化學電源

化學電源又稱電池，是一種能將化學能直接轉變成電能的裝置，它在國民經濟、科學技術、特種和日常生活方面均獲得廣泛應用。

化學電池使用面廣，品種繁多，按照其使用性質可分為三類：干電池、蓄電池、燃料動力電池。按電池中電解質性質分為：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，即電池中的反應物質在進行一次電化學反應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，其結構如右圖所示：

正極材料：MnO2、石墨棒

負極材料：鋅片

電解質：NH4Cl、ZnCl2及淀粉糊狀物

電池符號可表示為

（－）Zn｜ZnCl2、NH4Cl（糊狀）‖MnO2｜C（石墨）（＋）

負極：Zn＝Zn2＋＋2e

正極：2MnO2＋2NH4＋＋2e＝Mn2O3＋2NH3＋H2O

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

鋅錳干電池的電動勢為1.5V。因出現的NH3氣被石墨吸附，引起電動勢下降較快。假如用高導電的糊狀KOH代替NH4Cl，正極材料改用鋼筒，MnO2層緊靠鋼筒，就構成堿性鋅錳干電池，由于電池反應沒有氣體出現，內電阻較低，電動勢為1.5V，比較穩定。

二、蓄電池

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

（－）酸性蓄電池

蓄電池由一組充滿海綿狀金屬鉛的鉛銻合金格板做負極，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稀硫酸中，放電時，電極反應為：

負極：pb＋SO42－＝pbSO4＋2e

正極：pbO2＋SO42－十4H＋＋2e＝pbSO4＋2H2O

總反應：pb＋pbO2＋2H2SO4＝2pbSO4十2H2O

放電后，正負極板上都沉積有一層pbSO4，放電到一定程度之后又必須進行充電，充電時用一個電壓略高于蓄電池電壓的直流電源與蓄電池相接，將負極上的pbSO4還原成pb，而將正極上的pbSO4氧化成pbO2，充電時發生放電時的逆反應：

陰極：pbSO4＋2e＝pb＋SO42－

陽極：pbSO4＋2H2O＝pbO2＋SO42－＋4H＋＋2e

總反應：2pbSO4＋2H2O＝pb＋pbO2＋H2SO4

正常情況下，蓄電池的電動勢是2.1V，隨著電池放電生成水，H2SO4的濃度要降低，故可以通過測量H2SO4的密度來檢查蓄電池的放電情況。蓄電池具有充放電可逆性好、放電電流大、穩定可靠、價格便宜等優點，缺點是笨重，常用作汽車和柴油機車的啟動電源，坑道、礦山和特種的動力電源，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，使用壽命比蓄電池長得多，使用信當可以反復充放電上千次，但價格比較貴。商品電池中有鎳－鎘（Ni－Cd）和鎳一鐵（Ni－Fe）兩類，它們的電池反應是：

Cd＋2NiO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Cd(OH)2

Fe＋2NaO(OH)＋2H2O2Ni(OH)2＋Fe(OH)2

反應是在堿性條件下進行的，所以叫堿性蓄電池。

三、新型燃料動力電池

燃料動力電池與前兩類電池的重要差別在于：它不是把還原劑、氧化劑物質全部貯藏在電池內，而是在工作時不斷從外界輸入氧化劑和還原劑，同時將電極反應產物不斷排出電池。燃料動力電池是直接將燃燒反應的化學能轉化為電能的裝置，能量轉化率高，可達80%以上，而一般火電站熱機效率僅在30％～40％之間。燃料動力電池具有節約燃料、污染小的特點。

燃料動力電池以還原劑（氫氣、煤氣、天然氣、甲醇等）為負極反應物，以氧化劑（氧氣、空氣等）為正極反應物，中燃料極、空氣極和電解質溶液構成。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，電解質則有堿性、酸性、熔融鹽和固體電解質等數種。

以堿性氫氧燃料動力電池為例，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。電解質則由浸有KOH溶液的多孔性塑料制成，其電池符號表示為：

Ni｜H2｜KOH（30％）｜O2｜Ag

負極反應：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e

正極反應：O2＋2H2O＋4e＝4OH－

總反應：2H2＋O2＝2H2O

電池的工作原理是：當向燃料極供給氫氣時，氫氣被吸附并與催化劑用途，放出電子而生成H＋，而電子經過外電路流向空氣極，電子在空氣極使氧還原為OH－，H＋和OH－在電解質溶液中結合成H2O。氫氧燃料動力電池的標準電動勢為1.229V。

氫氧燃料動力電池目前已應用于航天、特種通訊、電視中繼站等領域，隨著成本的下降和技術的提高，可望得到進一步的商業化用途。

四、海洋電池

1991年，我國首創以鋁－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、長效、穩定可靠的電源。海洋電池徹底改變了以往海上航標燈兩種供電方式：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，價格高。二是先充電后給電的二次性電源，如蓄電池，鎳鎘電池等。這種電池要定期充電，工作量大，費用高。

海洋電池，是以鋁合金為電池負極，金屬（pt、Fe）網為正極，用取之不盡的海水為電解質溶液，它靠海水中的溶解氧與鋁反應出現電能的。我們了解，海水中只含有0.5%的溶解氧，為獲得這部分氧，科學家把正極制成仿魚鰓的網狀結構，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用途下與鋁反應，源源不斷地出現電能。兩極反應為：

負極：（Al）：4Al－12e＝4Al3＋

正極：（pt或Fe等）：3O2＋6H2O十12e＝12OH－

總反應式：4Al＋3O2十6H2O＝4Al(OH)3↓

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

電池設計使用周期可長達一年以上，防止經常交換電池的麻煩。即使更換，也只是換一塊鋁板，鋁板的大小，可根據實際要而定。

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，以海水為電解質溶液，不存在污染，是海洋用電設施的能源新秀。

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量或單位體積計算電池所能供應的電能和功率。高能電池發展快、種類多。

（－）銀一鋅電池

電子手表、液晶顯示的計算器或一個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。電極反應和電池反應是：

負極：2Zn＋4OH－＝2Zn(OH)2＋4e

正極：Ag2O2＋2H2O＋4e＝Ag＋4OH－

電池反應：2Zn＋Ag2O2＋2H2O＝2Zn(OH)2＋2Ag

利用上述化學反應也可以制作大電流的電池，它具有質量輕、體積小等優點。這類電池已用于宇航、火箭、特種等方面。

（二）鋰－二氧化錳非水電解質電池

以鋰為負極的非水電解質電池有幾十種，其中性能最好、最有發展前途的是鋰一二氧化錳非水電解質電池，這種電池以片狀金屬及為負極，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溶劑作為電解質溶液，以聚丙烯為隔膜，電池符號可表示為：

Li｜LiClO4｜MnO2｜C（石墨）

負極反應：Li＝Li＋＋e

正極反應：MnO2＋Li＋＋e＝LiMnO2

總反應：Li＋MnO2＝LiMnO2

該種電池的電動勢為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，已廣泛用于電子計算機、手機、無線電設備等。

（三）鈉＋硫電池

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

第一步放電

負極：Na＝Na＋＋e

正極：2Na＋＋5S＋2e＝Na2S5（l）

總反應：2Na＋5S＝Na2S5（l）

負極上生成的Na＋通過陶瓷管，進入正極與硫進行用途，生成Na2S5，使正極成為S和Na2S5現混合物，直到將破全部轉化成Na2S5為止，當正極的硫被消耗完之后轉為第二步放電反應。

第二步放電

負極：2Na＝2Na＋2e

正極：2Na＋＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l）

總反應：2Na＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l）

當Na2S5用途完后，電池放電轉入后期工作。

第三步放電

負極：2Na＝2Na＋2e

正極：2Na＋Na2S4＋2e＝2Na2S2（l）

總反應：2Na＋Na2S4＝Na2S2（l）

鈉－硫電池的電動勢為2.08V，可作為機動車輛的動力鋰電池。為使金屬鈉和多硫化鈉保持液態，放電過程應維持在300℃左右。