1概述化學(xué)電源

2鋅-錳干電池的工作原理

3鉛蓄電池的工作原理

4其它常見的幾種電池

1概述化學(xué)電源

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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電能是現(xiàn)代社會(huì)生活的必需品，電能是最重要的二次能源，大部分的煤和石油制品作為一次能源用于發(fā)電。煤或油在燃燒過程中釋放能量，加熱蒸汽，推動(dòng)電機(jī)發(fā)電。煤（或油）燃燒過程就是它和氧氣發(fā)生化學(xué)變化的過程，所以“燃煤發(fā)電”實(shí)質(zhì)是化學(xué)能?機(jī)械能?電能的過程，這種過程通常要靠火力發(fā)電廠的汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)來完成。另外一種把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，統(tǒng)稱化學(xué)電池或化學(xué)電源。如收音機(jī)、手電筒、照相機(jī)上用的干電池，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)用的蓄電池，鐘表上用的鈕扣電池等都是小巧玲瓏攜帶方便的日常用品。那末哪些化學(xué)體系可以設(shè)計(jì)成為實(shí)用的電池呢？

化學(xué)電池都與氧化還原反應(yīng)有關(guān)。在18世紀(jì)末，人們把與氧化合的反應(yīng)叫氧化反應(yīng)，而把從氧化物中奪取氧的反應(yīng)叫還原反應(yīng)。到19世紀(jì)中葉，有了化合價(jià)的概念，人們把化合價(jià)升高的過程叫氧化，把化合價(jià)降低的過程叫還原。20世紀(jì)初建立了化合價(jià)的電子理論，人們把失電子的過程叫氧化，得電子的過程叫還原。例如：

這兩個(gè)式子分別代表兩個(gè)氧化還原半反應(yīng)，兩個(gè)半反應(yīng)組合成一個(gè)氧化還原反應(yīng)：

上式代表鋅片和硫酸銅溶液發(fā)生置換反應(yīng)生成硫酸鋅和金屬銅的離子反應(yīng)方程式。反應(yīng)過程中電子由Zn轉(zhuǎn)移給Cu2+，Zn失去電子被氧化為Zn2+，Zn本身是還原劑，它使Cu2+還原為Cu，所以Cu2+本身則是氧化劑。有失電子的一方，就有得電子的一方，電子得與失一定同時(shí)發(fā)生，即氧化與還原一定同時(shí)發(fā)生。

凡涉及電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)都屬于氧化還原反應(yīng)，若這些電子能順一定方向流動(dòng)便成為電流。按圖2—10所示，左邊燒杯里盛硫酸鋅溶液，并插入鋅片，右邊燒杯里盛硫酸銅溶液，并插入銅片；兩個(gè)燒杯之間用“鹽橋”相聯(lián)。（鹽橋是一個(gè)盛KCl飽和溶液膠凍的U形管，用以構(gòu)成電子流的通路）。鋅片和銅片之間用電線相聯(lián)結(jié)，中間串聯(lián)一個(gè)電壓表（或電流表），電表指針的偏轉(zhuǎn)證明上述裝置確有電流產(chǎn)生，這就成為由鋅電極（Zn—ZnSO4）和銅電極（Cu-CuSO4）組成的一個(gè)電池，簡稱鋅-銅電池。在這個(gè)裝置里，鋅片并沒有和CuSO4溶液相接觸，但確實(shí)可以看到在鋅極發(fā)生的是Zn片溶解生成Zn2+，在銅極則有Cu2+還原成金屬銅析出在銅片上，電子由鋅極流向銅極，電流方向反之，即由銅極流向鋅極，電流表指針向正方向偏轉(zhuǎn)指明銅極為正極，鋅極為負(fù)極。兩個(gè)電極反應(yīng)分別是：

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測繪、無人設(shè)備

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正極：Cu2++2e-?Cu

負(fù)極：Zn?Zn2++2e-

若Zn2+和Cu2+的濃度都是1.0mol×L-1，用高阻抗伏特計(jì)測得兩極電勢差為1.1V，即該電池的電動(dòng)勢為1.1V。若用鐵片和硫酸亞鐵溶液代替上述鋅電極，則組成鐵-銅電池。當(dāng)Fe2+和Cu2+濃度都是1.0mol.L-1時(shí)，測得電動(dòng)勢為0.75V。若以Ag和AgNO3溶液（1.0mol×L-1）代替銅電極，組成了鋅-銀電池，其電動(dòng)勢則為1.6V。與上述電池相關(guān)的氧化還原反應(yīng)，電子流動(dòng)方向和電池電動(dòng)勢（E）如下：

這幾個(gè)反應(yīng)是讀者熟悉的金屬置換反應(yīng)，按圖2-10所示原理可以裝成經(jīng)典的化學(xué)電池，在上個(gè)世紀(jì)它們曾是實(shí)用的化學(xué)電源。

電池的電動(dòng)勢決定于電極得失電子的能力和溶液的濃度。電極得失電子的能力，用“電極電勢”表示，它是一類相對數(shù)據(jù)，表2-6列舉了一些手冊里記載的水溶液中的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢Eq。其中“標(biāo)準(zhǔn)”兩字是指電極反應(yīng)中的物質(zhì)都處于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，即溶液中離子濃度都是lmol×L-1，氣態(tài)物質(zhì)的分壓都是100kPa，溫度為298K（25℃）。以氫電極作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，指定氫電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢為零：

2H+（1.0mol×L-1）＋2e-?H2（100kPa）

其他電極與之相比，如，表示銅電極電勢比氫電極高0.34V；而=-0.76V，表示鋅電極電勢比氫電極低0.76V。由此可以求得銅電極電勢比鋅電極高1.10V，即鋅-銅電池的電動(dòng)勢為1.10V。

利用表2-6數(shù)據(jù)，還可以判別水溶液中氧化還原反應(yīng)的方向。電極反應(yīng)物質(zhì)有氧化態(tài)與還原態(tài)，在書寫反應(yīng)方程式時(shí)，氧化態(tài)物質(zhì)寫在左邊，得電子變?yōu)檫€原態(tài)，還原態(tài)物質(zhì)寫在右邊。電極反應(yīng)的Eq值越大，表示氧化態(tài)物質(zhì)得電子能力越大，即氧化能力越大。

如表里左下方的氧化態(tài)物質(zhì)F2，Cl2。，S2O82-，MnO4-等都是很強(qiáng)的氧化劑。反之Eq值越小，氧化態(tài)得電子能力越小或還原態(tài)失電子能力越大，亦即右上方還原態(tài)物質(zhì)如K，Na，Zn等都是強(qiáng)還原劑。由此可知表中左下方的氧化態(tài)物質(zhì)可以和右上方的還原在物質(zhì)起反應(yīng)；反之右下方的還原衣物質(zhì)不能和左上方氧化態(tài)物質(zhì)起反應(yīng)。例如H+和Fe可以起反應(yīng)生成H2和Fe2+，而H+不能和Ag起反應(yīng)，此即鐵能和酸起置換反應(yīng)放出H2，而銀不能和酸起反應(yīng)。同理，可以判斷Cl2能氧化Br-或I-，但Fe3+只能使I-變?yōu)镮2，而不能使Br-變?yōu)锽r2。化學(xué)手冊里有許多常見物質(zhì)的有關(guān)Eq值可供參考。

任何兩個(gè)電極反應(yīng)都可組成一個(gè)氧化還原反應(yīng)，理論上都可以設(shè)計(jì)成一個(gè)電池，但真要做成一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的電池并非易事。目前我們最熟悉而又經(jīng)常使用的莫過于鋅-錳干電池和鉛蓄電池。

2鋅-錳干電池的工作原理

以上列舉的幾種電池有溶液，便于說明原理，但不便于攜帶。日常用的收音機(jī)，手電筒里使用的都是干電池，其電壓一般為1.5V，電容量隨體積大小而異（分1號，2號，3號，4號，5號等）。外殼用鋅皮作為負(fù)極，中心為正極，是一根導(dǎo)電性能良好的石墨棒，裹上了一層由MnO2，炭黑及NH4Cl溶液混合壓緊的團(tuán)塊。兩個(gè)電極之間的電解液是由NH4Cl，ZnCl2，淀粉和一定量水組成，將其加熱調(diào)制成漿糊并趁熱灌入鋅筒，冷卻后成半透明的膠凍不再流動(dòng)，但可以導(dǎo)電。鋅筒上口加瀝青密封，防止電解液滲出。鋅-錳干電池的電極反應(yīng)為

鋅負(fù)極：Zn+4NH4Cl?(NH4)2ZnCl4+2NH4++2e-

錳正極：MnO2+H2O+e-?MnO(OH)+OH-

在使用過程中，電子由鋅極流向錳極（電流方向相反），鋅皮逐漸消耗，MnO2也不斷被還原，電壓慢慢降低，最后電池失效。這種電池是一次性消費(fèi)品，但鋅皮不可能完全消耗掉，所以舊電池可回收鋅。鋅既然是消耗性的外殼，在使用過程中就會(huì)變薄以致穿孔，這就要求在鋅皮外加有密封包裝，有些劣質(zhì)產(chǎn)品，在使用過程中發(fā)生“滲漏”現(xiàn)象，即是沒有按要求做的緣故。

3鉛蓄電池的工作原理

電池放電到一定程度，可以利用外電源進(jìn)行充電后再用，這樣充電放電可以反復(fù)幾百次。汽車的啟動(dòng)電源常用鉛蓄電池，其結(jié)構(gòu)如圖2-12所示。

電池內(nèi)有一排鉛銻合金的柵格板，柵孔為細(xì)的鉛粉泥所填滿。柵板交替由兩塊導(dǎo)板相聯(lián)，分別成為頂部的兩個(gè)電極。整個(gè)電極板在使用之前先浸泡在稀硫酸溶液中進(jìn)行電解處理，在陽極，Pb被氧化成為二氧化鉛（PbO2），在陰極，形成海綿狀金屬鉛。干燥后，PbO2為蓄電池的正極，海綿狀鉛為負(fù)極。所用電解液為30％的硫酸（H2SO4），因此這類電池可以也叫酸性蓄電池。放電時(shí)，電極反應(yīng)和電池反應(yīng)如下：

正極：PbO2+2H2O?PbO2+SO42-+4H++2e-

負(fù)極：PbSO4+2e-?Pb+SO42-

放電反應(yīng)：PbO2+Pb+2H2SO4?2PbSO4+2H2O

放電之后，正負(fù)兩極都生成了一層硫酸鉛（PbSO4），到一定程度就必須充電。充電時(shí)是將一個(gè)電壓略高于蓄電池的直流電源與它相接，PbO2電極上的PbSO4放出電子被氧化為PbO2，Pb極上的PbSO4接受電子被還原為Pb，于是蓄電池的電極恢復(fù)原狀，又可放電。充電時(shí)的電極反應(yīng)和電池反應(yīng)恰好是放電時(shí)的逆反應(yīng)：

PbO2極：PbSO4+2H2O?PbO2+SO42-+4H++2e-

Pb極：PbSO4+2e-?Pb+SO42-

充電反應(yīng)：2PbSO4+2H2O?PbO2+Pb+2H2SO4

鉛蓄電池放電和充電過程可以合并寫為

鉛蓄電池每個(gè)單元電壓為2.0V左右，汽車用的電瓶一般由3個(gè)單元組成，即工作電壓在6.0V左右。若電容量為幾十至一百安培，放電時(shí)，單元電壓降到1.8V，就不能繼續(xù)使用，必須進(jìn)行充電。只要按規(guī)定及時(shí)充電，使用得當(dāng)，一個(gè)電池可以充放電300多次，否則使用壽命會(huì)大大降低。這種蓄電池具有電動(dòng)勢高、電壓穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、原料豐富、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是笨重、防震性差、易溢出酸霧、維護(hù)不便、攜帶不便等。針對這些問題，科技工作者認(rèn)真不斷地從電極材料、隔板材料、電解液組成、電池槽體、整體密封等多方面進(jìn)行改進(jìn)。自80年代以來各種新型的鉛蓄電池逐漸問世，它們在汽車工業(yè)、通訊業(yè)、飛機(jī)、船舶、礦山、特種等方面都有廣泛應(yīng)用。在當(dāng)今各種電池中，就其總產(chǎn)量而言，鉛蓄電池還是占90％。

4其它常見的幾種電池

新技術(shù)的發(fā)展，迫切要求研制體積小、質(zhì)量輕容量大、保存時(shí)間長的各種新型化學(xué)電源?，F(xiàn)在已經(jīng)商品化的電池有以下幾種。

堿性蓄電池日常生活中用的充電電池就屬于這類。它的體積、電壓都和干電池差不多，攜帶方便，使用壽命比鉛蓄電池長得多，使用恰當(dāng)可以反復(fù)充放電上千次，但價(jià)格比較貴。商品電池中有鎳-鎘（Ni—Cd）和鎳-鐵（Ni-Fe）兩類，它們的電池反應(yīng)是

反應(yīng)是在堿性條件下進(jìn)行的，所以叫堿性蓄電池。

銀-鋅電池電子手表、液晶顯示的計(jì)算器或一個(gè)小型的助聽器等所需電流是微安或毫安級的，它們所用的電池體積很小，有“鈕扣”電池之稱。它們的電極材料是Ag2O2和Zn，所以叫銀-鋅電池。電極反應(yīng)和電池反應(yīng)是：

負(fù)極：2Zn+4OH-?2Zn(OH)2+4e-

正極：Ag2O2+2H2O+4e-?2Ag+4OH-

電池反應(yīng)：2Zn+Ag2O2+2H2O?2Zn(OH)2+2Ag

利用上述化學(xué)反應(yīng)也可以制作大電流的電池，它具有質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。這類電池已用于宇航、火箭、特種等方面。

燃料電池氫氣（H2），甲烷氣（CH4），乙醇（C2H5OH）等物質(zhì)在氧氣（O2）中燃燒時(shí)，能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，這種裝置叫燃料電池。這些氣體分子

首先在電極催化劑的作用下離子化，再與O2起反應(yīng)生成CO2和H2O。這種電池能量利用率可高達(dá)80％（一般柴油發(fā)電機(jī)只有40％左右），反應(yīng)產(chǎn)物的污染也少。一種10~20kW的堿性H2—O2燃料電池已成功地用于航天飛機(jī)，在美國、日本還有若干示范性的CH4-O2燃料電池發(fā)電站，但目前這類電極成本很高，氣體凈化要求也高，短期內(nèi)難于普及。

此外，銀-錳電池、鋰-碘電池、鈉-硫電池、太陽能電池等多種高效、安全、價(jià)廉的電池都在研究之中?；瘜W(xué)電源的研究和開發(fā)是化學(xué)科學(xué)的重要研究領(lǐng)域之一，也是能源工作者研究領(lǐng)域之一。