前言

　　当电池接上负载时，有电流通过外电路，两极之间的电位差叫做电池的工作电压，又称为放电电压或端电压，在电池刚被接通负载时的放电电压被称为负荷电压或负载电压，这种负荷电压的测量方法对电池的容量影响不大。无论是放电过程中的负荷电压还是瞬时测量的负荷电压都可笼统地称为该电池在某一阻值下的负荷电压。人们常用负荷电压的高低来预测和判断电池性能的优劣，本文以锌锰电池为例来论述负荷电压的本质及其影响因素。

1　负荷电压的本质

　　当电流流过电池内部时，必须克服电极极化(电化学极化和浓差极化)和欧姆内阻所造成的阻力，因此，工作电压总是低于开路电压，其表达式为：
　　V_I＝V_开－IR_内＝V_开－I（R_Ω＋R_f）＝IR　　(1)
　　其中：V_I为电池的工作电压；I为流经电池或外电路的电流；R_Ω为电池的欧姆内阻；R_f为电池的法拉第阻抗；R为负载电阻
　　应当指出：很多书中工作电压的数学表达式中，用电动势替代式(1)中的开路电压(V_开)，从前文对开路电压的讨论中可以看出，开路电压有别于电动势，大多情况下，电池两极电位构成的是开路电压而不是电动势，所以本文中用V_开表示而不是用电动势表示。
　　当刚连通外电路瞬间(t→0)，电极界面状态还来不及发生很大变化，并不能产生足以影响电位的电化学极化和浓差极化，这时的工作电压就是负荷电压，可表示为

V_负＝V_开-IR_Ω(t→0)时　　(2)

它依赖于电池的开路电压减去欧姆内阻与电流的乘积，电流由电极活性物质产生，其大小反映出电池内电极材料反应的动力学特性。但实际上，无论在线检测还是放电检测，特别是人工抽检负荷电压时，其测量都需要一定的时间，而不是数学表示的t→0的情况，这时电极反应已进行一定的时间，必然发生电化学极化现象，一般无浓差极化的存在(因为尽管已发生反应，但时间仍很短，电极界面反应物的消耗和生成物的形成都很少，故来不及建立浓差极化)，负荷电压可表示为

V_负＝V_开－η_e＋－η_e-－IR_Ω　　　（t＞0时）
＝φ_＋－φ_-－IR_Ω　　　（3）

　　其中：η_e＋为正极电化学极化过电位；η_e-为负极电化学极化过电位；φ_＋为正极电位；φ_－负极电位。
　　极化过电位或极化电位由电极反应的本质特别是构成电极反应的动力学性质来决定。
　　综上所述，负荷电压的本质是反映出构成电池两极的动力学特性及欧姆内阻特性。

2　负荷电压的影响因素

2.1　负载电阻的影响
　　一般情况下，同一规格同一系列的电池，负载电阻不同时，其负荷电压不同，负载电阻越大，负荷电压就越高，反之，负荷电压就越低；同一负载电阻下，负荷电压越高，说明电极反应动力学性能可能越好，如电极材料活性可能是高的，欧姆内阻可能越小，电池性能也越好，反之则均相反。
2.2　开路电压的影响
　　具有相同规格相同系列的电池，在相同负载时，开路电压越高一般负荷电压越高，反之，负荷电压就越低，但不尽然。负荷电压还取决于电池的欧姆内阻特性与电极动力学性质，应当指出，凡影响开路电压的因素都可能会影响负荷电压的大小。
2.3　电池欧姆内阻的影响
　　在相同规格和系列的电池中，其欧姆内阻越小，一般负荷电压就越高，反之，负荷电压就越低。不同的电池系列，构成电池两极的动力学性质和欧姆内阻特性不同，在相同负载时，负荷电压不同，生产中凡影响到欧姆内阻特性的因素都会影响负荷电压的高低。
2.4　电极动力学特性的影响
　　电极反应的可逆性程度高或活性材料的活性高，负荷电压就高，反之，反应的可逆性程度低或活性材料的活性低，负荷电压就低。影响电极反应动力学特性的因素有：活性材料的本质，如晶型及结构、结晶的晶胞参数等；活性材料的纯度与用量、电池反应的本性、电液的组成、浓度及用量、活性材料的物理状态，如分散度、表面缺陷等，以及受生产工艺的影响等。在此以MnO₂电极加以说明。
　　MnO₂放电反应具有二次过程，放电的一次过程通常被认为是符合质子——电子机理，反应式为

MnO₂+e^－+H^＋→MnOOH　　　　（4）

　　按照这个机理，当MnO₂反应时，得到由负极来的电子的同时，电极附近液层中的质子进入电极表面并形成水锰石(MnOOH)。这两个过程(得到电子和吸收质子)是同时发生的，凡影响到这两个过程的因素都会影响MnO₂电极的放电反应。从MnO₂得到电子的角度来看，正极区的电子电阻越大，越不利于MnO₂得到电子而被还原，影响正极区电子电阻的因素有：锰碳比、MnO₂的纯度、正极密度、正极与其集流体的接触电阻等；从MnO₂吸收质子的角度来看，质子主要源于电液，只有在固(MnO₂)液(电液)交界面处才能实现质子从电液向MnO₂表面的转移过程，其影响因素主要有：工艺配方，如固体NH₄Cl的用量、电液的浓度及组成、水含量，它们均与提供质子的数量有关，水含量还影响到固液界面的数量和质量。正极区内离子的导电能力主要影响质子在电液内的迁移过程和迁移速度；粉料的分散度特别是MnO₂的分散度主要影响到固液界面的数量，分散度越高，提供固液界面越多，流经电极的真实电流密度越小，电极越不易极化，可以给出较大的电流强度和更高的负荷电压，反之则有相反的结果。另外，MnO₂的本性如晶型是影响负荷电压的本质因素，相同条件下，具有高活性晶型的MnO₂(如γ—MnO₂)比低活性晶型的MnO₂(如α—MnO₂)给出更高的负荷电压。
　　最后应当指出：锌锰电池的负荷电压仅涉及到MnO₂的一次放电过程，与二次放电过程无关，即与水锰石的转移无关，加之电池放电过程中的内阻升高，故不能仅用负荷电压来预测和判断电池性能的优劣。

3　结论

　　负荷电压是电池性能的一个重要参考指标，它反映出电极的反应动力学特性和欧姆内阻特性。其主要影响因素有：正极和负极的稳定电位、负载电阻、欧姆内阻、电极动力学特性及活性材料的本质等。

参考文献

1，宋文顺.化学电源工艺学.北京：轻工业出版社，1998