化學電池

化學電池是指能將化學能轉變為電能的裝置。主要部分包括電解質溶液和浸入溶液的正負兩個電極。使用時，將導線聯接兩個電極，即有電流通過(放電），因而獲得電能。放電到一定的程度後，電能減弱，有的可經充電復原而再使用，稱做蓄電池，如鉛蓄電池、鐵鎳蓄電池等，有的不可充電復原，稱做原電池，如乾電池、丹聶耳電池、燃料電池等。

基本介紹

• 中文名：化學電池
• 主要部分：電解質溶液、正、負電極等
• 分為：原電池和蓄電池
• 鋅錳電池：法國科學家1868年發明
• 鹼性鋅錳電池：鋅錳電池的改進型

種類

原電池是利用兩個電極之間金屬性的不同,產生電勢差,從而使電子的流動,產生電流.又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應不能逆轉，即是只能將化學能轉換為電能，簡單說就即是不能重新儲存電力，與蓄電池相對。

化學電池按工作性質可分為：一次電池（原電池）；二次電池（可充電電池）；鉛酸蓄電池；燃料電池。其中：一次電池可分為：糊式鋅錳電池、紙板鋅錳電池、鹼性鋅錳電池、扣式鋅銀電池、扣式鋰錳電池、扣式鋅錳電池、鋅空氣電池、一次鋰錳電池等。二次電池可分為：鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰離子電池、二次鹼性鋅錳電池等。鉛酸蓄電池可分為：開口式鉛酸蓄電池、全密閉鉛酸蓄電池等。燃料電池可分為：氫氧燃料電池、甲醇-空氣燃料電池等。

鋅錳電池

鋅二氧化錳電池（簡稱鋅錳電池） 又稱勒蘭社（Leclanche）電池，是法國科學家勒蘭社（Leclanche，1839-1882）於1868年發明的由鋅（Zn）作負極，炭棒為正極，電解質溶液採用二氧化錳（MnO₂），中性氯化銨（NH₄Cl）、氯化鋅（ZnCl₂）的水溶液，面澱粉或漿層紙作隔離層製成的電池稱鋅錳電池，由於其電解質溶液通常製成凝膠狀或被吸附在其它載體上而呈現不流動狀態，故又稱鋅錳乾電池。按使用隔離層區分為糊式和板式電池兩種，板式又按電解質液不同分銨型和鋅型電池紙板電池兩種。

乾電池用鋅制筒形外殼作負極，位於中央的頂蓋上有銅帽的石墨棒作正極，在石墨棒的周圍由內向外依次是A：二氧化錳粉末（黑色）------用於吸收在正極上生成的氫氣（以防止產生極化現象）；B：用飽和了氯化銨和氯化鋅的澱粉糊作為電解質溶液。

電極反應式為：負極（鋅筒）：Zn– 2e^- === Zn²⁺

正極（石墨）：2NH₄⁺ +2e^- === 2NH₃ ↑+ H₂↑

H₂O + 2MnO₂ + 2e^- === 2MnOOH+ 2OH^-

總反應：Zn + 2NH₄Cl + 2MnO₂ === Zn(NH₃)2Cl₂↓+2MnOOH

乾電池的電壓大約為1.5V，不能充電再生。

鹼性鋅錳電池

20世紀中期在鋅錳電池基礎上發展起來的，是鋅錳電池的改進型。電池使用氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）的水溶液做電解質液，採用了與鋅錳電池相反的負極結構，負極在內為膏狀膠體，用銅釘做集流體，正極在外，活性物質和導電材料壓成環狀與電池外殼連線，正、負極用專用隔膜隔開製成的電池。

鉛酸蓄電池

1859年法國普蘭特（Plante）發現，由正極板、負極板、電解液、隔板、容器（電池槽）等5個基本部分組成。用二氧化鉛作正極活性物質，鉛作負極活性物質，硫酸作電解液，微孔橡膠、燒結式聚氯乙烯、玻璃纖維、聚丙烯等作隔板製成的電池。

鉛蓄電池可放電也可以充電，一般用硬橡膠或透明塑膠製成長方形外殼（防止酸液的泄漏）；設有多層電極板，其中正極板上有一層棕褐色的二氧化鉛，負極是海綿狀的金屬鉛，正負電極之間用微孔橡膠或微孔塑膠板隔開（以防止電極之間發生短路）；兩極均浸入到硫酸溶液中。放電時為原電池，其電極反應為:

負極：Pb + SO₄^2--2e^- === PbSO₄↓

正極：PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2- + 2e^- === PbSO₄↓+ 2H₂O

總反應式為：Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄ ====== 2PbSO₄ ↓+ 2H₂O

當放電進行時，硫酸溶液的的濃度將不斷降低，當溶液的密度降到1.18g/ml 時應停止使用進行充電，充電時為電解池，其電極反應如下：

陽極：PbSO₄ + 2H₂O - 2e^- === PbO₂ + 4H⁺ + SO₄^2-

陰極：PbSO₄ + 2e^- === Pb + SO₄^2-

總反應式為：2PbSO₄ + 2H₂O ====== Pb + PbO₂ + 2H₂SO₄

當溶液的密度升到1.28g/ml時，應停止充電。

上述過程的總反應式為：

放電

Pb+ PbO₂ + 2H₂SO₄ ====== 2PbSO₄ + 2H₂O

充電

2PbSO₄+ 2H₂O ====== Pb +PbO₂+2H₂SO₄

鋅銀電池

一般用不鏽鋼製成小圓盒形，圓盒由正極殼和負極殼組成，形似紐扣（俗稱紐扣電池）。盒內正極殼一端填充由氧化銀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濃溶液。電極反應式如下：

負極：Zn + 2OH^--2e^-=== ZnO + H₂O

正極：Ag₂O + H₂O + 2e^-=== 2Ag + 2OH^-

電池的總反應式為：Ag₂O+ Zn ====== 2Ag + ZnO

電池的電壓一般為1.59V，使用壽命較長。

鎘鎳電池和氫鎳以及金屬氫化物鎳電池

二者均採用氧化鎳或氫氧化鎳作正極，以氫氧化鉀或氫氧化鈉的水溶液作電解質溶液，金屬鎘或金屬氫化物作負極。金屬氫化物電池為20世紀80年代末，利用吸氫合金和釋放氫反應的電化學可逆性發明製成，是小型二次電池主導產品。

鋰電池

鋰電池是一類以金屬鋰或含鋰物質作為負極材料的化學電源的總稱通稱鋰電池，分為一次鋰電池和二次鋰電池。

鋰離子電池

指能使鋰離子嵌入和脫嵌的碳材料代替純鋰作負極，鋰的化合物作正極，混合電解液作電解質液製成的電池。鋰離子電池是1990年由日本索尼公司研製出並首先實現產品化。國內外已商品化的鋰離子電池正極是LiCoO2，負極是層狀石墨，電池的電化學表達式為（—） C6▏1mol/L LiPF6-EC+DEC▏LiCoO2(+)

氫氧燃料電池

這是一種高效、低污染的新型電池，主要用於航天領域。其電極材料一般為活化電極，具有很強的催化活性，如鉑電極、活性碳電極等。電解質溶液一般為40%的KOH溶液。電極反應式如下：

負極：2H₂ + 4OH^-- 4e^-=== 4H₂O

正極：O₂ + 2H₂O + 4e^-=== 4OH^-

總反應式：2H₂ + O₂ === 2H₂O

熔融鹽燃料電池

這是一種具有極高發電效率的大功率化學電池，在加拿大等少數已開發國家己接近民用工業化水平。按其所用燃料或熔融鹽的不同，有多個不同的品種，如天然氣、CO、---熔融碳酸鹽型、熔融磷酸鹽型等等，一般要在一定的高溫下（確保鹽處於熔化狀態）才能工作。

下面以CO---Li₂CO₃ + Na₂CO₃---空氣與CO₂型電池為例加以說明：

負極反應式：2CO + 2CO₃^2--4e === 4CO₂

正極反應式：O₂ + 2CO₂ + 4e^-=== 2CO₃^2-

總反應式為：2CO + O₂ === 2CO₂

該電池的工作溫度一般為6500C

海水電池

1991年，我國科學家首創以鋁---空氣---海水為材料組成的新型電池，用作航海標誌燈。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。其電極反應式如下：

負極：4Al – 12e^- === 4Al³⁺

正極：3O₂ + 6H₂O + 12e^- === 12OH^-

總反應式為：4Al + 3O₂ + 6H₂O === 4Al(OH)₃

這種電池的能量比普通乾電池高20---50倍！

新型化學電池

鹼性氫氧燃料電池

這種電池用30%-50%KOH為電解液，在100°C以下工作。燃料是氫氣，氧化劑是氧氣。其電池圖示為 （―）C|H2|KOH|O2|C(+)

電池反應為 ：

負極

正極

總反應

鹼性氫氧燃料電池早已於本世紀60年代就套用於美國載人宇宙飛船上，也曾用於叉車、牽引車等，但其作為民用產品的前景還評價不一。否定者認為電池所用的電解質KOH很容易與來自燃料氣或空氣中的CO2反應，生成導電性能較差的碳酸鹽。另外，雖然燃料電池所需的貴金屬催化劑載量較低，但實際壽命有限。肯定者則認為該燃料電池的材料較便宜，若使用天然氣作燃料時，它比唯一已經商業化的磷酸型燃料電池的成本還要低。

磷酸型燃料電池

它採用磷酸為電解質，利用廉價的炭材料為骨架。它除以氫氣為燃料外，現在還有可能直接利用甲醇、天然氣、城市煤氣等低廉燃料，與鹼性氫氧燃料電池相比，最大的優點是它不需要CO2處理設備。磷酸型燃料電池已成為發展最快的，也是目前最成熟的燃料電池，它代表了燃料電池的主要發展方向。目前世界上最大容量的燃料電池發電廠是東京電能公司經營的11MW美日合作磷酸型燃料電池發電廠，該發電廠自1991年建成以來運行良好。近年來投入運行的100多個燃料電池發電系統中，90%是磷酸型的。市場上供應的磷酸型發電系統類型主要有日本富士電機公司的50KW或100KW和美國國際燃料電池公司提供的200KW。

富士電機已提供了70多座電站，現場壽命超過10萬小時。

磷酸型燃料電池目前有待解決的問題是：如何防止催化劑結塊而導致表面積收縮和催化劑活性的降低，以及如何進一步降低設備費用。

重大意義

化學能轉換為電能的原理的發現和各式各樣電池裝置的發明，是貯能和供能技術的巨大進步，是化學對人類的一項重大貢獻，極大地推進了現代化的進程，改變了人們的生活方式，提高了人們的生活質量