水果電池的利用率探究綜述

當今社會電池應用的領域越來越廣泛，但廢電池的污染問題也接踵而至，于是五彩斑斕的水果電池的出現如星光燦爛夜空，閃爍著誘人的光芒。水果電池的應用空間是非常廣闊的，但由于現在對水果電池研究的不深入，導致水果電池的利用率并不高。經過試驗，我們發現可以通過控制水果電池的用量來實現效率最高化。在未來資源短缺的情況下，水果電池不僅可以為我們提供電能，而且也可以克服普通化學電池對環境的污染，應用前景光明。

一、知識準備

1.原電池。

原電池是將化學能轉變成電能的裝置。它利用兩個電極的電極電勢的不同，產生電勢差，從而使電子流動，產生電流。原電池又稱非蓄電池，是電化學電池的一種。其電化學反應不能逆轉，即只能將化學能轉換為電能。簡單說就是不能重新儲存電力，與蓄電池相對。

原電池的構成條件有三個：（1）兩種電極材料活性不同；（2）兩電極必須浸泡在電解質溶液中；（3）兩電極之間有導線連接，形成閉合回路。只要具備以上三個條件就可制成原電池。而化學電源因為要求可以提供持續而穩定的電流，所以除了必須具備原電池的三個構成條件之外，還要求有自發進行的氧化還原反應。也就是說，化學電源必須是原電池，但原電池不一定都能是化學電池。

2.金屬活潑性順序。

鉀，鈣，鈉，鎂，鋁，鋅，鐵，錫，鉛，（氫）銅，汞，銀，鉑，金。鉀最活潑，金最穩定。電極選擇氫之前和之后各一種金屬。（鎂沒用過，易爆炸，鈉爆炸劇烈。）

3.原電池應用的必備條件。

（1）直接轉換成電能輸出的裝置；（2）金屬的腐蝕與防護；（3）判斷金屬的活潑性；（4）加快反應速率。

4.原電池的種類。

一般按負極活性物質（如鋅、鎘、鎂、鋰等）和正極活性物質（如錳、汞、二氧化硫、氟化碳等）分為鋅錳電池、鋅空氣電池、鋅銀電池、鋅汞電池、鎂錳電池、鋰氟化碳電池、鋰二氧化硫電池等。鋅錳電池產量最大，常按電解質分為氯化銨型和氯化鋅型，并按其隔離層分為糊式電池和低極電池。以氫氧化鉀為電解質的鋅錳電池，由于其負極（鋅）的構造與其他鋅錳電池不同而習慣上另作一類，稱為堿性鋅錳電池，簡稱堿錳電池，俗稱堿性電池。

5.水果電池的研究背景。

以色列研究人員宣布已研制出一種利用煮熟的土豆發電的有機電池，具有構造簡單、可持續利用等特點。Yissum研究開發公司宣布，將推出一款基于土豆涂層的固體有機電池。這款簡易的、可持續的和強大的設備能夠為全球很多電力供應不足的國家帶來即時的、價格低廉的電力解決方案。這塊顯示出高效能的電池由鋅、銅電極和煮熟后的土豆片制成。土豆煮熟后的發電能力比煮熟前提高10倍左右，從而將供電時間延長至數日甚至數周。另外，毋需置疑的是，土豆電池的成本也大大低于普通商用電池。這款新型電池來源于耶路撒冷希伯來大學的相關技術開發，研究人員發現提高土豆塊涂層的鹽橋能力后能夠通過多種方法產生電力。這種價格低廉、簡易使用的綠色能源將提高近16億欠缺基礎電力設施的人民的生活。這種電能可支持照明、通信和信息傳輸的使用。根據成本分析數據，這種新型的電池比現有的商業電池便宜很多，比如說，它比1.5 Volt D電池便宜5倍，比Energizer E91電池便宜50倍。這種原理的照明能源也比發展中國家常用的煤油燈節約至少6倍的金錢。

6.水果電池的發電原理。

兩種金屬片的電化學活性不一樣，其中更活潑的那邊的金屬片能置換出水果中的酸性物質的氫離子，由于產生了正電荷，整個系統需要保持穩定，所以在組成原電池的情況下，由電子從回路中保持系統的穩定，這樣從理論上來說，電流大小是直接和果酸濃度相關的。

二、對水果電池利用率的探究

1.實驗分析。

綜合以上知識，得出：探究水果電池的利用率實質上是探究水果電池產生的電功率，即產生的電壓電流大小。

2.實驗器材。

新鮮蘋果、橙子和檸檬、橙汁、鐵片、銅片、鋅片、200mL燒杯若干、靈敏電流計、電壓表、計算器、小燈泡、導線若干。

3.實驗步驟。

（1）探究電極材料與電流及電壓大小的關系。①將鐵片、銅片插入橙子（相距大約2cm），用導線將銅片、鐵片分別與電流表或電壓表的正負極接線柱相連；②記錄電表讀數；③將鐵電極換成鋅片，重新測量，記錄讀數。

（2）探究電解質與電流及電壓大小的關系。①將鋅片、銅片插入蘋果（相距大約2cm），用導線將銅片、鐵片分別與電流表或電壓表的正負極接線柱相連；②記錄電表讀數；③將蘋果換成檸檬，重新測量，記錄讀數；④將橙汁倒入燒杯中，將檸檬換成橙汁，重新測量，記錄讀數。

（3）探究串并聯與利用率大小的關系。①將鋅片、銅片按順序分別插入3杯橙汁（相距大約2cm，用細線固定，防止接觸），用導線將銅片、鐵片串聯，再分別與電流表的正負極接線柱相連；②記錄電表讀數，再將兩電極和電壓表正負極相連，記錄讀數；③將鋅片、銅片按順序分別插入3杯橙汁（相距大約2cm，用細線固定，防止接觸），用導線將銅片、鐵片并聯，再分別與電流表的正負極接線柱相連，重新測量，記錄讀數；④再將兩電極和電壓表正負極相連，記錄讀數。

（4）探究水果電池的利用前景：用水果電池點亮計算器。①檢查實驗用的計算器的額定電壓為3V；②根據鋅、銅電極做成的橙汁電池能產生0.8V電壓，計算出計算器至少需要4杯橙汁串聯的電池4×0.8V=3.2V才能啟動工作；③將4杯橙汁串聯成電池組，用電壓表測定電池組的實際電壓；④將電池組的電源接到計算器上；⑤如果上述電池組不能使計算器工作，再做適當的調整（如：檢查電路是否連接完整，接觸是否良好，電壓是否足夠，串并聯是否正確等）。

三、探究結果及分析

1.對于電極材料與電流及電壓大小關系的分析。

水果電池是一個原電池，其兩電極存在金屬活動性上的差異，理論上活動性差異越大的電極作正負極產生的電流越大。實驗表明，在常用的電極中，銅鋅原電池效果較好。

2.對于電解質與電流及電壓大小關系的分析。

水果中含有的酸性物質起到了電解質的作用。往不同水果中插入電極產生的電流大小不同。實驗表明，在常見的幾類水果中，橙子的效果較好，蘋果的效果相對較差。于是我們將橙子榨成了橙汁，重復實驗發現，橙汁比橙子產生的效果更好。

下表為其他水果的有關數據。

3.對于串并聯與利用率大小關系的分析。

電池的連接可以分為串聯和并聯兩種方式。單個水果電池產生的電壓一般較小，供電效果較差，通過多個水果電池串聯可以增大總電路中的電壓，從而增強其供電效果。

4.水果電池的利用前景：用水果電池點亮計算器實驗的分析。

根據上述的實驗設計，我們開始將4杯橙汁組成的電池組，用電壓表測定它的電壓時，發現實際電壓只有3.2V，于是我們逐漸增加橙汁電池的個數，當6杯橙汁串聯時，實際電壓已達到4.7V。按照理論講此時計算器應該可以工作了。我們把計算器與電池組接通后在顯示屏上開始出現啟動畫面，但不能進入工作狀態，只能在斷開連接的一瞬間顯示出工作畫面。于是我們又開始仔細檢查實驗中出現的漏洞，加強了接觸，最終計算器能夠正常工作。輸入“2014+12+18”可以計算出數值為2044，實驗成功。但持續時間較短，產生的電流強度的數值不穩定，無法提供像化學電池一樣持續不斷的電能。

根據公式I=U/R，電阻很大導致電流很小，這是第一次實驗未能取得成功的關鍵因素。又根據串聯電路中電壓分配與內阻的關系，當內阻很大時，實際上分配到外部的電壓較小，遠小于電壓表所測值。根據并聯電路電阻特點，并聯越多，相當于橫截面越大，電阻會越小。又根據電壓分配特點，電源如果并聯，內阻就成倍減小，外部的電壓會變大，電流也會變大，電器可能會更快工作。但這與前述實驗結論不符。我們詢問了物理老師，老師認為這是由于實驗誤差導致的。我們決定在以后的學習中再做更深層次的研究。

三、結論

水果電池能否做成功，與其選用的電極材料關系很大，在同一個水果中，使用不同材料的電極，其產生的電壓也會有很大的區別；所選用的正極材料與負極材料，其極性相差越大，所產生的電壓就越高。所選用的負極材料，其化學活潑性越強越好，正極材料的化學活潑性越穩定越好。實驗表明，這一規律是符合金屬活潑性順序原理的；同一種水果進行串聯時，其產生的電壓基本上是成倍增加的，同一種水果或禽蛋進行并聯時，電流不會因此而成倍提高；同一個水果或禽蛋所產生的電壓或電流不會因為整個水果或半個水果而改變，同一種水果所產生的電壓或電流也不會因為個大或個小而改變；水果電池產生的電流強度的數值不穩定，一直往下降。我們實驗中所測定的電流強度的數據是測電表中第一次出現的最大的電流強度。

就目前我們所具備的設備條件和知識儲備而言，水果電池的應用空間還有待進一步開發，但根據電極材料的探究，我們認為，如果有更好的電極，正確的連接方式，水果電池一定會有良好的表現。

隨著科技水平的提高，人們對環境的保護意識也進一步提高，傳統工業中存在的缺點也日益暴露出來，水果電池等新興的環保產品逐漸受到人們的關注。雖然關于水果電池利用率的問題，目前無法得出明確的結論，但是我們應該通過此類實驗，主動發現問題，尋找解決方法，努力為科技的進步做出自己的貢獻。