化學(xué)電源的種類

化學(xué)電源

化學(xué)電源又稱電池，是一種能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成電能的裝置，它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)技術(shù)、軍事和日常生活方面均獲得廣泛應(yīng)用。

化學(xué)電池使用面廣，品種繁多，按照其使用性質(zhì)可分為三類：干電池、蓄電池、燃料電池。按電池中電解質(zhì)性質(zhì)分為：堿性電池、酸性電池、中性電池。

一、干電池

干電池也稱一次電池，即電池中的反應(yīng)物質(zhì)在進(jìn)行一次電化學(xué)反應(yīng)放電之后就不能再次使用了。常用的有鋅錳干電池、鋅汞電池、鎂錳干電池等。

鋅錳干電池是日常生活中常用的干電池，其結(jié)構(gòu)如右圖所示：

正極材料：MnO2、石墨棒

負(fù)極材料：鋅片

電解質(zhì)：NH4Cl、ZnCl2及淀粉糊狀物

電池符號(hào)可表示為

（－） Zn｜ZnCl2、NH4Cl（糊狀）‖MnO2｜C（石墨） （＋）

負(fù)極：Zn＝Zn2＋＋2e

正極：2MnO2＋2NH4＋＋2e＝Mn2O3＋2NH3＋H2O

總反應(yīng)：Zn＋2MnO2＋2NH4＋＝2Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O

鋅錳干電池的電動(dòng)勢(shì)為1.5V。因產(chǎn)生的NH3氣被石墨吸附，引起電動(dòng)勢(shì)下降較快。如果用高導(dǎo)電的糊狀KOH代替NH4Cl，正極材料改用鋼筒，MnO2層緊靠鋼筒，就構(gòu)成堿性鋅錳干電池，由于電池反應(yīng)沒有氣體產(chǎn)生，內(nèi)電阻較低，電動(dòng)勢(shì)為1.5V，比較穩(wěn)定。

二、蓄電池

蓄電池是可以反復(fù)使用、放電后可以充電使活性物質(zhì)復(fù)原、以便再重新放電的電池，也稱二次電池。其廣泛用于汽車、發(fā)電站、火箭等部門。由所用電解質(zhì)的酸堿性質(zhì)不同分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。

（－）酸性鉛蓄電池

鉛蓄電池由一組充滿海綿狀金屬鉛的鉛銻合金格板做負(fù)極，由另一組充滿二氧化鋁的鉛銻合金格板做正極，兩組格板相間浸泡在電解質(zhì)稀硫酸中，放電時(shí)，電極反應(yīng)為：

負(fù)極：Pb＋SO42－＝PbSO4＋2e

正極：PbO2＋SO42－十4H＋＋2e＝PbSO4＋2H2O

總反應(yīng)：Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4十2H2O

放電后，正負(fù)極板上都沉積有一層PbSO4，放電到一定程度之后又必須進(jìn)行充電，充電時(shí)用一個(gè)電壓略高于蓄電池電壓的直流電源與蓄電池相接，將負(fù)極上的PbSO4還原成Pb，而將正極上的PbSO4氧化成PbO2，充電時(shí)發(fā)生放電時(shí)的逆反應(yīng)：

陰極：PbSO4＋2e＝Pb＋SO42－

陽(yáng)極：PbSO4＋2H2O＝PbO2＋SO42－＋4H＋＋2e

總反應(yīng)：2PbSO4＋2H2O＝Pb＋PbO2＋H2SO4

正常情況下，鉛蓄電池的電動(dòng)勢(shì)是2.1V，隨著電池放電生成水，H2SO4的濃度要降低，故可以通過測(cè)量H2SO4的密度來檢查蓄電池的放電情況。鉛蓄電池具有充放電可逆性好、放電電流大、穩(wěn)定可靠、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是笨重，常用作汽車和柴油機(jī)車的啟動(dòng)電源，坑道、礦山和潛艇的動(dòng)力電源，以及變電站的備用電源。

（二）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(zhǎng)得多，使用信當(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）和鎳一鐵（Ni－Fe）兩類，它們的電池反應(yīng)是：

Cd＋2NiO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Cd(OH)2

Fe＋2NaO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Fe(OH)2

反應(yīng)是在堿性條件下進(jìn)行的，所以叫堿性蓄電池。

三、新型燃料電池

燃料電池與前兩類電池的主要差別在于：它不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內(nèi)，而是在工作時(shí)不斷從外界輸入氧化劑和還原劑，同時(shí)將電極反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出電池。燃料電池是直接將燃燒反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，能量轉(zhuǎn)化率高，可達(dá)80%以上，而一般火電站熱機(jī)效率僅在30％～40％之間。燃料電池具有節(jié)約燃料、污染小的特點(diǎn)。

燃料電池以還原劑（氫氣、煤氣、天然氣、甲醇等）為負(fù)極反應(yīng)物，以氧化劑（氧氣、空氣等）為正極反應(yīng)物，中燃料極、空氣極和電解質(zhì)溶液構(gòu)成。電極材料多采用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等貴重金屬以及聚四氟乙烯，電解質(zhì)則有堿性、酸性、熔融鹽和固體電解質(zhì)等數(shù)種。

以堿性氫氧燃料電池為例，它的燃料極常用多孔性金屬鎳，用它來吸附氫氣。空氣極常用多孔性金屬銀，用它吸附空氣。電解質(zhì)則由浸有KOH溶液的多孔性塑料制成，其電池符號(hào)表示為：

Ni｜H2｜KOH（30％）｜O2｜Ag

負(fù)極反應(yīng)：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e

正極反應(yīng)：O2＋2H2O＋4e＝4OH－

總反應(yīng)：2H2＋O2＝2H2O

電池的工作原理是：當(dāng)向燃料極供給氫氣時(shí)，氫氣被吸附并與催化劑作用，放出電子而生成H＋，而電子經(jīng)過外電路流向空氣極，電子在空氣極使氧還原為OH－，H＋和OH－在電解質(zhì)溶液中結(jié)合成H2O。氫氧燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)為1.229V。

氫氧燃料電池目前已應(yīng)用于航天、軍事通訊、電視中繼站等領(lǐng)域，隨著成本的下降和技術(shù)的提高，可望得到進(jìn)一步的商業(yè)化作用。

四、海洋電池

1991年，我國(guó)首創(chuàng)以鋁－空氣－海水為能源的新型電池，稱之為海洋電池。它是一種無污染、長(zhǎng)效、穩(wěn)定可靠的電源。海洋電池徹底改變了以往海上航標(biāo)燈兩種供電方式：一是一次性電池，如鋅錳電池、鋅銀電池、鋅空（氣）電池等。這些電池體積大，電能低，價(jià)格高。二是先充電后給電的二次性電源，如鉛蓄電池，鎳鎘電池等。這種電池要定期充電，工作量大，費(fèi)用高。

海洋電池，是以鋁合金為電池負(fù)極，金屬（Pt、Fe）網(wǎng)為正極，用取之不盡的海水為電解質(zhì)溶液，它靠海水中的溶解氧與鋁反應(yīng)產(chǎn)生電能的。我們知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，為獲得這部分氧，科學(xué)家把正極制成仿魚鰓的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以增大表面積，吸收海水中的微量溶解氧。這些氧在海水電解液作用下與鋁反應(yīng)，源源不斷地產(chǎn)生電能。兩極反應(yīng)為：

負(fù)極：（Al）：4Al－12e＝4Al3＋

正極：（Pt或Fe等）：3O2＋6H2O十12e＝12OH－

總反應(yīng)式：4Al＋3O2十6H2O＝4Al(OH)3↓

海洋電池本身不含電解質(zhì)溶液和正極活性物質(zhì)，不放入海洋時(shí)，鋁極就不會(huì)在空氣中被氧化，可以長(zhǎng)期儲(chǔ)存。用時(shí)，把電池放入海水中，便可供電，其能量比干電池高20～50倍。

電池設(shè)計(jì)使用周期可長(zhǎng)達(dá)一年以上，避免經(jīng)常交換電池的麻煩。即使更換，也只是換一塊鋁板，鋁板的大小，可根據(jù)實(shí)際需要而定。

海洋電池沒有怕壓部件，在海洋下任何深度都可以正常了作。海洋電池，以海水為電解質(zhì)溶液，不存在污染，是海洋用電設(shè)施的能源新秀。

五、高能電池

具有高“比能量”和高“比功率”的電池稱為高能電池。所謂“比能量”和“比功率”是指控電池的單位質(zhì)量或單位體積計(jì)算電池所能提供的電能和功率。高能電池發(fā)展快、種類多。

（－）銀一鋅電池

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(jí)的，它們所用的電池體積很小，有“紐扣”電池之稱。它們的電極材料是Ag2O2和Zn，所以叫銀一鋅電池。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＝Ag＋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、潛艇等方面。

（二）鋰－二氧化錳非水電解質(zhì)電池

以鋰為負(fù)極的非水電解質(zhì)電池有幾十種，其中性能最好、最有發(fā)展前途的是鋰一二氧化錳非水電解質(zhì)電池，這種電池以片狀金屬及為負(fù)極，電解活性MnO2作正極，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有機(jī)溶劑作為電解質(zhì)溶液，以聚丙烯為隔膜，電池符號(hào)可表示為：

Li｜LiClO4｜MnO2｜C（石墨）

負(fù)極反應(yīng)：Li＝Li＋＋e

正極反應(yīng)：MnO2＋Li＋＋e＝LiMnO2

總反應(yīng)：Li＋MnO2＝LiMnO2

該種電池的電動(dòng)勢(shì)為2.69V，重量輕、體積小、電壓高、比能量大，充電1000次后仍能維持其能力的90％，貯存性能好，已廣泛用于電子計(jì)算機(jī)、手機(jī)、無線電設(shè)備等。

（三）鈉＋硫電池

它以熔融的鈉作電池的負(fù)極，熔融的多硫化鈉和硫作正極，正極物質(zhì)填充在多孔的碳中，兩極之間用陶瓷管隔開，陶瓷管只允許Na＋通過。放電分二步進(jìn)行：

第一步放電

負(fù)極：Na＝Na＋＋e

正極：2Na＋＋5S＋2e＝Na2S5（l）

總反應(yīng)：2Na＋5S＝Na2S5（l）

負(fù)極上生成的Na＋通過陶瓷管，進(jìn)入正極與硫進(jìn)行作用，生成Na2S5，使正極成為S和Na2S5現(xiàn)混合物，直到將破全部轉(zhuǎn)化成Na2S5為止，當(dāng)正極的硫被消耗完之后轉(zhuǎn)為第二步放電反應(yīng)。

第二步放電

負(fù)極：2Na＝2Na＋2e

正極：2Na＋＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l）

總反應(yīng)：2Na＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l）

當(dāng)Na2S5作用完后，電池放電轉(zhuǎn)入后期工作。

第三步放電

負(fù)極：2Na＝2Na＋2e

正極：2Na＋Na2S4＋2e＝2Na2S2（l）

總反應(yīng)：2Na＋Na2S4＝N a2S2（l）

鈉－硫電池的電動(dòng)勢(shì)為2.08V，可作為機(jī)動(dòng)車輛的動(dòng)力電池。為使金屬鈉和多硫化鈉保持液態(tài)，放電過程應(yīng)維持在300℃左右。