銀鋅蓄電池

銀鋅蓄電池的比能量大，能大電流放電，耐震，用作宇宙航行、人造衛星、火箭等的電源。充、放電次數可達約100～150次循環。其缺點是價格昂貴，使用壽命較短。

也許你是第一次聽說銀鋅電池這個名詞，但這並不妨礙銀鋅電池的電池鼻祖地位。早在1800年春季，義大利科學家伏打（Volta）就發明了著名的“伏打電池”。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接而成的電池組。如你所知，這便是所有電池的雛形。

經過了200多年的更迭，銀鋅電池至今仍然出現在我們的手錶、計算器等低耗電設備中。既然銀鋅電池有那麼久遠的歷史，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，佔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。大容銀鋅蓄電池價格驚人，在當今的太空梭、導彈、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，銀鋅電池將會使最佳的選擇。為了實現銀鋅電池低價化的目標，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。預計首款採用ZPower銀鋅充電電池的筆記本電腦將會在2009年全面上世。

銀鋅蓄電池在充好電后，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。放完電后，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+2OH

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+2OH

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，併產生氫氧根離子；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

放電時電極反應可寫成：

負極Zn+20H-2eˉ=ZnO+H2O

正極Ag2O+H20+2eˉ=2Ag+20Hˉ

電池總反應為：Zn+Ag2O=ZnO+2Ag

微型紐扣式銀鋅電池由正極殼、負極蓋(二者都用不鏽鋼做成)、絕緣密封圈、隔離膜、正極活性材料(AgO和少量石墨粉，後者起導電作用)、負極活性材料(含汞量很少的鋅汞合金)、電解質溶液(濃KOH溶液)等組裝而成。質量較好的可用約1年，最好的可用約2年。手錶中用的一般就是這種紐扣式電池。這種電池用完后即報廢，不再去充電。

為什麼在紐扣式銀鋅電池中的負極活性材料用的不是單純的鋅而是含汞量很少的鋅汞合金？這是因為如果用了單純的鋅，電池在未工作時(即空置時)就會被電池中的電解質溶液腐蝕而放出氫氣，以致影響電池的使用壽命，而改用含汞雖然很少的鋅汞合金的話，可以使電池在未工作時鋅極被腐蝕的過程被阻止到最小的程度。不僅銀鋅電池是這樣，在其它某些電池中也採取同樣的措施。如在製造鋅錳乾電池的傳統工藝中，鋅皮用氯化汞溶液處理，部分鋅發生了反應：Zn+Hg=Zn+Hg生成的汞與未起反應的鋅形成鋅汞合金。製造過程中控制HgCl2的用量，使生成的合金中含汞僅約0.25％。汞太多則使鋅變脆。近年來正在研究乾池等中不用汞的工藝以避免汞污染的危害。

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。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。

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

銀鋅蓄電池的放電電壓也有明顯的階段性。

放電過程的第一階段，一方面電動勢要減小，一方面內壓降隨內電阻的加大而增大，因此端電壓下降較快，第二階段電動勢繼續下降，但比較緩慢，而內壓降則隨內電阻的減小而減小，因此端電壓保持不變，剩下的活性物質已經很少，若過量放電，端電壓將迅速降低到D點或0伏，單體電池的終了電壓一般取1.3-1.1V。

由於放電的第二階段有銀與過氧化銀結合，生成氧化銀后參與放電反應，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。

充電電壓

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1.92V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

蓄電池完全放電后，先用8A電流充電4h，然後再用4A電流充電6h。壽命後期，因容量減小，一般充不到10h，應在充電到終了電壓2.05V時停止。

（2）補充充電

對半放電的蓄電池可用4.5A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22.5A電流充電到2V，然後保持當時的電壓繼續充電3h。

（4）初次充電

銀鋅蓄電池以干放電狀態出廠，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45A電流放電到終了電壓，放電時間不應少於54min。

（7）充電檢查

正常充電後放置24h，檢查每個單體電池的電動勢，若低於1.82V，說明存在內部短路故障，應予更換。

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

要及時調整充電電流，一般每小時檢查並凋整一次，充電到實有容最的90%以後，應勤加檢查，防止過量充電。不允許並聯充電，以免有些電池過量充電。充電間不允許放置酸性蓄電池和其他酸性物質。

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，連接條燒紅，塑料外殼變形，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。

（2）鋅酸鹽在負極沉積，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。

前兩種短路主要是由於過量充、放電所致。過量充電時，正、負極分別產生氧氣和氫氣，再加上溫度高，氣體膨脹，不斷上移逸出，於是海綿狀鋅被擠壓到極板上端而短路；過量充電時，電解液中的鋅酸根離子會在負極板上逐步沉積，形成樹枝狀的鋅枝。

至於氧化銀對隔板的氧化損壞，主要是蓄電池在充足電和高溫下，較長期保存所致。為此，應盡量防止充足電的蓄電池在高溫下擱置。如果預計一個月內不使用蓄電池，應在放電狀態下保存，這一點與鉛蓄電池不同。