB段，負(fù)極板的部分氫氧化鋅還原成鋅，正極板的銀氧化為氧化銀，電壓基本穩(wěn)定在1.62-1.64V之間。到B點(diǎn)時(shí)，正極板表面被氧化銀所覆蓋，電解液擴(kuò)散困難，極板里層孔隙中的化學(xué)反應(yīng)處于停滯狀態(tài)，電壓躍升到C點(diǎn)，然后轉(zhuǎn)為第二個(gè)平階對(duì)應(yīng)于曲線CD段，負(fù)極板的氫氧化鋅繼續(xù)還原為鋅，正極板的氧化銀再氧化為過(guò)氧化銀。由于過(guò)氧化銀的導(dǎo)電性能比氧化銀好，所以電壓升高到生成過(guò)氧化銀的C點(diǎn)以后，充電電壓先要稍微下降，而后由于電動(dòng)勢(shì)要緩慢上升，內(nèi)電阻逐漸減小，因此電壓基本保持在1.92 V左右，直到D點(diǎn)為止。D點(diǎn)以后，極板上的活性物質(zhì)已基本還原，若繼續(xù)充電，電壓將迅速升高，并開(kāi)始電解水，正、負(fù)極板周圍分別冒出氧氣和氫氣，甚至?xí)a(chǎn)生火災(zāi)等危險(xiǎn)。一般充電到2.05V即為終了電壓，應(yīng)停止充電。如果過(guò)量充電，還會(huì)造成內(nèi)部短路等故障。

銀鋅蓄電池充電方法

（1）正常充電

蓄電池完全放電后，先用8 A電流充電4 h，然后再用4 A電流充電6 h。壽命后期，因容量減小，一般充不到10 h，應(yīng)在充電到終了電壓2.05 V時(shí)停止。

（2）補(bǔ)充充電

對(duì)半放電的蓄電池可用4.5 A的電流進(jìn)行補(bǔ)充充電，充到終了電壓為止。

（3）緊急充電

在急需的情況下。可用22.5 A電流充電到2 V，然后保持當(dāng)時(shí)的電壓繼續(xù)充電3 h。

（4）初次充電

銀鋅蓄電池以干放電狀態(tài)出廠，啟用時(shí)要經(jīng)過(guò)灌注電解液、浸泡、化成、檢驗(yàn)容量和充電檢查等步驟以后方能使用。

（5）化成

進(jìn)行兩個(gè)充、放電循環(huán)，使活性物質(zhì)充分活化，以獲得良好的供電能力。

（6）檢查容量

以45 A電流放電到終了電壓，放電時(shí)間不應(yīng)少于54 min。

（7）充電檢查

正常充電后放置24 h，檢查每個(gè)單體電池的電動(dòng)勢(shì)，若低于1.82 V，說(shuō)明存在內(nèi)部短路故障，應(yīng)予更換。

初次充電總共需要4-6天，所以在飛機(jī)上啟用銀鋅蓄電池需要一定的時(shí)間提前量。

銀鋅蓄電池注意問(wèn)題

要及時(shí)調(diào)整充電電流，一般每小時(shí)檢查并凋整一次，充電到實(shí)有容最的90%以后，應(yīng)勤加檢查，防止過(guò)量充電。不允許并聯(lián)充電，以免有些電池過(guò)量充電。充電間不允許放置酸性蓄電池和其他酸性物質(zhì)。

銀鋅蓄電池常見(jiàn)的主要故障是內(nèi)部短路。單體電池短路時(shí)將出現(xiàn)這些現(xiàn)象，即充電電壓很低或開(kāi)路時(shí)電動(dòng)勢(shì)迅速降低，溫度則迅速升高，導(dǎo)致極柱上的焊錫熔化，連接條燒紅，塑料外殼變形，冒電解液，散發(fā)出難聞的氣味。造成內(nèi)部短路的直接原因有：

（1）極板上端出現(xiàn)海綿狀鋅而短路。

（2）鋅酸鹽在負(fù)極沉積，生成鋅枝，穿透隔板，延伸到正極而短路。

（3）氧化銀溶解后，在隔板上沉積，使隔板強(qiáng)烈氧化，同時(shí)氧化銀生成金屬銀微粒，使隔板失去絕緣性而短路。

前兩種短路主要是由于過(guò)量充、放電所致。過(guò)量充電時(shí)，正、負(fù)極分別產(chǎn)生氧氣和氫氣，再加上溫度高，氣體膨脹，不斷上移逸出，于是海綿狀鋅被擠壓到極板上端而短路；過(guò)量充電時(shí)，電解液中的鋅酸根離子會(huì)在負(fù)極板上逐步沉積，形成樹(shù)枝狀的鋅枝。

至于氧化銀對(duì)隔板的氧化損壞，主要是蓄電池在充足電和高溫下，較長(zhǎng)期保存所致。為此，應(yīng)盡量防止充足電的蓄電池在高溫下擱置。如果預(yù)計(jì)一個(gè)月內(nèi)不使用蓄電池，應(yīng)在放電狀態(tài)下保存，這一點(diǎn)與鉛蓄電池不同。