俄勒冈州立大学化学副教授迈克尔·M·勒纳回应道
“电池可充电的必要条件之一是,当在电池两端施加相反的电势时,电池放电期间发生的潜在化学变化必须有效地逆转。例如,在镍镉(NiCad)电池中,电池放电期间形成的Cd(OH)2和Ni(OH)2在电池充电时很容易被还原回原始电极材料(Cd和NiOOH)。
“相比之下,不可充电或一次电池可能基于不可逆的化学变化。例如,相机中常用的碳氟化合物-锂一次电池通过将(CF)n和锂金属转化为碳和LiF来产生能量。但是,当施加反向电势时,电池正极的起始材料(CF)n不会重新形成。相反,电池电解质会分解,最终氟化物会被氧化形成氟气。
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“然而,可逆的化学变化不是可充电电池的唯一要求。要被归类为可充电电池,电池必须能够有效地进行逆反应,以便可以进行数百甚至数千次的充电循环。此外,通常必须有措施来确保充电过程可以安全地进行。
“碱性电池(通常基于MnO2和Zn转化为Mn3O4和ZnO)为最后一点提供了一个极好的例子。尽管电极上的化学变化可以逆转,但直到最近,碱性电池的制造目的只是作为一次电池。给这些一次电池充电可以使电池重复使用,但是这种电池的可能充电循环次数非常有限——每次充电后的性能都会变差。更重要的是,给老式碱性电池充电是不安全的。在充电期间或之后,电池可能会产生足够的氢气以引起爆炸。在其可充电形式中,碱性电池经历了几项改变。它们经过重新设计,以允许更有效的逆反应,它们包含催化剂以最大限度地减少氢气形成,并且它们具有安全阀,可防止充电期间过压积聚。”
弗兰克·麦克拉农是劳伦斯伯克利国家实验室能源与环境部门的 staff scientist 和首席研究员。他阐明了为什么某些反应是不可逆的
“所有电池,包括可充电电池和不可充电电池,都经历电化学反应。当电池放电时,负极发生电化学氧化反应,正极发生电化学还原反应。当人们尝试通过反转电流方向来给电池充电时,会发生相反的情况:负极发生还原反应,正极发生氧化反应。
“在可充电电池的情况下,电化学氧化-还原反应在两个电极上都是可逆的。例如,当电池充电时,负极的整体电化学还原反应与电池放电时负极的电化学氧化反应相同,只是方向相反。
“在不可充电电池的情况下,当人们尝试通过反转电子电流方向来给电池充电时,至少有一个电化学氧化-还原反应是不可逆的。当电池充电时,负极发生的整体还原反应可能不是电池放电时发生的氧化反应的真正逆反应。例如,金属氧化可能是电池放电期间唯一的氧化反应,而氢气(一种高度易燃且因此危险的气体)的形成可能是电池充电期间显着的还原反应。
“良好性能(即,长寿命)的可充电电池的另一个附加要求是,不仅电化学氧化-还原反应必须是可逆的,而且还必须使电极材料恢复到其原始物理状态。例如,在重复的充放电循环后,电池中可能会形成粗糙或丝状结构。这些结构会导致电极不必要的生长,并导致电池电极之间的电子接触——短路。
“由于这些要求,可充电电池的开发比不可充电电池的开发要困难得多。在镍镉电池的情况下,镉电极具有两个重要特征。首先,镉上氢气形成的速率非常慢(与纯锌或纯铁等相比)。其次,镉在碱性水溶液中的溶解度足够低,以至于镉不会倾向于溶解在电解质中并迁移到正极或电池内的其他位置。然而,与此同时,镉的溶解度足以使其还原反应容易进行,并且在电池充电期间可以形成致密的镉结构;大多数其他金属的溶解度要么太高要么太低。这些和其他基本因素使得可充电镍镉电池的成功开发成为可能