多種多樣的電池

文章編號(hào)：1005－6629(2006)12－0053－04中圖分類號(hào)：TM911文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：E

以原電池為基本模型的能持續(xù)產(chǎn)生直流電的裝置，統(tǒng)稱為化學(xué)電池，通常稱為電池。電池作為化學(xué)電源極廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究、生產(chǎn)與生活各領(lǐng)域，在實(shí)際應(yīng)用中既有小如鈕扣的電池，也有能產(chǎn)生兆瓦級的燃料電池發(fā)電站，真可謂是多種多樣。

1酸性鋅錳電池

最早進(jìn)入市場的實(shí)用電池是鋅錳干電池。早在1860年法國人勒克郎榭(GeorgeLeclanche)就發(fā)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(fù)極的鋅筒，電池中心是作為正極導(dǎo)電材料的石墨棒，正極區(qū)為圍繞石墨棒的粉狀二氧化錳和炭粉，負(fù)極區(qū)為糊狀的ZnCl₂和NH₄Cl混合物。該電池在正極會(huì)發(fā)生氫離子還原放出氫氣的電極反應(yīng)，生成的氫氣使正極導(dǎo)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(dǎo)電性。電池內(nèi)主要反應(yīng)為：

酸性鋅錳電池歷史悠久，制作簡單，價(jià)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(diǎn)：未使用過的新電池存放時(shí)間短(會(huì)發(fā)生自放電而降低電壓乃至完全報(bào)廢)；放電后電壓不穩(wěn)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(jìn)入市場的。近年來，在我國市場上，酸性鋅錳電池正在被價(jià)格較貴的堿性鋅錳電池取代。堿性電池的結(jié)構(gòu)與酸性電池完全相反，電池中心是負(fù)極，鋅呈粉狀，正極區(qū)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(shí)間短和電壓不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，但仍為一次性電池。堿性鋅錳電池的電解質(zhì)是KOH，電池內(nèi)主要反應(yīng)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(dòng)照相機(jī)、助聽器、心臟起搏器、數(shù)字計(jì)算器和石英電子表等。在醫(yī)學(xué)和電子工業(yè)中，它比Leclanche電池使用得更加廣泛。其結(jié)構(gòu)如圖，其負(fù)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(zhì)分別是鋅和氧化汞。電解質(zhì)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(dá)到飽和。電池內(nèi)主要反應(yīng)為：

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

4海水電池

1991年，我國首創(chuàng)了以鋁-空氣-海水為能源的新型電池，用作航海標(biāo)志燈。該電池以取之不盡的海水為電解質(zhì)，靠空氣中的氧氣使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流。電池內(nèi)主要反應(yīng)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(gè)由正極殼和負(fù)極蓋組成的小圓盒，形似鈕扣，盒內(nèi)正極殼一端填充由Ag₂O和石墨組成的正極活性材料，負(fù)極蓋一端填充鋅汞合金組成的負(fù)極活性材料，電解質(zhì)溶液為KOH，電池內(nèi)主要反應(yīng)為：

電池電動(dòng)勢1.59V，使用壽命較長。

6熔融鹽燃料電池

它具有高的發(fā)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(zhì)，CO為負(fù)極燃?xì)猓諝馀cCO₂的混合氣體為正極助燃?xì)猓频迷?50℃下工作的燃料電池。電池內(nèi)主要的反應(yīng)為：

7鋰電池

它是用金屬鋰作負(fù)極活性物質(zhì)的電池的總稱。

目前生產(chǎn)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(fù)極反應(yīng)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(zhì)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(yīng)式為：8Li+3SOCl₂=6LiCl+Li₂SO₃+2S

這種電池的容量大，電壓穩(wěn)定，在-56.7～71.1℃溫度范圍內(nèi)正常工作。

8鋰離子電池

它是Li+嵌入化合物為正負(fù)極的可充電電池。正極采用鋰化合物L(fēng)ixCoO₂、LixNiO₂或LiMnO₄。負(fù)極采用鋰－碳層間化合物L(fēng)ixC6，電解質(zhì)為溶有鋰鹽LiPF₆、LiAs₆等的有機(jī)溶液。在充放電過程中，Li⁺在兩個(gè)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(huán)壽命長，可達(dá)500～1000次，使用溫度范圍較寬，可在-20～55℃之間。該電池設(shè)有安全裝置，不僅使用安全，而且不會(huì)對環(huán)境造成污染，被稱為綠色電池，鋰離子電池被認(rèn)為是21世紀(jì)發(fā)展的理想能源。

9鎳鎘電池

出現(xiàn)于上世紀(jì)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(nèi)主要反應(yīng)為：

該電池能維持非常恒定的電壓，可達(dá)1.4V。同時(shí)循環(huán)使用可達(dá)2000～4000次。廣泛用于手提計(jì)算機(jī)，便攜式電動(dòng)工具，電動(dòng)剃須刀和牙刷等。鎘是致癌物質(zhì)，廢棄的鎘電池不回收會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，嚴(yán)重制約了它的發(fā)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(jià)格比鎳鎘電池貴得多的可充電電池，正極活性物質(zhì)為氫氧化鎳(稱氧化鎳電極)，負(fù)極活性物質(zhì)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(nèi)主要的反應(yīng)為：

它的出現(xiàn)，應(yīng)首先歸功于儲(chǔ)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(fù)極無法想象使用氣態(tài)的氫。

11鈉硫電池

它是一種高能電池，以熔融的鈉、硫?yàn)閮蓸O，以Na⁺導(dǎo)電的β－Al₂O₃陶瓷作固體電解質(zhì)，電池內(nèi)主要反應(yīng)為：

12鉛蓄電池

目前汽車等動(dòng)力車的蓄電池基本上是鉛蓄電池，它的歷史悠久，性能優(yōu)良，價(jià)格便宜，為所有其它電池所不能兼顧。鉛蓄電池的結(jié)構(gòu)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(fù)極和正極，電解質(zhì)為硫酸水溶液。電池內(nèi)主要反應(yīng)為：

當(dāng)放電時(shí)，硫酸的濃度降低，當(dāng)溶液的密度達(dá)1.18g#8226;cm^-3時(shí)，應(yīng)停止使用，需充電，充電時(shí)起電解池的作用，當(dāng)溶液的密度增加至1.28g#8226;cm^-3時(shí)應(yīng)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(qiáng)堿作電解質(zhì)溶液的新型手機(jī)電池，電容量可達(dá)現(xiàn)用鎳氫電池或鋰電池的10倍。電池內(nèi)主要反應(yīng)為：

14燃料電池

早在19世紀(jì)初，電化學(xué)的開山鼻祖英國人戴維就已經(jīng)提出了燃料電池的基本設(shè)想。1839年發(fā)明電化學(xué)電池的英國人格拉夫(williamRobertGrove1811～1896)證實(shí)了戴維的想法，發(fā)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(zhuǎn)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(zhì)除大家熟悉的水溶液和熔融鹽外，還有可以傳遞質(zhì)子的膜或者固體電解質(zhì)。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(zhì)的。氫氣和氧氣以液態(tài)的方式貯存于跟電池隔離的高壓容器里。反應(yīng)產(chǎn)物——水被用作宇航員的飲水。每個(gè)單元電池的實(shí)測工作電動(dòng)勢為0.8～1.0V。把30～40個(gè)單元電池組合在一起，形成約30V的電源。化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的效率可以達(dá)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(xué)家們對“納米技術(shù)”產(chǎn)生了極大興趣。這種技術(shù)使人們能夠在原子與分子水平上對化學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)加以控制，以便于更好地了解各種過程的機(jī)理，并開辟了有控制地每次加入一個(gè)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(xué)家們在CaliforniaIrvine(加利福尼亞歐文)大學(xué)用掃描隧道顯微鏡將彼此緊挨著的很小的金屬點(diǎn)沉積在一個(gè)表面上。他們制備出有四個(gè)電極Volta電池，其中兩個(gè)銅電極，兩個(gè)銀電極。這四個(gè)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(xì)胞的百分之一大小。當(dāng)電池浸在稀的硫酸銅溶液中，作為負(fù)極的銅垛就開始溶解，發(fā)生氧化反應(yīng)，電池內(nèi)主要反應(yīng)為：

總的電池反應(yīng)過程是銅原子通過溶液中的Cu²⁺從陽極向陰極轉(zhuǎn)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(dòng)可產(chǎn)生大約20mV，1×10-18A的微小電流。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]吉林大學(xué)，武漢大學(xué)，南開大學(xué)[M].無機(jī)化學(xué)上冊，高教育出版社，2004，6

注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文