基本介紹
- 中文名：銀鋅蓄電池
- 外文名：Silver zinc battery
- 電解液：氫氧化鉀溶液
- 特點：正極為氧化銀，負極為鋅
- 用途：宇宙航行、人造衛星的電源
- 優點：放電電壓平穩、自放電小
- 缺點：壽命短、造價很高
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發展歷程
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，在每一對銀片和鋅片之間，用一種在鹽水或其他導電溶液中浸過的紙板隔開。銀片和鋅片是兩種不同的金屬，鹽水或其他導電溶液作為電解液，它們構成了電流迴路。這是一種比較原始的電池，是由很多銀鋅電池連線而成的電池組。
經過了200多年的更迭，銀鋅蓄電池至今仍然出現在我們的手錶、計算器等低耗電設備中。既然銀鋅蓄電池有那么久遠的歷史，為什麼至今才被當作鋰電池最有希望的接班人推出？其實自問世以來，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，負極材料是金屬鋅，電解質是強鹼氫氧化鉀。普通銀鋅電池性能穩定，不可充電，占據了紐扣電池市場的半壁江山。在上世紀七十年代，人們才開發出了銀鋅蓄電池。銀鋅蓄電池正極採用Ag2O2 + 2H2O + 4e→2Ag + 4OH-，負極採用2Zn + 4OH- →2Zn(OH)2 + 4e，可以擁有極高的電容量和穩定的電池性能。大容量銀鋅蓄電池價格驚人，在當今的太空梭、飛彈、魚雷等尖端領域才能找到大容量銀鋅蓄電池的身影。
對於數碼設備來說，在不考慮成本的情況下，銀鋅蓄電池將會使最佳的選擇。為了實現銀鋅蓄電池低價化的目標，一家叫做Zinc Matrix的公司自1999年開始就在風險投資的助力下開發低成本長壽命的銀鋅充電電池。經過了幾年的努力，在2006年Intel信息技術峰會上，Zinc Martix展出了它們首個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，但電池容量可以達到10AH。在隨後的兩年間，Zinc Martix改名為ZPower，繼續從事銀鋅電池的改良設計。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鋰電池30%~40%的電容量，並且較後者更安全耐用。
最初的銀鋅電池原型
最初的銀鋅電池原型工作原理
銀鋅蓄電池在充好電後，其正極板的活性物質是過氧化銀(Ag2O2)，負極板的活性物質是鋅，電解液是以氫氧化鉀為主，並配以鋅酸鹽的飽和水溶液。放完電後，正極板的活性物質變為銀，負極板則變為氫氧化鋅[Zn(OH)2]。
放電時，在負極鋅與電解液中的氫氧根離子化合，生成氫氧化鋅，並放出兩個電子，其化學反應式為：
Zn+2OH-→Zn(OH)2+2e
在正極，化學反應分兩個階段進行。第一階段，過氧化銀獲得電子並與水化合，生成氧化銀(Ag2O)和氫氧根離子，其化學反應式為：
Ag2O2+H2O+2e→Ag2O+OH-
當放電進行到一定程度時，轉入第二階段，氧化銀又獲得電子，並與水化合，生成銀和氫氧根離子，其化學反應式為：
Ag2O+H2O+2e→2Ag+OH-
與此同時，生成的銀還會與過氧化銀進行如下反應：
2Ag+Ag2O2→2Ag2O
綜合以上4個反應式，得到放電時的化學反應式如下：
Ag2O2+ 2Zn + 2H2O→2Ag + 2Zn(OH)2
從上述化學反應過程可知，在放電時負極板上的鋅被氧化，生成氫氧化鋅，同時消耗掉氫氧根離子；正極板上的過氧化銀被還原，先生成氧化銀，繼而生成銀，同時消耗掉水，並產生氫氧根離子；電解液中的氫氧化鉀並無消耗掉，離子鉀和離子氫氧根僅是在兩極間起輸送電能的作用，但水則參與化學反應，不斷被極板吸收，氫氧化鉀的濃度越來越大。
銀鋅蓄電池的化學反應也是可逆的，故充、放電的化學反應式為：
Ag2O2+ 2Zn + 2H2O
2Ag + 2Zn(OH)2
放電特性
電動勢
銀鋅蓄電池電動勢的變化，主要受正極板的化學反應階段性影響，而與電解液的密度無關。 銀鋅蓄電池正、負極的電極電位φ與氫氧化鉀百分比濃度N的關係如圖1所示。從圖中可以看出氫氧化鉀濃度變化(相當於密度變化)時，正、負極的電極電位都要變化，但它們的差值即電池的電動勢基本保持不變。因此，銀鋅蓄電池的電動勢與電解液的密度無關。
圖1 銀鋅蓄電池電極電位與氫氧化鉀濃度關係
圖1 銀鋅蓄電池電極電位與氫氧化鉀濃度關係從圖1中可以看出，銀鋅蓄電池的電動勢隨正極活性物質的變化而有所不同。在放電過程中的第一階段，正極的電極電位主要取決於過氧化銀的電極電位。但在放電過程中，部分過氧化銀生成氧化銀，氧化銀的電極電位較低，所以正極電極電位逐漸下降，因此電動勢隨正極電極電位的下降而減小。放電過程的第二階段，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，因此電動勢仍將繼續下降，但比第一階段緩慢。
內電阻
與鉛蓄電池一樣，銀鋅蓄電池的內電阻也由極板電阻、電解液電阻和極板與電解液的接觸電阻組成。由於銀鋅蓄電池在充、放電過程中不消耗氫氧化鉀，因此內電阻的變化受電解液的影響較小，主要由極板生成物質的電阻決定。例如在放電過程的第一階段，正極板生成阻值較高的氧化銀，負極板也部分被氫氧化鋅所遮蓋，因此內電阻將逐漸增大。笫二階段由於正極板生成導電性很好的銀，因此內電阻反而有所減小。
放電電壓
放電時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。
圖2 單體電池的放電電壓特性
圖2 單體電池的放電電壓特性由於放電的第二階段有銀與過氧化銀結合，生成氧化銀後參與放電反應，所以這個階段持續的時問一般都大於放電總時間的70%，成為放電的主要階段。
充電
充電電壓
XYG-45型單體電池以4.5A電流充電時，其電壓曲線如圖3所示。
圖3 XYG-45型單體電池電池充電電壓特性
圖3 XYG-45型單體電池電池充電電壓特性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反應的階段性決定的。第一個平階對應於曲線AB段，負極板的部分氫氧化鋅還原成鋅，正極板的銀氧化為氧化銀，電壓基本穩定在1.62-1.64V之間。到B點時，正極板表面被氧化銀所覆蓋，電解液擴散困難，極板裡層孔隙中的化學反應處於停滯狀態，電壓躍升到C點，然後轉為第二個平階對應於曲線CD段，負極板的氫氧化鋅繼續還原為鋅，正極板的氧化銀再氧化為過氧化銀。由於過氧化銀的導電性能比氧化銀好，所以電壓升高到生成過氧化銀的C點以後，充電電壓先要稍微下降，而後由於電動勢要緩慢上升，內電阻逐漸減小，因此電壓基本保持在1.92 V左右，直到D點為止。D點以後，極板上的活性物質已基本還原，若繼續充電，電壓將迅速升高，並開始電解水，正、負極板周圍分別冒出氧氣和氫氣，甚至會產生火災等危險。一般充電到2.05V即為終了電壓，應停止充電。如果過量充電，還會造成內部短路等故障。
充電方法
（1）正常充電
蓄電池完全放電後，先用8 A電流充電4 h，然後再用4 A電流充電6 h。壽命後期，因容量減小，一般充不到10 h，應在充電到終了電壓2.05 V時停止。
（2）補充充電
對半放電的蓄電池可用4.5 A的電流進行補充充電，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，然後保持當時的電壓繼續充電3 h。
（4）初次充電
銀鋅蓄電池以乾放電狀態出廠，啟用時要經過灌注電解液、浸泡、化成、檢驗容量和充電檢查等步驟以後方能使用。
（5）化成
進行兩個充、放電循環，使活性物質充分活化，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，放電時間不應少於54 min。
（7）充電檢查
初次充電總共需要4-6天，所以在飛機上啟用銀鋅蓄電池需要一定的時間提前量。
注意問題
主要故障
銀鋅蓄電池常見的主要故障是內部短路。單體電池短路時將出現這些現象，即充電電壓很低或開路時電動勢迅速降低，溫度則迅速升高，導致極柱上的焊錫熔化，連線條燒紅，塑膠外殼變形，冒電解液，散發出難聞的氣味。造成內部短路的直接原因有：
（1）極板上端出現海綿狀鋅而短路。
（3）氧化銀溶解後，在隔板上沉積，使隔板強烈氧化，同時氧化銀生成金屬銀微粒，使隔板失去絕緣性而短路。
