一則高中化學課外閱讀材料——鋅空氣電池

李文雅　王明召

摘要 為配合新課標高中化學原電池內容的教學，編寫這篇學生閱讀材料，介紹一種綠色電池——鋅空氣電池的結構特征、工作原理，以及加入添加劑十二烷基苯磺酸鈉提高電池容量的機理，以拓展學生的視野。

關鍵詞 高中化學；鋅空氣電池；十二烷基苯磺酸鈉；原理

中圖分類號：TM911.3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-489X（2009）09-0032-02

A Reading Material for High School Chemistry: Zinc Air Battery//Li Wenya, Wang Mingzhao

Abstract One reading material about one kind of green battery, zinc air battery, was constructed in order to facilitate the teaching of galvanic battery in the high school chemistry.

Key words high school chemistry；zinc air battery；lauryl benzene sulfonic acid sodium；principle

Authors address College of Chemistry，Beijing Normal University，Beijing 100875

隨著各種便攜式電子產品的大量普及，發展高比能量、清潔、安全的化學電源成為社會發展的重要需求［1］。鋅空氣電池（又稱鋅空電池）是以鋅為陽極活性物質，以KOH溶液為電解質，空氣中的氧氣為陰極活性物質的電池。這種電池具有放電性能穩定、安全、零污染等特點，同時摒棄傳統電池中鉛、汞、鎘、鎳等化學元素，既降低成本，又解決傳統電池所存在的污染問題，優點眾多。近年由于移動通訊的快速發展和可持續發展的環保要求，鋅空氣電池在實用化研究方面取得巨大進展，逐漸呈現出取代傳統電池的勢態［2］。

1 鋅空氣電池的結構特 征和工作原理

鋅空氣電池的結構如圖1所示，包括空氣電極（陰極）、鋅電極（陽極）和電解液。陰極材料通常是活性碳，陽極材料為鋅。在堿性介質中，陰極活性物質氧氣沿電極表面擴散到電極內部，在催化劑的作用下發生還原反應生成OH-，與此同時，鋅陽極發生氧化反應生成Zn2+，結果在外電路產生電流。生成的Zn2+與OH-反應生成Zn(OH)2，Zn(OH)2失水變成ZnO［3］。有關反應為：

陰極反應：O2+2H₂O+4e-→ 4OH^-E＝0.401 V

陽極反應：2Zn→2Zn2++4e^-

2Zn2++4OH-→2Zn(OH)₂→2ZnO+2H₂OE＝-1.245 V

電池反應：2Zn+O₂→2ZnOE＝1.646 V

一般電池的能量儲藏在兩個電極內，而鋅空氣電池則不同，只有陽極鋅儲存能量，陰極空氣電極并不消耗，只是轉變能量的工具［5］。鋅空氣電池的高比容量是通過增加鋅陽極的量實現的。陽極決定電池的輸出容量，陰極決定電池的輸出功率。因此，鋅空氣電池可以說既是貯能工具又是燃料電池。另外，由于空氣隨時可取，不占用電池空間，在相同體積、相同重量下，鋅空氣電池可以貯存更多的反應原料，因此具有比能量更高，成本更低，無污染等強大優勢［6］。

2 十二烷基苯磺酸鈉添加劑的緩蝕作用

雖然鋅空氣電池具有其他電池無法比擬的優勢，但由于是開放體系，在使用過程中存在許多問題。例如，堿性鋅空氣電池存在以下問題：1）溶解在電解液中的氧氣會加速鋅的腐蝕；2）大氣中CO2通過透氣膜與電解液中的KOH作用，生成碳酸鉀或碳酸氫鉀；3）空氣濕度嚴重影響電池壽命。空氣濕度低于60%時電池失去水分，電解液濃度增大，造成電解液不足，電池失效；而濕度大于60%時，電解液變稀，導電率降低［7］。目前人們通過各種方法改進鋅空氣電池，包括使用添加劑，這主要用到鋅陽極添加劑、空氣電極催化劑和電解液添加劑。以下用一種電解液添加劑——十二烷基苯磺酸鈉為例，介紹該添加劑使鋅電極放電容量提高的原理。

2.1 一種電解液添加劑——十二烷基苯磺酸鈉鋅電極存在的問題主要是自腐蝕和鈍化，在電解液中加入添加劑是為了抑制鋅電極腐蝕，起到緩蝕的作用，并防止鈍化。目前研究較多的添加劑有十二烷基苯磺酸鈉、吐溫-20、溴化十六烷三甲基、四丁基溴化銨、季銨鹽性有機表面活性劑。對于一次性鋅空氣電池，添加劑十二烷基苯磺酸鈉比其他緩蝕劑的抑制腐蝕效果好，緩蝕效率高［8］。

十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）化學式C12H25C6H4SO3Na，常為黃色油體，純化后可以形成六角形或斜方形薄片狀結晶。分子由親油性烷基、離子性親水磺酸基、連接基團親油性苯環三部分組成。如圖2所示。

十二烷基苯磺酸鈉溶于水后呈中性，對水的硬度較敏感，不易發生酸、堿水解反應，不易氧化。其合成工藝成熟，成本低，表面活性主要表現為起泡能力和去污能力強，應用領域廣泛［9］。

2.2 十二烷基苯磺酸鈉對鋅電極反應的影響十二烷基苯磺酸鈉加入電解液，可以同時抑制鋅電極的腐蝕過程和鈍化過程，從而提高電池的放電容量。

1）對析氫反應的影響。鋅在熱力學上處于不穩定狀態，在堿性溶液中發生電化學腐蝕。

陽極反應：Zn+2OH-→ZnO+H₂O+2e^-

陰極反應：2H₂O+2e-→2OH-+H₂↑

電池反應：Zn+H₂O →H₂↑+ZnO

加入添加劑十二烷基苯磺酸鈉后，該分子比水分子優先吸附到鋅電極表面陰極反應的活性位置，烷基吸附在鋅電極表面，伸向電解液的親水基發生水化作用，形成水化殼層。這種水化殼層的物理屏障作用阻擋水分子與鋅電極表面接觸，從而抑制析氫反應［9］。

2）對鋅電極鈍化的影響。在堿液中，鋅電極發生陽極反應：Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-

產物四羥基合鋅酸根離子不能很快在電解液中擴散，積累在電極表面，積累到一定程度時在電極表面轉化為多孔松散的Ⅰ型ZnO膜沉積下來，反應為：Zn(OH)42-→ZnO+2OH-+H2O

這個過程生成OH-，同時外部的OH-向電極遷移，推動電極反應進行。隨著反應繼續進行，ZnO膜逐漸變密，OH-在ZnO膜中的傳遞速率逐漸降低。當OH-的傳遞速率降到不能滿足四羥基合鋅酸根的形成時，Ⅱ型致密ZnO膜直接在電極表面沉積出來，發生的反應是：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-

當電極表面完全被Ⅱ型ZnO膜所覆蓋時，鋅電極完全鈍化。加入十二烷基苯磺酸鈉后，由于其在電極表面的吸附，使陽極溶解過程中所生成的ZnO以多孔松散的Ⅰ型ZnO為主，因此對鈍化起到抑制作用［10］。

參考文獻

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