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電池的構造與原理
所有的電池都具有陽極（負極）與陰極（正極），基本上都是由陽極（Anode）發生的化學反應產生電子（Electron）與陽離子（Ion），電子流入元件可以推動元件工作，也就是我們所稱的電能，如＜圖一（a）＞所示；陽離子則經由電解液穿越多孔性的隔離膜到達陰極，如＜圖一（b）＞所示；最後陽離子與電子在陰極（Cathode）結合，如＜圖一（c）＞所示。
電解液主要的功能是用來傳導陽離子，通常都是強酸或強鹼；隔離膜通常使用尼龍或聚丙烯（PP）不織布，必須具有許多孔隙讓陽離子流動，而且必須能夠抵抗強酸或強鹼電解液的腐蝕，並且能夠吸附電解液，同時具有絕緣性以防止陽極與陰極漏電短路。
此外，實際上電池可以依照不同的需要而製作成不同的形狀，可以製作成圓筒狀，例如：碳鋅電池、鹼性電池等，如＜圖一（d）＞所示，也可以製作為鈕扣狀，例如：汞電池（水銀電池）、銀電池等。
圖一、電池的構造
【重要觀念】
➤電池的陽極（Anode）：是我們所稱的「負極（Negative electrode）」。
➤電池的陰極（Cathode）：是我們所稱的「正極（Positive electrode）」。
兩者恰好相反，千萬別弄錯了唷！大家可能會好奇，為什麼會恰好相反來造成大家的困擾呢？因為化學家定義放出電子的叫「陽極」；而陽極放出電子，代表陽極必定帶負電（同性相斥、異性相吸），所以物理學家稱陽極為「負極」。
電池的能量密度
不同的電池其實只是陽極與陰極的材料不同、電解液不同，所以化學反應不同，產生的能量密度不同而已。能量密度的單位有兩種：
➤質量能量密度（Whr／Kg）：是指電池每公斤（Kg）可以產生多少能量（瓦特 – 小時），質量能量密度愈高，代表相同質量的電池可以產生更多的電能。
➤體積能量密度（Whr／L）：是指電池每公升（L）可以產生多少能量（瓦特 – 小時），體積能量密度愈高，代表相同體積的電池可以產生更多的電能。
記憶效應
電池的記憶效應，主要是由於電池充電或放電不完全，造成陽極材料（例如：鎳鎘電池的陽極為多晶鎘金屬）慢慢地產生較大的結晶，使得化學反應特性變差，能量密度變小。
➤充電不完全：是指電還沒充飽就停止充電，例如：使用者只充電到 60% 時就停止充電，如＜圖二（a）＞所示，則下一次再充電時，這個電池就只能充電到 60%，就好像電池記得上回使用者只充電到 60% 一樣，認定 60% 就是充滿了，所以這回也只充電到 60%。
➤放電不完全：是指電還沒用完就進行充電，例如：使用者只放電到 20% 時就停止放電，如＜圖二（b）＞所示，則下一次再放電時，這個電池就只能放電到 20%，就好像電池記得上回使用者只放電到 20% 一樣，認定 20% 就是放完了，所以這回也只放電到 20%。
圖二、電池的記憶效應
記憶效應會造成陰極材料的化學反應特性變差，使電池暫時性的容量變小，通常只會發生在鎳鎘電池；鎳氫電池的記憶效應比較小，鋰電池的記憶效應更小。
避免記憶效應的方法是保持電池「用完再充、充滿再用」，可以使用具有放電功能的充電器，先進行放電後再充電，並且等充滿電能以後再使用；但是要記得，鋰電池的特性與鎳鎘電池、鎳氫電池不同，鋰電池幾乎沒有記憶效應，過度放電反而會造成電池損壞，因此不適合用完再充，一般用到 10% 以下就應該充電了！
自放電效應
電池的自放電效應，是指電池在充滿電能之後，如果沒有立刻使用，則電池內的化學物質仍然會產生化學反應，造成儲存的電能慢慢減少，在所有的二次電池中，自放電效應最嚴重的是鉛蓄電池與鎳鎘電池，最輕微的是鋰電池。
電池的分類
常見的電池可以分為一次電池與二次電池兩大類，如＜圖三＞所示：
➤一次電池：只能使用一次就必須丟棄，無法進行充電。
➤二次電池：可以進行充電而重覆使用，不過通常充電的次數會有限制，並不能永久使用，例如：第一次可以充電到 100%，但是第二次只能充電到 99%，充電的次數愈多則愈無法完全充飽，當充電次數多到某一個程度，就無法使用了。不同的二次電池會有不同的使用壽命，是我們選擇二次電池時必須參考的特性。
圖三、電池的分類
一次電池
➤碳鋅電池：陽極使用鋅（Zn）放出電子，陰極使用二氧化錳（MnO2）包覆碳棒（石墨），電解液為氯化銨水溶液。碳鋅電池的價格便宜、製造簡單，但是不適合大電流連續放電，而且放電電壓不穩定。
➤鹼性電池：陽極使用鋅放出電子，陰極使用二氧化錳，電解液為氫氧化鉀水溶液，由於氫氧化鉀是一種鹼性物質，故稱為「鹼性電池」。鹼性電池的放電電流較大、放電電壓穩定，但是價格較高。
➤氫氧電池：陽極使用鋅放出電子，陰極使用二氧化錳與氫氧化鎳（NiOH）包覆碳棒，電解液為氯化銨與氯化鋅水溶液。氫氧電池的能量密度是鹼性電池的二倍，也是目前能量密度最高的一次電池，但是價格較高因此沒有被大量使用。
➤汞電池（水銀電池）：陽極使用鋅放出電子，陰極使用氧化汞及碳粉混合物，電解液為氧化鋅與氫氧化鉀水溶液。汞電池體積小、能量密度高、放電電壓穩定，常用於電子計算機、電子錶，而且價格較低，但是使用後丟棄，電池內的汞會造成環境污染。
➤銀電池：陽極使用鋅放出電子，陰極使用氧化銀及碳粉混合物，電解液為氧化鋅與氫氧化鉀水溶液。銀電池體積小、能量密度高、放電電壓穩定，常用於電子計算機、電子錶，但是價格較高。
二次電池
➤鉛蓄電池：陽極使用鉛（Pb）放出電子，陰極使用氧化鉛（PbO2），電解液為硫酸水溶液，由於硫酸是一種酸性物質，故又稱為「鉛酸電池」。鉛蓄電池是第一個商業化與最廣泛使用的二次電池，結構簡單、重覆使用壽命長、操作溫度範圍大、價格便宜，但是體積龐大、重量較重、不易攜帶，主要使用在汽車電池，通氣式的鉛蓄電池需要定期加水補充水分的蒸發，最近幾年已經有密閉式的鉛蓄電池出現，不需要加水補充比較方便。
➤鎳鎘電池：陽極使用鎘（Cd）放出電子，陰極使用二氧化鎳，電解液為鹼性液體。鎳鎘電池體積小，原本是使用量最大的二次電池，曾經廣泛的應用在各種電子產品，但是使用後丟棄，電池內的鎘會造成環境污染，而且記憶效應較大，目前已經禁止使用了。
➤鎳氫電池：陽極使用氫氧化鎳放出電子，陰極使用儲氫合金吸收電子同時放出氫原子，電解液為鹼性液體。鎳氫電池的能量密度是鎳鎘電池的二倍，組成材料與鎳鎘電池相似，由於不含鎘比較不會造成環境污染，而且記憶效應較小，所以目前已經取代鎳鎘電池廣泛的應用在各種電子產品。如何增加能量密度必須改良儲氫合金，由於儲氫合金是所有必須使用氫能的電池都要使用的技術，是氫能產業重要的技術，請參考＜燃料電池＞的詳細介紹。
➤鋰電池：陽極將鋰離子嵌在石墨結構中，陰極使用鋰鈷氧化物（LiCoO2）、鋰鎳氧化物（LiNiO2）或鋰錳氧化物（LiMn2O4），電解液為鋰離子化合物有機溶液，後面會再特別針對鋰電池詳細介紹。
常見的二次電池比較如＜表一＞所示，其中鋰電池的質量能量密度最高，但是價格也最高，而且由於鋰的活性很高，遇到水很容易將水分解產生氫氣，尤其是空氣裡原本就含有水份，所以比較容易爆炸，使用時要非常小心。
表一、常見的二次電池比較表（資料來源：Electronics Lab website、國科會）
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《知識力》授權轉載
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