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鋅錳乾電池的發展

一、鋅錳乾電池的分類和原理

化學電源可分為一次電池、二次電池（又稱蓄電池）和燃料電池三種。顧名思義，一次電
池就是使用一次後就被廢棄的電池。例如鋅錳乾電池、鋅銀鈕扣式電池、鋰電池等。二次
電池又稱蓄電池，它是在充電後又能反復使用的電池，使用週期較長，故又稱之為可充式
電池。如鉛酸蓄電池，鎳鎘電池、金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池等。嚴格來講，燃料
電池也屬於一次電池，但一般的一次電池的正、負極活性物質是固體並放在電池內，用完
後不能補充，因而容量較小，而燃料電池的活性物質是放在電池外儲罐中的氣體或液體，
只要氣體或液體的活性物質源源不斷地輸入燃料
電池中，電池就連續發電。如鹼性燃料電池（AFC），熔融碳酸鹽電池（MCFC）、磷酸鹽電
池（PAC），固體氧化物電池（SOFC），固體聚合物電池（SPEFC）等。鋅錳乾電池根據電
解質酸鹼性質可分為以下兩類：

1．酸性鋅錳乾電池

酸性鋅錳乾電池是以鋅筒作為負極，並經汞齊化處理，使表面性質更為均勻，以減少鋅的
腐蝕，提高電池的儲藏性能，正極材料是由二氧化錳粉、氯化銨及碳黑組成的一個混合糊
狀物。正極材料中間插入一根碳棒，作為引出電流的導體。在正極和負極之間有一層增強
的隔離紙，該紙浸透了含有氯化銨和氯化鋅的電解質溶液，金屬鋅的上部被密封。這種電
池是19世紀60年代法國的勒克蘭謝（Leclanche）發明的，故又稱為勒克蘭謝電池或炭鋅乾
電池，可表示為：（－）Zn｜NH4Cl（20％）ZnCl2｜MnO2，C（＋）

儘管這種電池的歷史悠久，但對它的電化學過程尚未完全瞭解，通常認為放電時，電池中
的反應如下：正極為陰極，錳由四價還原為三價

2MnO2＋2H2O＋2e→2MnO(OH)＋2OH－

負極為陽極，鋅氧化為二價鋅離子：

Zn＋2NH4Cl→Zn(NH3)2Cl2＋2H＋2e

總的電池反應為：

2MnO2＋Zn＋2NH4Cl→2MnO(OH)＋Zn(NH3)2Cl2

實踐經驗表明，該電池的電流—電壓特性和二氧化錳的來源有關，也直接地依賴於錳的氧
化價態、晶粒的大小及水化程度等。目前已全部以ZnCl2電解液代替NH4Cl，充分說明Zn2＋
與Cl－配合[ZnCl4]2－，而不必有NH4＋存在，放電前pH＝5，放電後pH上升到pH＝7為中性
。

該電池的特點：
（1）開路電壓為1．55Ｖ～1．70Ｖ；
（2）原材料豐富，價格低廉；
（3）型號多樣1號～5號；
（4）攜帶方便，適用於間歇式放電場合。
缺點是：在使用過程中電壓不斷下降，不能提供穩定電壓，且放電功率低，比能量小，
低溫性能差，在－20℃即不能工作。在高寒地區只可使用鹼性鋅錳乾電池。

2．鹼性鋅錳乾電池

鹼性鋅錳電池簡稱堿錳電池，它是在1882年研製成功，1912年就已開發，到了1949年才投
產問世。人們發現，當用KOH電解質溶液代替NH4Cl做電解質時，無論是電解質還是結構上
都有較大變化，電池的比能量和放電電流都能得到顯著的提高。它的電池運算式為：

（－）Zn︱KOH，K2[Zn(OH)4]︱MnO2，C（＋）

它的電極反應如下：

正極為陰極反應：

MnO2＋H2O＋e→MnO(OH)＋OH－

MnO(OH)在鹼性溶液中有一定的溶解度

MnO(OH)＋H2O＋OH－→Mn(OH)4－

Mn(OH)4－＋e→Mn(OH)42－

負極為陽極反應：

Zn＋2OH－→Zn(OH)2＋2e

Zn(OH)2＋2OH－→Zn(OH)42－

總的電池反應為：

Zn＋MnO2＋2H2O＋4OH－→Mn(OH)42－＋Zn(OH)42－

由於正極為陰極反應不全是固相反應，負極為陽極反應是可溶性的Zn(OH)42－，故內阻小
，放電後電壓恢復能力強。鹼性鋅錳電池採用了高純度、高活性的正、負極材料，以及離
子導電性強的堿作為電解質，使電化學反應面積成倍增長。
它的特點：
（1）開路電壓為1.5V；
（2）工作溫度範圍寬在－20℃～60℃之間，適於高寒地區使用；
（3）大電流連續放電其容量是酸性鋅錳電池的5倍左右；
（4）它的低溫放電性能也很好。

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在電學上，常用電壓、容量等概念來衡量電池個體的屬性和性能．一般單個乾電池(包括鹼
性電池)的額定電壓為1.5V，鎳鎘電池和鎳氫電池為1.2V，而鋰離子電池是3.6V(有些廠商
生產的鋰離子電池標定的額定電壓為3.7V)，相當於3節鎳鎘或鎳氫電池串聯所得的電壓，
一些常見的不可充電的鋰電池的電壓是3V．

容量是指電池存儲電量的大小．電池容量的單位是“mAh”，中文名稱是毫安培時(在衡量
大容量電池如鉛蓄電池時，為了方便起見，一般用“Ah”來表示，中文名是安時，
1Ah=1000mAh)．例如某電池的額定容量是1300mAh，如果以0.1C(C為電池容量)即130mA的電
流給電池放電，那麼該電池可以持續工作10小時(1300mAh/130mA=10h)；如果放電電流為
1300mA，那供電時間就只有1小時左右(實際工作時間因電池的實際容量的個別差異而有一
些差別)．這是理想狀態下的分析，數碼設備實際工作時的電流不可能始終恒定在某一數值
(以數碼相機為例，工作電流會因為LCD顯示幕、鎂光燈等部件的開啟或關閉而發生較大的
變化)，因而電池能對某個設備的供電時間只能是個大約值，而這個值也只有通過實際操作
經驗來估計．

由於單個電池的電壓和容量都十分有限，一般需要用幾個電池組成電池組，以滿足不同設
備的實際供電需要．在數碼相機中，最常見的電池組合方式是串聯，即把電池正負極首尾
相連，如把4節1.2V、1300mAh的電池串聯，就組成了一個電壓是4.8V、容量為1300mAh的
電池組；而在筆記本電腦中，電池一般採用的是混聯方式，即有串聯也有並聯．

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電池是指能將化學能、內能、光能、原子能等形式的能直接轉化為電能的裝置．最早的電
池我們可以追溯到兩百年以前義大利物理學家伏打發明的伏打電池，它使人們第一次獲得
了比較穩定而持續的電流,具有劃時代的意義．在伏打電池原理和研發精神的指引下，人們
通過不斷努力，開發了一代又一代的新型電池，從人們普遍使用的乾電池到新型的太陽能
電池、鋰聚合物電池和燃料電池等等，不僅在電池容量、體積、使用方便程度等方面有很
大突破，更重要的是在這些新型電池的研發過程中，滲透著人們強烈的綠色環保意識，電
池的開發、發展正以綠色環保作為重要的指導精神

　　一、依材質區分：　

　　碳鋅電池　

　　亦稱為鋅錳電池，是目前最普遍之乾電池，它有價格低廉和使用安全可靠的特點，基
於環保因素的考量，由於仍含有鎘之成份，因此必須回收，以免對地球環境造成破壞．

　　鹼性電池

　　亦稱為鹼性乾電池，適用於需放電量大及長時間使用．電池內阻較低，因此產生之電
流較一般錳電池為大，而環保型含汞量只有0.025%，無須回收．

　　水銀電池　

　　水銀電池，因為污染和電容量之故現已逐漸被鋰-錳配方取代

　　鋰電池　

　　鎳鎘充電電池　

　　已為大眾早期廣泛使用，可重覆約500次之充放電，但約10次充放電後即會產生記憶效
應；另一個缺點是，在充放電時，陰極會長出鎘的針狀結晶，有時會穿透分隔物而引起內
部枝狀晶體式的短路．由於含有鎘之成份，因此必須回收．

　　鎳氫充電電池　

　　它是使用氧化鎳作為陽極，以及吸收了氫的金屬合金作為陰極，一般可進行500次以上
的充放電迴圈．由於不含汞及鎘之原料，不必回收．

　　鋰充電電池

　　鉛酸電池

　　太陽能電池

　　在化學電池中，根據能否用充電方式恢復電池存儲電能的特性，可以分為一次電池
(也稱原電池)和二次電池(又名蓄電池，俗稱可充電電池，可以多次重複使用)兩大類．

　　一次電池又可分為普通鋅錳(中性鋅錳)、鹼性鋅錳、鋅汞、鋅空、鎂錳和鋅銀六個系
列；二次電池主要有鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、堿錳充電電池和鉛蓄電池等類型
．

　　在數碼設備中，常用的電池類型是乾電池(包括鹼性電池)、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰
離子電池等．

　　乾電池：這是使用最普遍的電池類型之一，很多人用過乾電池，但瞭解其構造的人卻
不多．一般我們常用的乾電池又稱為鋅錳電池．可分為碳鋅電池和氯化鋅電池，其優點是
能量密度較高，電流密度適當，易實現機械化生產等．但很可惜的是由於能量密度不足，
一般這種電池只用於耗電量較小的電子產品，如：鬧鐘，計算器等．如果你打算用他來驅
動你的數碼相機恐怕你會大失所望．

　　圓筒型鋅錳電池因隔離物的區別可分為糊式鋅錳電池和紙板鋅錳電池．其中紙板鋅錳
電池因配方組成的差異引起電性能的不同，又分為Ｃ型紙板電池(碳鋅電池)，也稱為高容
量電池；Ｐ型紙板電池(氯化鋅電池)，又稱為高功率電池．一般超市或零售市場上的乾電
池皆為此類電池，其標示為Super Heavy Duty．"C"型的電力容量較"P"型電池低約20%，
一般隨貨贈送的電池多為此類電池，乾電池的包裝分為紙殼("C"型常用), PVC, 鐵殼及鉛
皮等四類包裝, 同時依含汞量(基本標準為15ppm)來區分還有環保和非環保之不同．

　　鹼性鋅-錳電池：是乾電池中的一個重要角色．這一類的電池就是我們常稱的“鹼性電
池”，由於電容量大，電流強使用上又持久，市場上對此類電池的需求越來越高．然而，
部分廠商的鹼性電池為非環保的含汞電池，原因是此類電池如在成份中加入氧化銀可提升
其電容量約30%以上，但同時零售價格也相對提高．迄今為止，鹼性電池是最成功的高容量
電池，也是目前最具性能價格比的電池之一，它改變了傳統電池的內部結構和電化學系統
，同過採用極純淨極活躍的正負極材料，它的放電容量達到了普通乾電池的5-7倍，存儲壽
命也超過了普通電池的兩倍．另一方面，鹼性電池也因為它完美的放電曲線而倍受青睞，
特別適用於需要持續大電流放電的場合，如相機，電動玩具，BP機，WALKMAN，電動剔鬚刀
等．

　　鎳錳電池：這是2002年三月發表的最新電池品種 - 鹼性鎳-錳大電流電池．由於數碼
相機的耗電量大，一般的鹼性電池在電力完全用完前，電流就無法推動，形成浪費．新一
代的鎳錳電池在電池的正極材料中採用了往常僅加在鎳氫電池當中的“氫氧化鎳 NiOH”
，成功開發出了電量不易隨使用時間而下降的新型電池．這種電池不僅具有較大的電流，
同時耐力也比一般鹼性電池增強1.5～5倍．

　　鎳鎘電池：鎳鎘電池是最早應用於手機、筆記本電腦等設備的電池種類，它具有良好
的大電流放電特性、耐過充放電能力強、維護簡單．鎳鎘電池最致命的缺點是，在充放電
過程中如果處理不當，會出現嚴重的“記憶效應”，使得服務壽命大大縮短．所謂“記憶
效應”就是電池在充電前，電池的電量沒有被完全放盡，久而久之將會引起電池容量的降
低，在電池充放電的過程中(放電較為明顯)，會在電池極板上產生些許的小氣泡，日積月
累這些氣泡減少了電池極板的面積也間接影響了電池的容量．當然，我們可以通過掌握合
理的充放電方法來減輕“記憶效應”．此外，鎘是有毒的，因而鎳鎘電池不利於生態環境
的保護．眾多的缺點使得鎳鎘電池已基本被淘汰出數碼設備電池的應用範圍．

　　鎳鎘電池的包裝分為零售用的正極凸頭和組裝用的正極平頭包裝兩種，在容量上沒有
差異．在充電回路也和下面所介紹的鎳氫電池類似，採用1.6倍電壓充電．通常鎳鎘電池的
充電次數為300～800次, 在充放電達500次後電容量會下降至約80%．鎳鎘電池的記憶效應
比鎳氫電池來的嚴重． 所以必須在完全沒電時才可進行充電, 以確保使用壽命．

　　鎳氫電池：鎳氫電池是早期的鎳鎘電池的替代產品，不再使用有毒的鎘，可以消除重
金屬元素對環境帶來的污染問題．它是使用氧化鎳作為陽極，以及吸收了氫的金屬合金作
為陰極，由於此合金可吸收高達本身體積100倍的氫，儲存能力極強．鎳氫電池的能量密度
比鎳鎘電池大，其容量約為鎳鎘電池的數倍；另外，它具有同鎳鎘電池的1.2伏電壓，及自
身放電特性，可在一小時內再充電，內阻較低，一般可進行500次以上的充放電迴圈．鎳氫
電池具有較大的能量密度比，這意味著可以在不為數碼設備增加額外重量的情況下，使用
鎳氫電池能有效地延長設備的工作時間．同時鎳氫電池在電學特性方面與鎳鎘電池亦基本
相似，在實際應用時完全可以替代鎳鎘電池，而不需要對設備進行任何改造．鎳氫電池另
一個優點是：大大減小了鎳鎘電池中存在的“記憶效應”，這使鎳氫電池可以更方便地使
用．

　　鋰-錳電池：在介紹鋰電池前，我們先來瞭解一下鋰電池的種類．鋰電池是目前使用最
多鋰鈕扣電池(最早我們稱為水銀電池，因為污染和電容量之故線已逐漸被鋰-錳配方取代)
基本電壓為3.0V， 最高電容量可達1200mAH．此電池可設計成輕薄短小且容量高的狀況．
加上放電曲線穩定，因此許多高科技產品如主機板都使用它來當記憶體的備用電池．此外
，被設計成圓柱型的鋰電池則具有高容量, 低內阻, 可以瞬間放出大電流, 是照相機電池
市場的極佳選擇．不過，因為它的原料金屬鋰具有相當高的化學活性, 因此不宜使用過多
於同一電池中，以避免有產生爆炸的危險．

　　鋰-亞硫酸氯：此系列電池是目前鋰電池中放電壓最高的一種電池，可達3.6V！其在常
溫中以等電流密度放電時， 放電曲線極為平坦．在 攝氏 -40度的情況下這類電池的電容
量還可以維持在常溫容量的50%左右，因此其具有極為優良的低溫操作性能．再加上其年自
放電率約為2%左右, 所以貯存壽命可長達10年以上，目前和鋰-錳電池分占依次鋰電池的兩
大市場．

　　鋰離子電池和其他金屬鋰電子一樣具有輸出高電壓的能力， 3.0～4.0V，且比金屬鋰
更安全， 因為它是采鋰離子狀態，Li-Ion電池沒有可流動的液態電解質而改以聚合物電解
質導電． 其後，美國貝爾實驗室提出了新的鋰電池設計理念，“塑膠鋰離子電池”．和
Li-Ion 不同的是隔膜材料和電解質的狀態，在三種基層材料(正 負極和隔膜)的最佳粘結
劑為聚四氟乙烯(PTFE) , 採用50%PTFE乳劑, 經過處理和定尺寸一次碾壓，構成Li-Ion電
池本體．

　　鋰離子電池具有重量輕、容量大、無記憶效應等優點，因而得到了普遍應用現在
的許多數碼設備都採用了鋰離子電池作電源，儘管其價格相對來說比較昂貴．鋰離子電池
與鎳氫電池相比，重量較鎳氫輕30～40%，能量比卻高出60％．正因為如此, 鋰離子電池生
產和銷售量正逐漸超過鎳氫電池．鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫
電池的1.5～2倍，充放電次數可達500次以上，而且具有很低的自放電率．此外，鋰離子電
池幾乎沒有“記憶效應”以及不含有毒物質等優點也是它廣泛應用的重要原因．

　　堿錳充電電池：是在鹼性鋅錳電池的基礎上發展起來的，由於應用了無汞化的鋅粉及
新型添加劑，故又稱為無汞堿錳電池．這種電池在不改變原鹼性電池放電特性的同時，又
能充電使用幾十次到幾百次，比較經濟實惠．

　　鋰聚合物電池(又稱高分子鋰電池)：具有能量密度高、更小型化、超薄化、輕量化，
以及高安全性和低成本等多種明顯優勢，是一種新型電池．在形狀上，鋰聚合物電池具有
超薄化特徵，可以配合各種產品的需要，製作成任何形狀與容量的電池．該類電池可以達
到的最小厚度為0.5mm，想像一下今後的電池可以薄得像信用卡一樣，是不是覺得很不可思
議？

　　鉛蓄電池：常用的充電電池除了上述介紹的鋰電池之外，鉛酸電池也是非常重要的一
個電池系統．但其體積和重量一直無法獲得有效的改善，因此目前最常見還是使用在汽車
、摩托車發動之上．鉛酸電池最大的改良，則是新近採用高效率氧氣重組技術完成水份再
生，藉此達到完全密封不需加水的目的，而製成的“免加水電池”其壽命可長達4年(單一
極板電壓 2V)．

　　燃料電池：是一種將氫和氧的化學能通過電極反應直接轉換成電能的裝置．具體地說
，燃料電池是利用水的電解的逆反應的“發電機”．電池工作時需要連續地供給活物質(起
反應的物質)燃料和氧化劑，這又和其他普通化學電池不大一樣．燃料電池的優點是能
量轉換效率高、可靠性高、工作時無雜訊、無塵埃、無輻射，是一種清潔的能源．這種小
型設備可以為手機、筆記本電腦、PDA 和其他一些便攜設備提供能量，和目前所使用的鋰
離子電池相比，重量只相當於原有鋰離子電池一半的燃料電池就可以提供約4倍的電池能量
．不過這樣的設備目前還處於試驗當中．

　　二、依外形區分：　

　　一般圓柱形　例：1號/2號/5號/7號等，適用於一般電子商品．

　　鈕扣形　　　例：水銀電池，適用於電子錶、助聽器等．

　　方形　　　　例：9V電池，適用於無線麥克風、玩具等．

　　薄片形　　　例：太陽能電池板，適用於電腦、戶外建物．

　　三、依使用次數區分：　

　　一次電池：用完即丟，無法重複使用者，如：碳鋅電池、鹼性電池、水銀電池、
鋰電池．

　　二次電池：可充電重複使用者，如：鎳鎘充電電池、鎳氫充電電池、鋰充電電池、
鉛酸電池、太陽能電池．

　　四、依用途區分：　

　　工業用　　　例：工廠使用於產品內建者，屬特定外型或多粒組成，如：電動工具、
通訊用電池等．

　　消費性使用　例：一般消費者使用，可於市面購置更換者，使用量最多的為圓柱形凸
頭電池．


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