多種多樣的電池

文章編號：1005－6629(2006)12－0053－04中圖分類號：TM911文獻標識碼：E

以原電池為基本模型的能持續產生直流電的裝置，統稱為化學電池，通常稱為電池。電池作為化學電源極廣泛地應用于科學研究、生產與生活各領域，在實際應用中既有小如鈕扣的電池，也有能產生兆瓦級的燃料電池發電站，真可謂是多種多樣。

1酸性鋅錳電池

最早進入市場的實用電池是鋅錳干電池。早在1860年法國人勒克郎榭(GeorgeLeclanche)就發明了酸性鋅錳電池的原型，因而這種電池也叫Leclanche電池。它的外殼是作為負極的鋅筒，電池中心是作為正極導電材料的石墨棒，正極區為圍繞石墨棒的粉狀二氧化錳和炭粉，負極區為糊狀的ZnCl₂和NH₄Cl混合物。該電池在正極會發生氫離子還原放出氫氣的電極反應，生成的氫氣使正極導電性下降(電極的極化)，二氧化錳是“去極化劑”，它使氫氣氧化，保持正極有良好的導電性。電池內主要反應為：

酸性鋅錳電池歷史悠久，制作簡單，價格便宜。始終占干電池市場的很大份額，但它有一些致命弱點：未使用過的新電池存放時間短(會發生自放電而降低電壓乃至完全報廢)；放電后電壓不穩定，下降較快；不能充電，只能一次使用。

2堿性鋅錳電池

堿性鋅錳電池是在1950年以后才開始進入市場的。近年來，在我國市場上，酸性鋅錳電池正在被價格較貴的堿性鋅錳電池取代。堿性電池的結構與酸性電池完全相反，電池中心是負極，鋅呈粉狀，正極區在外層，是MnO₂和KOH混合物，外殼是鋼筒。堿性鋅錳電池克服了酸性電池存放時間短和電壓不穩定的缺點，但仍為一次性電池。堿性鋅錳電池的電解質是KOH，電池內主要反應為：

3鋅－氧化汞電池

鋅－氧化汞電池常被制成如同鈕扣大小，主要用于自動照相機、助聽器、心臟起搏器、數字計算器和石英電子表等。在醫學和電子工業中，它比Leclanche電池使用得更加廣泛。其結構如圖，其負極是鋅－汞合金(鋅汞齊)。正極是與鋼相接觸的氧化汞HgO(有的以碳代鋼)。兩極的活性物質分別是鋅和氧化汞。電解質是45%的KOH溶液，這種溶液被某種材料所吸收，直到吸收材料達到飽和。電池內主要反應為：

這種鋅－氧化汞電池有很穩定的1.34V輸出電壓，并有相當高的電池容量和較長的壽命。這些特性對它在通訊設備和科研儀器中的使用有重要價值。其最大的缺點是廢棄電池會造成環境的汞污染。

4海水電池

1991年，我國首創了以鋁-空氣-海水為能源的新型電池，用作航海標志燈。該電池以取之不盡的海水為電解質，靠空氣中的氧氣使鋁不斷氧化而產生電流。電池內主要反應為：

這種海水電池的能量比“干電池”高20～50倍。

5銀鋅電池

它是用不銹鋼制成的一個由正極殼和負極蓋組成的小圓盒，形似鈕扣，盒內正極殼一端填充由Ag₂O和石墨組成的正極活性材料，負極蓋一端填充鋅汞合金組成的負極活性材料，電解質溶液為KOH，電池內主要反應為：

電池電動勢1.59V，使用壽命較長。

6熔融鹽燃料電池

它具有高的發電效率，因而受到重視。可用

Li₂CO₃和Na₂CO₃的熔融鹽混合物作電解質，CO為負極燃氣，空氣與CO₂的混合氣體為正極助燃氣，制得在650℃下工作的燃料電池。電池內主要的反應為：

7鋰電池

它是用金屬鋰作負極活性物質的電池的總稱。

目前生產的多是一次性鋰電池，商品化的鋰電池有Li-I₂、Li-Ag₂CrO₄、Li-MnO₂、Li-SO₂和Li-SOCl₂電池。

鋰電池的負極反應均為Li-e-=Li⁺

常用于心臟起搏器的一種微型鋰電池，石墨作正極，電解質溶液由四氯化鋁鋰(LiAlCl4)溶解在亞硫酸氯(SOCl2)中組成。電池的總反應式為：8Li+3SOCl₂=6LiCl+Li₂SO₃+2S

這種電池的容量大，電壓穩定，在-56.7～71.1℃溫度范圍內正常工作。

8鋰離子電池

它是Li+嵌入化合物為正負極的可充電電池。正極采用鋰化合物LixCoO₂、LixNiO₂或LiMnO₄。負極采用鋰－碳層間化合物LixC6，電解質為溶有鋰鹽LiPF₆、LiAs₆等的有機溶液。在充放電過程中，Li⁺在兩個電極之間嵌入和脫嵌，被形象地稱為“搖椅電池”。

鋰離子電池工作電壓高，一般為3.3～3.8V，體積小，比能量高，自放電小，循環壽命長，可達500～1000次，使用溫度范圍較寬，可在-20～55℃之間。該電池設有安全裝置，不僅使用安全，而且不會對環境造成污染，被稱為綠色電池，鋰離子電池被認為是21世紀發展的理想能源。

9鎳鎘電池

出現于上世紀50年代的鎳鎘電池是至今仍占很大市場份額的可充電堿性干電池。電解液為KOH，電池內主要反應為：

該電池能維持非常恒定的電壓，可達1.4V。同時循環使用可達2000～4000次。廣泛用于手提計算機，便攜式電動工具，電動剃須刀和牙刷等。鎘是致癌物質，廢棄的鎘電池不回收會嚴重污染環境，嚴重制約了它的發展，故鎘電池有逐漸被其它可充電電池取代的趨勢。

10鎳氫電池

鎳氫電池是一種價格比鎳鎘電池貴得多的可充電電池，正極活性物質為氫氧化鎳(稱氧化鎳電極)，負極活性物質為金屬合金，也稱貯氫合金(電極稱貯氫電極)，電解液為氫氧化鉀，在電池內主要的反應為：

它的出現，應首先歸功于儲氫材料的突破，貯氫合金以LaNi₅為代表。很明顯，一般小小的干電池的負極無法想象使用氣態的氫。

11鈉硫電池

它是一種高能電池，以熔融的鈉、硫為兩極，以Na⁺導電的β－Al₂O₃陶瓷作固體電解質，電池內主要反應為：

12鉛蓄電池

目前汽車等動力車的蓄電池基本上是鉛蓄電池，它的歷史悠久，性能優良，價格便宜，為所有其它電池所不能兼顧。鉛蓄電池的結構十分簡單。它的電極主架均為鉛合金的柵板，平行排列，相間地在柵格里填以鉛和二氧化鉛作為負極和正極，電解質為硫酸水溶液。電池內主要反應為：

當放電時，硫酸的濃度降低，當溶液的密度達1.18g#8226;cm^-3時，應停止使用，需充電，充電時起電解池的作用，當溶液的密度增加至1.28g#8226;cm^-3時應停止充電。

13甲醇電池

摩托羅拉公司研制了一種由甲醇和氧氣以及強堿作電解質溶液的新型手機電池，電容量可達現用鎳氫電池或鋰電池的10倍。電池內主要反應為：

14燃料電池

早在19世紀初，電化學的開山鼻祖英國人戴維就已經提出了燃料電池的基本設想。1839年發明電化學電池的英國人格拉夫(williamRobertGrove1811～1896)證實了戴維的想法，發明了最早的氫－氧燃料電池。

氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池。氫氣可從轉化天然氣或石油氣等獲得；氧氣從空氣中獲得。電池的電解質除大家熟悉的水溶液和熔融鹽外，還有可以傳遞質子的膜或者固體電解質。例如用于宇宙飛船的氫氧燃料電池是以30%的濃KOH水溶液為電解質的。氫氣和氧氣以液態的方式貯存于跟電池隔離的高壓容器里。反應產物——水被用作宇航員的飲水。每個單元電池的實測工作電動勢為0.8～1.0V。把30～40個單元電池組合在一起，形成約30V的電源。化學能轉化為電能的效率可以達到60%～80%，其余的能量仍然以熱的形式釋放。因此，該電池既可供電，用于飛船的照明和無線電通訊，又可供熱來保持飛船適于宇航員生存必需的溫度。

15納米型電池

近十多年來，化學家們對“納米技術”產生了極大興趣。這種技術使人們能夠在原子與分子水平上對化學反應系統加以控制，以便于更好地了解各種過程的機理，并開辟了有控制地每次加入一個原子的材料加工過程。

這種研究的成果之一即納米型電池。這是世界上最小的Volta電池。1992年，化學家們在CaliforniaIrvine(加利福尼亞歐文)大學用掃描隧道顯微鏡將彼此緊挨著的很小的金屬點沉積在一個表面上。他們制備出有四個電極Volta電池，其中兩個銅電極，兩個銀電極。這四個電極的在石墨晶體的表面上堆成垛狀。垛的直徑為(15～20)nm，高(2～5)nm，電池的總尺寸為70nm，約為紅血細胞的百分之一大小。當電池浸在稀的硫酸銅溶液中，作為負極的銅垛就開始溶解，發生氧化反應，電池內主要反應為：

總的電池反應過程是銅原子通過溶液中的Cu²⁺從陽極向陰極轉移，而在外電路則有電子通過石墨從Cu向Ag正極輸送。這種電子流動可產生大約20mV，1×10-18A的微小電流。

參考文獻：

[1]大連理工大學無機化學教研室[M].無機化學(第四版).高等教育出版社，2001.6

[2]吉林大學，武漢大學，南開大學[M].無機化學上冊，高教育出版社，2004，6

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