高能電池
正文
具有較高比能量的電池。電池比能量 在電池反應中,1千克反應物質所產生的電能稱為電池的理論比能量。以鉛蓄電池為例，它的電池反應為
Pb＋PbO2＋2H2SO4─→2PbSO4＋2H2O
反應物的電化學當量之和為 3.866(Pb)＋4.463(PbO2)+3.659(H2SO4)懡12克，這些物質全部反應後產生1安時的電量。 因此1千克反應物質可產生83.3安時的電量。電量與電動勢的乘積等於電能,所以1千克反應物產生的電能為83.3×2.044＝170.3瓦時。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為，在計算中假定了反應物全部按電池反應進行，即無副反應；忽略了電池的內阻引起的電位降；沒有考慮反應物質以外的其他部件的重量。理論比能量是實際比能量的極限。在研製新型化學電池時，理論比能量與實際比能量的比值能夠反映出電池的研製水平。理論上,1克當量活性物質完全反應後能夠產生26.8安時的電量。由此可知，當量越小，產生的理論安時電量就越大。所以，高能電池的正負極活性物質是周期表上方的單質及其化合物。由於電池的電動勢是正極電位與負極電位之差，因此，通常選擇電位較正的電極為正極，電位較負的電極為負極，即以周期表左邊元素的單質及其離子所構成的電極為負極；以周期表左上角元素的單質及其離子所構成的電極為正極。
實際比能量影響因素 影響電池實際比能量的因素有電池的電壓效率、反應效率和重量效率。
①電壓效率(KE)：指電池的工作電壓與電動勢的比值。 主要與電流密度、擴散速度(包括溶液的擴散、氣體的透氣度以及活性物質內部的擴散)和電池的內阻(包括電解質溶液的電阻、集流體和隔板的電阻、固體活性物質和固體放電產物的電阻、多孔電極孔內電解質溶液的電阻以及接觸電阻)等有關。
②反應效率(KR)：指活性物質的利用率。電池副反應越少，則反應效率越高。
③重量效率(KW)：完全按電池反應式參加反應的活性物質的重量與電池總重量之比。電池中不參加電池反應的物質越多則重量效率越低。重量效率KW對電池實際比能量的影響不是孤立的。例如，加入添加劑，雖然降低了重量效率，但卻增大了反應效率KR和電壓效率KE。
實際比能量M與理論比能量M* 的關係可由下式表示：
①以鎂作負極活性物質的鎂乾電池:其結構與鋅-錳乾電池基本相同。鎂的標準電極電勢比較低，電化學當量小，具備了作為高能電池負極活性物質的優良條件。例如鎂-錳乾電池的實際比能量是鋅-錳乾電池的4倍,工作時電壓平穩，在低溫下也具有較好的工作能力，並且能耐高溫貯存。其缺點是有電壓滯後現象（接通後需要經一段時間，電壓才能上升至終止電壓值），滯後時間約為2～3秒；由於腐蝕作用，鎂電極電流效率低；不宜於小電流長時間的間歇放電。
②金屬-空氣電池:以空氣中的氧氣作為正極活性物質，金屬作為負極活性物質的電池（見電池）。
③鋰-非水電解質溶液電池:鋰的電化學當量約為鎂的二分之一，因此作為高能電池的負極，鋰比鎂更優越。但鋰與水要激烈反應，須採用有機溶劑或非水的無機溶劑來配製電解質溶液，再加入無機鹽使之導電。目前使用的正極材料主要有固體氟化物、氯化物、氧化物、硫化物。這些電池的理論比能量大都在1000瓦時／千克以上。其實際比能量也比較高。例如鋰-氟化銅(Li/CuF2)電池在放電電流密度為2毫安／厘米2時, 實際比能量可達250瓦時/千克。由於有機電解質溶液的比電導小，電流密度不能提高,因此鋰-非水電解質溶液電池是一種高比能量、低功率的電池。而鋰－硫化物電池在重負荷下放電，特別當外部短路時還會發生爆炸。
④鈉－硫電池：是近幾年研製出的比較成熟的一種二次電池。它的負極是熔融金屬鈉（Na）；正極活性物質是熔融多硫化鈉（Na2Sx），通常充滿在多孔碳中,碳作為正極集流體。需採用導電陶瓷管將鈉與多硫化鈉隔開，以防直接反應而引起自放電。此外，陶瓷管還起電池中的電解質作用。電池放電時,負極上的反應為
2Na─→2Na+＋2e-Na+
通過導電陶瓷管進入正極與硫發生反應形成多硫化物。當負極的鈉耗盡的時候則放電終止。為使鈉和多硫化鈉都處於液態,放電需在300℃左右進行。鈉-硫電池的實際比能量已經達100瓦時／千克,充放電循環壽命可達2000個深放電循環，因此特別適於用作車輛的電力電池。⑤鋰高溫電池：以鋰為負極，硫族（包括硫化物）和氯氣為正極活性物質，熔融鹽為電解質的電池。由於採用熔融鹽，電池在300～600℃間工作，因此鋰高溫電池與鈉－硫電池合稱為高溫電池。液態鋰電極經多次充放電循環後易失去濕潤性；硫在高溫下要揮發，並有腐蝕性；氯是氣體，難以處理。因此鋰高溫電池研製的方向將向以鋰合金為負極和以硫化物為正極的方向發展。如鋰鋁合金-硫化鐵電池，其電池反應為
4LiAl＋FeS2─→2Li2S＋Fe＋4Al
它的理論比能量為650瓦時／千克;實際比能量到80年代已超過100瓦時／千克；充放電循環周期大於250次。新開始研製的還有鋰矽合金-硫化鐵電池,具有更高的比能量。正在研製中的高能電池主要有鋅-鹵素電池、鈉-水電池和鋰-水電池等。
