这种从化学能到电能的转换过程可能会在数天、数月或数年内释放，具体取决于您选择的电池类型以及其中的化学物质含量。例如，您可能每五年只更换一次手表中的电池，但您的 Xbox 控制器中的 AA 电池可能需要每个月更换一次。要了解电池的内部工作原理，最好从这些小型化学超级英雄的一般解剖结构和结构开始。
外部结构从外部开始，任何电池无论形状或大小都将始终具有两个端子，一个正极 (+) 和一个负极 (-)。在像 AA 或 AAA 这样的普通干电池中，这两个端子位于单元的每一端。但是在更大的东西上，比如汽车电池，你会发现正极和负极端子位于单元顶部。
典型的 9V 电池，一侧有正极和负极。
无论电池上的端子位于何处，结果总是相同的。您将两个端子连接在一个电路中，以执行特定任务，称为负载 。负载可以是任何东西，从为智能手机供电到旋转电机。
内部工作电池内部是能量转移发生的地方。在这里，无论您查看哪种电池，您总能找到三个基本组件：
- 电极。首先，您会找到一对电极。其中之一是阳极，一个带正电的电极，连接到电池的负极。另一个是阴极，一个带负电的电极，连接到正极。
- 分隔符。这两个电极必须始终彼此分开，否则电池在插入电路时会自行短路。这是分隔符派上用场的地方；它不允许电子直接从阳极流向阴极。
- 电解质。最后，所有电池都有一种化学糊剂或填充有电离元素的液体。这些离子有很多额外的电子。电解质最终允许电荷在阴极和阳极之间流动。如果没有电解质，电池内的任何魔法都不会发生。
在这里您可以看到典型干电池的内部结构。
电池如何工作？
我们已经知道，电池将化学能转化为电能来为我们的电子设备供电。但是这个变革过程究竟是如何运作的呢？同样，无论您使用哪种电池，初级电化学反应总是相同的。
首先，您必须将电池连接到有负载的电路或电池要做的工作。一旦电池的两个端子连接起来，阳极、阴极和电解质之间就会开始发生一系列电化学反应。
发生的第一件事是阳极经历了一个称为氧化反应的过程。这是一种奇特的说法，即通过电解质糊中的离子混合物在阳极中积聚了一堆多余的电子。如果对电子有什么了解的话，那就是当电子太多时，它们讨厌彼此待在一起，因此它们会寻找一个可以称之为家的新地方。他们可以直接前往阴极，但有一个隔板挡住了他们的去路，所以他们必须通过电路绕很长一段路。
当阳极发生氧化反应时，在电池的另一侧，通过离子和自由电子的交换在阴极发生还原反应。在这里，阴极最终会减少其电子数量，从而为阳极中的电子创造一个自由空间。
在氧化和还原反应中，电子从阳极移动到阴极以寻求平衡。
所以现在你有两个相反的变量在起作用。阳极中有太多电子，而阴极没有足够的电子。怎么了？当您将该电池连接到电路时，阳极中的多余电子将通过电路，为您的所有组件供电，直到它们最终到达阴极。这个过程一遍又一遍地发生，这一切都归功于电解质开始运动的电化学过程。但是，最终，电解质糊将用完，当这种情况发生时，化学反应停止发生，那么你的电池就死了。
对于任何将化学能转化为电能的电池，阳极和阴极都需要由两种导电金属制成。为什么是这样？电池中的一种金属需要愿意积累多余的电子，而另一种金属则需要减少它们。如果你使用两种相同类型的金属，它们都会做同样的动作，电化学过程永远不会起作用。
通过使用两种不同的金属，例如阳极中的锌和阴极中的二氧化锰，您可以确保有一种力将电子从一个端子推到另一个端子。这整个过程称为电负性。
您可以在手电筒等实际示例中看到所有这些是如何结合在一起的：
- 当您将电池放入手电筒时，您正在完成一个电路，电池内的化学能开始转化为电能。
- 在电池内部，过多的电子通过氧化作用在阳极上形成，而电子在阴极上通过还原作用被还原。
- 电子现在需要去某个地方，因此它们通过您的电路采用电阻最小的路径为您的手电筒供电，从阳极到阴极。
电池在任何设备中的行为都相同。正极和负极之间总是存在电荷差异，这会导致电子流动并产生电流。如果没有这种电荷差异，电子已经处于和平和平衡状态，那么它们为什么还要费心让电路工作呢？
当有多个电池时您的简单手电筒可能会耗尽一节电池，但大多数设备需要不止一个化学超级英雄来产生电能。从智能手机到电动汽车，您通常会发现电池以两种方式之一排列，并行或串行。这是两者之间的区别：
并联并联多个电池时，总电压相同，但电流增加。这种提高的电流水平以安培小时或毫安小时为单位。例如，以 500 毫安时测量的电池单元可以为负载产生 500 毫安的电流一小时。
电池并联增加电流。
串联
当串联多个电池时，您会获得相同的总电流，但现在您的电压会更高。例如，汽车电池有六个单独的电池单元，每个电池单元的电压为 2 伏。结合起来，该汽车电池的工作电压为 12 伏。
串联的电池会增加它们的电压。
电池类型
在电池的世界里，有很多品种可供选择，具体取决于您的具体需求。与其把一个巨大的清单扔给你，不如把电池分成两大类，初级和二级更有意义。
一次电池原电池或原电池是典型的一次性电池，可使用一次，直到电量耗尽，然后被丢弃。这些电池可在您的口袋中提供即时电源，包括：
锌碳这个原电池是你可能在你家周围的日常一次性电池。这种廉价的电池为日常电子设备供电，从手电筒到遥控器。在锌碳电池中，正极由碳粉和氧化锰包围。负极由锌合金制成，电解液由氯化铵糊组成。
各种尺寸的典型锌碳电池。
碱性
很难区分碱性电池和锌碳电池，但碱性电池可以储存和产生更多能量，并且通常可以保持充电数年。在碱性电池中，您会发现正极由氧化锰制成，负极由锌制成，电解液由氢氧化钾碱性溶液组成。
碱性电池看起来像锌，但它们更有冲击力。
锂
您通常会发现这些纽扣大小的锂电池用于手表和助听器，但它们含有与碱性电池类似的一组化学物质。锂电池的顶部，即负极，由锌或锂制成。底部或正极由氧化锰、氧化银或氧化铜制成。
二次电池
与只能在化学能耗尽之前产生电能的一次电池不同，可充电二次电池可以逆转其老化过程。这些电池反向发送整个电化学过程反应，将电子从阴极发射到阳极，直到电池的电池完全恢复。二次电池类型包括：
铅酸这是您可以在汽车中找到的电池，它由六个独立的电池单元组成，每个电池单元产生 2 伏电压，为您提供并联的 12 伏电池。铅酸电池中的每个电池都有一个由二氧化铅制成的正极、一个由铅金属制成的负极和一个由硫酸制成的电解质。
铅酸电池可以完成所有繁重的工作来为您的汽车供电。（图片来源）
镍镉Nicad 或 Ni-Cd 是 1990 年代之前使用的传统可充电电池技术，通常用作处置 1.5 伏电池的替代品。虽然这些可充电电池很便宜并且可以充电数百次，但它们也存在一些记忆问题。怎么会这样？如果您在再次充电之前没有将 Nicad 电池完全放电，那么随着时间的推移，您的电量会减少。
镍镉电池容易失忆。（图片来源）
镍金属氢化物NiMH 电池的工作原理与 Nicad 电池相同，但不太容易出现内存问题。这种电池在 1990 年代之后在很大程度上取代了镍镉电池，主要是因为它的毒性低于镍镉电池，并且在充电前不需要完全放电。
Nicad 电池的所有电量，无需担心记忆丧失。（图片来源）
锂离子如今，大多数主要电子设备都在使用锂离子电池，包括您的智能手机、笔记本电脑、平板电脑等。与镍镉和镍氢电池相比，锂电池有很多好处，包括更环保、工作电压更高以及存储两倍很多能量。此外，您可以自由地对锂离子电池进行充电和放电，而不会出现任何内存问题。
曾经拆过你的手机吗？这是您可以在里面找到的锂电池。（图片来源）
谁发明了电池？大多数人将这项发明归功于 1791 年的亚历山德罗·伏打，但你听说过巴格达炮台吗？
早在 1938 年，考古学家威廉·科尼格 (Wilhelm Konig) 在伊拉克巴格达的一次挖掘工作中发现了一些看起来很奇怪的陶罐。这些罐子的历史可以追溯到公元前 200 年左右，里面装有一根被铜包围的铁棒。测试时，内部有酸性液体的痕迹，如果对电池有任何了解，我们将两种不同的金属与化学电解质混合。这是第一个古老的电池吗？现代复制品已经生产出来，这些巴格达电池实际上确实产生了电荷。
巴格达电池是第一个古老的电池吗？（图片来源）
但就 1792 年而言，巴格达电池根本不存在，所以我们的故事始于意大利医生Luigi Galvani用一只死青蛙的腿做实验。通过将两种不同的金属粘在青蛙的腿上，他能够在青蛙的腿跳跃时产生他所谓的“动物电”。然而，伽伐尼当时不知道的是，青蛙并没有释放某种原始电流。相反，他要感谢现代电池的组成部分。
为了证明这一点，意大利物理学家亚历山德罗·沃尔塔（Alessandro Volta）进行了一项实验，他将锌和银层堆叠在一起，并用浸过盐水的纸板隔开。这个伏打电池，现在被认为是第一个现代电池，能够产生稳定的电流。
亚历山德罗·伏打所设想的伏打电堆。
Galvani 和 Volta 的实验有什么相似之处？两者都通过使用两种不同的金属和电解质来使用电池的基本原理。伽伐尼使用了两把不同的金属手术刀，青蛙的腿充当了一种电解质化学物质。在 Volta 的伏打电堆中，盐水充当了两种不同导电金属锌和银之间的电解质。
在他开创性的实验之后，亚历山德罗·沃尔塔被认为是第一块电池的发明者，其余的一切都很好……历史。今天，我们一直在改进这套基本原则，为我们所有的电子设备提供动力。
电池和 PCB 设计对于初学者电子设计师来说，电池通常被视为事后的想法。毕竟，也许您只需要 5V 输出即可获得稳定的直流电源。但是，如果您使用 9V 电池电源并且您的一个 IC 只能处理 1.8V，会发生什么情况？那时关于电池和电源设计的考虑会使事情变得更加复杂。
虽然我们不会在本博客中深入探讨电源设计的任何细节，但它确实有助于了解在使用电池时在原理图和 PCB 布局中寻找什么的基础知识。对于您的原理图，无论您打算使用标准碱性电池还是锂离子电池，您都会看到如下所示的符号：
您可以在示意图中找到典型的单芯和两芯电池符号。
在这个原理图符号中，较长的线代表正极端子，较短的线是负极端子。您可能还会看到有两条以上线路的电池，这表明电池中有多个电池。
您还需要了解物理电池座在您的 PCB 布局上的外观。许多初学者电子设计人员错误地认为，当您只是放置一个支架来容纳电池时，他们正在将实际电池放在他们的板上。如果您曾经撕开电子设备来检查内部结构，那么您可能已经看到过其中一个：
您可能会在 PCB 或外壳上找到典型的电池座。（图片来源）
还有如下图所示的锂纽扣电池座，它具有独特的物理足迹。
这是一个尺寸小得多的锂电池座。（图片来源）
为一次性电池放置一个电池座并忘记它很容易，但是如果您想在您的设计中添加一个自动电池充电器会发生什么？这就是事情变得更复杂的地方。查看下面的示意图，这是自动电池充电器的电路图，其中包含很多内容，包括：
自动电池充电器电路可能涉及大量连接部件。（图片来源）
- 我们有 230V 的主交流电源，它击中了一个将电压降至 15V 的变压器。
- 从那里开始，只需使用两个二极管 D1 和 D2 将波动的交流电压转换为直流电压。
- 然后，此直流电源流经 LM3177 稳压器，无论交流输入电压如何变化，该稳压器都将提供一致且稳定的直流电压输出。
- 当电池充满电后，LED-RED 将亮起，D6 稳压二极管将开始导通。这将使电流通过 BD139 晶体管并接地，因此充满电的电池不会损坏。
/3 
