舊電池重組實驗探究促進學科知識理解

關鍵詞：鋅錳干電池；氧化還原；重生實驗；化學能源；跨學科實踐

文章編號： 1005-6629（2025）07-0051-04 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1實驗目的及教學價值

氧化還原是高中化學教學內容的重要組成部分，氧化還原反應和化學能源等學科知識，在必修課程五大主題的四項“化學科學與實驗探究”“常見的無機物及其應用”“物質結構基礎與化學反應規律”“化學與社會發展”中均有呈現：具體包括“氧化還原反應本質的探究”“探究干電池的組成”等學習內容、“化學能轉化成電能\"等必做實驗[1]，凸顯出其關鍵的學科地位。化學除了為社會發展進步和人們生活水平提高提供了諸多新材料，還包括了普遍的能源供應。化學能轉化為其他形式的能量為人類所用，是從理論到實踐的具體呈現，也是化學學科價值的體現。

化學電源是將化學能轉化為電能的裝置，包括一次電池、二次電池和燃料電池。滬科版新教材必修部分對此介紹比較簡略，在選擇性必修1“化學反應原理”部分介紹了原電池和化學電源2，其中，化學能轉化成電能是以傳統的銅鋅原電池呈現，而實際生活中使用的一次性電池的代表是鋅錳電池。這樣的安排雖符合學生的認知規律，但在教學過程中發現，從實驗室的銅鋅原電池到商業化產品鋅錳干電池，化學電源的存在形式和功能有較大的差異，存在一定的跳躍性，因此學生對于如何應用氧化還原的化學原理，指導實現從實驗室制備到工業生產的過程，還存在著一定的理解困境。

實踐是化學的本質特征，是否能設計一項實驗來幫助學生順利實現這一過渡，促進學生理論指導實踐的完成？文獻調研后發現，關于廢舊鋅錳干電池的回收利用多從環境保護角度出發，對電池拆解后按照成分進行分類回收[3-5]，在中學化學教學領域，僅有少數幾篇文獻從原電池角度出發介紹其中的氧化還原反應原理，尚未有專門的電池制備實驗見諸報道。因此，筆者在教材原有基礎上，設計了利用回收廢舊鋅錳干電池為基本原料，重組一次電池的實驗項目，并在校本課程教學中進行實踐，取得了較好的教學效果，有助于學生鞏固課本知識，促進學科知識理解，彌補了從實驗室制備到工業生產流程的教學環節的缺失。

一方面，我國既是全球最大的鋅錳電池生產國，也是全球最大的鋅錳電池出口國，每年生產和消費的鋅錳干電池已超百億只。作為日常生活中最常見的一次性電池，在家用電器、醫療器械、電動玩具等場景被廣泛應用，在目前乃至今后較長時期內其仍將是全球一次性電池的主導產品。另一方面，我國作為工業體系完備的制造業大國，目前正在向發展新質生產力的制造業強國轉型，綠色可再生能源是其中的突破口之一。隨著技術的進步和生產工藝的發展，含汞鋅錳電池已基本為無汞電池取代，目前在上海的垃圾分類中，干電池已不再歸類為有害垃圾，這為本實驗提供了一定的現實基礎。

本實驗通過拆解5號廢舊鋅錳干電池，使學生在動手過程中了解電池的內部構造及工作原理，對拆解所得的鋅筒、碳棒和固體電解質混合物（主要成分為二氧化錳和碳粉）進行酸浸、溶解、沉淀、轉化等系列實驗操作處理后加以回收，再按照電池結構將回收物質重組為一枚完整的一次性鋅錳電池。

2 實驗部分

2.1 實驗原理

酸性鋅錳電池在19世紀60年代由法國科學家勒克蘭謝發明，以鋅筒作為負極，并經汞齊化處理，使表面性質更為均勻，以減少鋅的腐蝕，提高電池的儲藏性能。電池正極材料是由二氧化錳粉、氯化銨及碳黑組成的一個混合糊狀物，中間插入一根碳棒作為引出電流的導體。在正極和負極之間有一層增強的隔離紙，浸透了含有氯化銨和氯化鋅的電解質溶液，金屬鋅的上部被密封。鋅錳干電池的結構如圖1所示。

圖1鋅錳干電池結構示意圖

電池工作原理可用下述化學方程式表示：Zn+2NH₄Cl+2MnO₂?Zn（NH₃）₂Cl₂+2MnOOH

鋅錳干電池的負極是同時作為電池外殼的鋅筒，正極是被二氧化錳（為增強導電能力，填充有碳粉）包裹的石墨棒，電解質是氯化銨和氯化鋅的淀粉糊。在使用過程中，鋅皮消耗最多并生成氯化鋅，二氧化錳只起氧化作用，氯化銨作為電解質沒有消耗，因而回收處理廢鋅錳干電池可以獲得多種物質，如銅、鋅、二氧化錳、氯化銨、氯化鋅和石墨棒等。

處理回收廢舊電池有用材料的關鍵在于電解質中各物質的分離。利用在水中溶解度不同，初步分離碳、二氧化錳、氯化銨及氯化鋅；初步分離的固體，利用可燃性不同，可分離得到二氧化錳；初步分離的液體，利用碳酸鹽的溶解度不同，又可分離得到堿式碳酸鋅。經上述分離純化處理后，回收得到的鋅皮、碳棒、二氧化錳及氯化銨等物質，成為重組電池的電極材料與固體電解質，再補充一些電池消耗后無法再生的化學物質以完成實驗。

2.2 實驗材料與設備

主要試劑材料：碳酸銨（分析純）、鹽酸（分析純）、某品牌廢舊5號干電池、pH試紙、濾紙、針筒、2B鉛筆芯。

主要儀器設備：精密天平（精度 0.01g ，舜宇恒平JY5002）、循環水多用真空泵（泰坦VWP-2）、數字萬用表（世達D05961）、布氏漏斗 + 抽濾瓶、燒杯、剪刀。

2.3實驗步驟與現象記錄

2.3.1 拆解廢舊電池

首先，在電池拆解前，對要回收的廢舊電池，先使用萬用表測量其電動勢，得 E=1.05V 。學生認識到所謂的廢舊電池，并不是像實驗室中的銅鋅原電池經過一段時間后電動勢降為0V，而只是無法達到驅動電器的電壓，明了對廢舊電池內化學物質回收的意義。用鉗子和剪刀將舊電池剪開后予以拆解，所得物質初步可分為： ① 電池外包裝紙、 ② 金屬外殼（鋅筒）、 ③ 銅帽、④ 碳棒、 ⑤ 黑色粉末。其中 ①③④ 可直接回收使用；② 經酸洗后可資利用； ⑤ 為混合物，需要進一步純化分離處理。拆解過程應盡量保持金屬外殼的原貌，使重組電池外觀與原有5號電池保持一致。

2.3.2 洗滌鋅筒

另取一只 50mL 燒杯，放人拆解下來的鋅筒，滴加5～10 滴 2.0mol/L 鹽酸，再加入去離子水以使鋅筒完全浸沒在酸液中，浸泡一段時間后即可除去鋅筒表面的氧化層。取出鋅筒，用蒸餾水沖洗、干燥，得到潔凈的鋅筒。酸浸后的溶液主要成分為氯化鋅、剩余過量的鹽酸和附著在金屬外殼上的不溶性顆粒雜質。

2.3.3 回收二氧化錳

經電子天平稱量，黑色粉末質量 m=7.33g ，可知其為二氧化錳、氯化銨、氯化鋅和少量碳粉的混合物。經查閱可溶物質的溶解度，按一只5號干電池加 30mL 水的比例，在 50mL 燒杯中加入去離子水，在持續充分攪拌下將氯化銨和氯化鋅完全溶解。將布氏漏斗連接抽濾瓶，開通真空泵進行減壓抽濾，分離得到二氧化錳和少量碳粉的固體沉淀，無色濾液為氯化銨和氯化鋅的混合液。將固體轉人坩蝸，大火焙燒 8min ，高溫下促使少量碳粉轉變生成二氧化碳氣體去除。再將剩余的二氧化錳粗產物用鹽酸進行浸洗，除去可能含有的鐵、鋅等金屬雜質，洗滌后再次灼燒 8min ，得到純凈的二氧化錳，質量 m=5.79g 。

2.3.4氯化鋅和氯化銨的回收

將第二步鋅筒的酸浸溶液與第三步二氧化錳回收后的減壓抽濾濾液混合于 250mL 燒杯中，過濾除去其中的不溶性雜質，再向所得濾液中加入過量的碳酸銨。此時，濾液中的氯化鋅轉化為堿式碳酸鋅沉淀。加入碳酸銨時需注意，單次加入量視酸浸溶液中所加過量鹽酸的剩余量而定，目的在于保證堿式碳酸鋅固體沉淀完全。再次減壓抽濾，分離后濾液主要成分為氯化銨，得重組電池的電解液。將堿式碳酸鋅沉淀烘干后稱量，質量 m=1，92g 。

2.4 重組電池的制備

2.4.1重組電池外殼的制備

為固定重組電池，可準備一支 10mL 針筒，去掉針頭與接口，修剪到略長于5號干電池的長度，作為重組電池的外殼。

2.4.2電解液的準備與電池的組裝

在2.3.4步驟所得氯化銨溶液中逐滴加人2.0mol?Ω 鹽酸，調至 pH=3 ，小火蒸發濃縮，制取約25mL 氯化銨濃縮液。

取若干2B鉛筆芯，用研缽研磨成粉末，稱量碳粉質量 m=1.55g 。再稱量 4.48g 回收的二氧化錳，將兩者置入 25mL 小燒杯中，用玻璃棒充分攪拌，混合均勻。

取一張濾紙裁剪為矩形，將上述二氧化錳與碳粉混合物在濾紙上鋪展成厚度均勻的一條約 5cm 長的帶狀，并在其上滴加氯化銨溶液，潤濕固體粉末，便于其固定。將回收的碳棒置于其上，然后小心將此濾紙卷起，再把此柱狀物放入針筒中，確保其與針筒內壁貼合。

將用針筒固定的棒狀物浸泡在氯化銨溶液中一段時間，確保濾紙包裹的固體粉末吸收電解液至飽和。隨后取出，將成型的棒狀物重新裝入金屬外殼（鋅筒），一枚重組的鋅錳干電池制作完成。再次測量其電動勢， E=1.41V 。

2.4.3樣品表征與結果討論

重組電池電壓為何未能達到市售5號電池標稱的1.5V？分析原因，電池正、負極均為廢舊電池上拆解下來的較為穩定的材料，因此主要應與電解液有關，而氯化銨經水溶液反應，化學性質變化不大，這樣，經排除后可能問題主要在于二氧化錳的純度。將回收剩余的二氧化錳樣品進行X射線粉末衍射表征，經與數據庫譜圖比對后發現，回收的二氧化錳有部分生成了錳酸鋅（ ZnMn₂O₄ ），從而揭示了重組電池電壓略低于市售干電池電壓的主要原因。

鋅錳干電池在實際放電過程中，存在鋅離子在MnO₂ 中的脫嵌，反應的方程式可表示為：

正極 ：Zn²⁺+2e^-+2MnO₂?ZnMn₂O₄ 負極： ：Zn-2e^-?Zn²⁺ 總反應： ?Z_n+2MnO₂?ZnMn₂O₄

檢測結果表明，2.3.3步驟中回收的二氧化錳未能達到純度要求，經用純凈的二氧化錳代替回收原材料進行重組實驗后，電池電動勢達到了 E=1.5V 。

回收二氧化錳過程中生成的錳酸鋅并非只能作為雜質去除，事實上它也是一種重要的無機功能半導體材料，在生物醫學、傳感器、催化劑、電池材料等領域有著重要的研究價值和應用前景。自2020年以來，水系鋅離子電池成為研究熱點，錳酸鋅也已成為水系鋅離子電池的一種重要錳基電極材料。

3結語

本實驗設計了拆解5號廢舊鋅錳干電池、處理回收有用原材料、最終重組電池的完整過程。學生在拆解電池的環節中親自了解電池的內部構造，對拆解所得的鋅筒、碳棒和固體電解質混合物進行酸浸、溶解、沉淀、轉化等操作，鍛煉了實驗技能和定量思維，在重組電池過程中完成了對生產工藝的切身體驗，有效地解決了從實驗室到生產實踐模擬過渡中的實際問題，深刻理解了化學原理指導實踐的作用，有效促進了對學科知識的理解和運用。實驗過程中接觸到碳、鋅、二氧化錳、氯化銨等教材中出現的常見的無機物，對其學習這些化合物的性質有直接的幫助。對重組電池電壓未能達標的分析，訓練了學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，查找原因后發現的新物質也有助于了解學科前沿知識，拓展了視野。實驗過程中對廢棄物的處理，以及在課后開展的對廢舊電池回收后各種物質的循環利用，培養了學生的環境保護意識和可持續發展理念。因此，本實驗通過促進學科知識理解的教學目標的達成，有助于加強學生證據推理與模型認知、科學探究與創新意識、科學態度與社會責任的核心素養。

參考文獻：

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