化學(xué)電源的種類(lèi)

化學(xué)電源

化學(xué)電源又稱(chēng)電池，是一種能將化學(xué)能直接轉變成電能的裝置，它在國民經(jīng)濟、科學(xué)技術(shù)、軍事和日常生活方面均獲得廣泛應用。

化學(xué)電池使用面廣，品種繁多，按照其使用性質(zhì)可分為三類(lèi)：干電池、蓄電池、燃料電池。按電池中電解質(zhì)性質(zhì)分為：堿性電池、酸性電池、中性電池。

一、干電池

干電池也稱(chēng)一次電池，即電池中的反應物質(zhì)在進(jìn)行一次電化學(xué)反應放電之后就不能再次使用了。常用的有鋅錳干電池、鋅汞電池、鎂錳干電池等。

鋅錳干電池是日常生活中常用的干電池，其結構如右圖所示：

正極材料：MnO2、石墨棒

負極材料：鋅片

電解質(zhì)：NH4Cl、ZnCl2及淀粉糊狀物

電池符號可表示為

（－） Zn｜ZnCl2、NH4Cl（糊狀）‖MnO2｜C（石墨） （＋）

負極：Zn＝Zn2＋＋2e

正極：2MnO2＋2NH4＋＋2e＝Mn2O3＋2NH3＋H2O

總反應：Zn＋2MnO2＋2NH4＋＝2Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O

鋅錳干電池的電動(dòng)勢為1.5V。因產(chǎn)生的NH3氣被石墨吸附，引起電動(dòng)勢下降較快。如果用高導電的糊狀KOH代替NH4Cl，正極材料改用鋼筒，MnO2層緊靠鋼筒，就構成堿性鋅錳干電池，由于電池反應沒(méi)有氣體產(chǎn)生，內電阻較低，電動(dòng)勢為1.5V，比較穩定。

二、蓄電池

蓄電池是可以反復使用、放電后可以充電使活性物質(zhì)復原、以便再重新放電的電池，也稱(chēng)二次電池。其廣泛用于汽車(chē)、發(fā)電站、火箭等部門(mén)。由所用電解質(zhì)的酸堿性質(zhì)不同分為酸性蓄電池和堿性蓄電池。

（－）酸性鉛蓄電池

鉛蓄電池由一組充滿(mǎn)海綿狀金屬鉛的鉛銻合金格板做負極，由另一組充滿(mǎn)二氧化鋁的鉛銻合金格板做正極，兩組格板相間浸泡在電解質(zhì)稀硫酸中，放電時(shí)，電極反應為：

負極：Pb＋SO42－＝PbSO4＋2e

正極：PbO2＋SO42－十4H＋＋2e＝PbSO4＋2H2O

總反應：Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4十2H2O

放電后，正負極板上都沉積有一層PbSO4，放電到一定程度之后又必須進(jìn)行充電，充電時(shí)用一個(gè)電壓略高于蓄電池電壓的直流電源與蓄電池相接，將負極上的PbSO4還原成Pb，而將正極上的PbSO4氧化成PbO2，充電時(shí)發(fā)生放電時(shí)的逆反應：

陰極：PbSO4＋2e＝Pb＋SO42－

陽(yáng)極：PbSO4＋2H2O＝PbO2＋SO42－＋4H＋＋2e

總反應：2PbSO4＋2H2O＝Pb＋PbO2＋H2SO4

正常情況下，鉛蓄電池的電動(dòng)勢是2.1V，隨著(zhù)電池放電生成水，H2SO4的濃度要降低，故可以通過(guò)測量H2SO4的密度來(lái)檢查蓄電池的放電情況。鉛蓄電池具有充放電可逆性好、放電電流大、穩定可靠、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是笨重，常用作汽車(chē)和柴油機車(chē)的啟動(dòng)電源，坑道、礦山和潛艇的動(dòng)力電源，以及變電站的備用電源。

（二）堿性蓄電池

日常生活中用的充電電池就屬于這類(lèi)。它的體積、電壓都和干電池差不多，攜帶方便，使用壽命比鉛蓄電池長(cháng)得多，使用信當可以反復充放電上千次，但價(jià)格比較貴。商品電池中有鎳－鎘（Ni－Cd）和鎳一鐵（Ni－Fe）兩類(lèi)，它們的電池反應是：

Cd＋2NiO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Cd(OH)2

Fe＋2NaO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Fe(OH)2

反應是在堿性條件下進(jìn)行的，所以叫堿性蓄電池。

三、新型燃料電池

燃料電池與前兩類(lèi)電池的主要差別在于：它不是把還原劑、氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內，而是在工作時(shí)不斷從外界輸入氧化劑和還原劑，同時(shí)將電極反應產(chǎn)物不斷排出電池。燃料電池是直接將燃燒反應的化學(xué)能轉化為電能的裝置，能量轉化率高，可達80%以上，而一般火電站熱機效率僅在30％～40％之間。燃料電池具有節約燃料、污染小的特點(diǎn)。

燃料電池以還原劑（氫氣、煤氣、天然氣、甲醇等）為負極反應物，以氧化劑（氧氣、空氣等）為正極反應物，中燃料極、空氣極和電解質(zhì)溶液構成。電極材料多采用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等貴重金屬以及聚四氟乙烯，電解質(zhì)則有堿性、酸性、熔融鹽和固體電解質(zhì)等數種。

以堿性氫氧燃料電池為例，它的燃料極常用多孔性金屬鎳，用它來(lái)吸附氫氣?？諝鈽O常用多孔性金屬銀，用它吸附空氣。電解質(zhì)則由浸有KOH溶液的多孔性塑料制成，其電池符號表示為：

Ni｜H2｜KOH（30％）｜O2｜Ag

負極反應：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e

正極反應：O2＋2H2O＋4e＝4OH－

總反應：2H2＋O2＝2H2O

電池的工作原理是：當向燃料極供給氫氣時(shí)，氫氣被吸附并與催化劑作用，放出電子而生成H＋，而電子經(jīng)過(guò)外電路流向空氣極，電子在空氣極使氧還原為OH－，H＋和OH－在電解質(zhì)溶液中結合成H2O。氫氧燃料電池的標準電動(dòng)勢為1.229V。

氫氧燃料電池目前已應用于航天、軍事通訊、電視中繼站等領(lǐng)域，隨著(zhù)成本的下降和技術(shù)的提高，可望得到進(jìn)一步的商業(yè)化作用。

四、海洋電池

1991年，我國首創(chuàng )以鋁－空氣－海水為能源的新型電池，稱(chēng)之為海洋電池。它是一種無(wú)污染、長(cháng)效、穩定可靠的電源。海洋電池徹底改變了以往海上航標燈兩種供電方式：一是一次性電池，如鋅錳電池、鋅銀電池、鋅空（氣）電池等。這些電池體積大，電能低，價(jià)格高。二是先充電后給電的二次性電源，如鉛蓄電池，鎳鎘電池等。這種電池要定期充電，工作量大，費用高。

海洋電池，是以鋁合金為電池負極，金屬（Pt、Fe）網(wǎng)為正極，用取之不盡的海水為電解質(zhì)溶液，它靠海水中的溶解氧與鋁反應產(chǎn)生電能的。我們知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，為獲得這部分氧，科學(xué)家把正極制成仿魚(yú)鰓的網(wǎng)狀結構，以增大表面積，吸收海水中的微量溶解氧。這些氧在海水電解液作用下與鋁反應，源源不斷地產(chǎn)生電能。兩極反應為：

負極：（Al）：4Al－12e＝4Al3＋

正極：（Pt或Fe等）：3O2＋6H2O十12e＝12OH－

總反應式：4Al＋3O2十6H2O＝4Al(OH)3↓

海洋電池本身不含電解質(zhì)溶液和正極活性物質(zhì)，不放入海洋時(shí)，鋁極就不會(huì )在空氣中被氧化，可以長(cháng)期儲存。用時(shí)，把電池放入海水中，便可供電，其能量比干電池高20～50倍。

電池設計使用周期可長(cháng)達一年以上，避免經(jīng)常交換電池的麻煩。即使更換，也只是換一塊鋁板，鋁板的大小，可根據實(shí)際需要而定。

海洋電池沒(méi)有怕壓部件，在海洋下任何深度都可以正常了作。海洋電池，以海水為電解質(zhì)溶液，不存在污染，是海洋用電設施的能源新秀。

五、高能電池

具有高“比能量”和高“比功率”的電池稱(chēng)為高能電池。所謂“比能量”和“比功率”是指控電池的單位質(zhì)量或單位體積計算電池所能提供的電能和功率。高能電池發(fā)展快、種類(lèi)多。

（－）銀一鋅電池

電子手表、液晶顯示的計算器或一個(gè)小型的助聽(tīng)器等所需電流是微安或毫安級的，它們所用的電池體積很小，有“紐扣”電池之稱(chēng)。它們的電極材料是Ag2O2和Zn，所以叫銀一鋅電池。電極反應和電池反應是：

負極：2Zn＋4OH－＝2Zn(OH)2＋4e

正極：Ag2O2＋2H2O＋4e＝Ag＋4OH－

電池反應：2Zn＋Ag2O2＋2H2O＝2Zn(OH)2＋2Ag

利用上述化學(xué)反應也可以制作大電流的電池，它具有質(zhì)量輕、體積小等優(yōu)點(diǎn)。這類(lèi)電池已用于宇航、火箭、潛艇等方面。

（二）鋰－二氧化錳非水電解質(zhì)電池

以鋰為負極的非水電解質(zhì)電池有幾十種，其中性能最好、最有發(fā)展前途的是鋰一二氧化錳非水電解質(zhì)電池，這種電池以片狀金屬及為負極，電解活性MnO2作正極，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有機溶劑作為電解質(zhì)溶液，以聚丙烯為隔膜，電池符號可表示為：

Li｜LiClO4｜MnO2｜C（石墨）

負極反應：Li＝Li＋＋e

正極反應：MnO2＋Li＋＋e＝LiMnO2

總反應：Li＋MnO2＝LiMnO2

該種電池的電動(dòng)勢為2.69V，重量輕、體積小、電壓高、比能量大，充電1000次后仍能維持其能力的90％，貯存性能好，已廣泛用于電子計算機、手機、無(wú)線(xiàn)電設備等。

（三）鈉＋硫電池

它以熔融的鈉作電池的負極，熔融的多硫化鈉和硫作正極，正極物質(zhì)填充在多孔的碳中，兩極之間用陶瓷管隔開(kāi)，陶瓷管只允許Na＋通過(guò)。放電分二步進(jìn)行：

第一步放電

負極：Na＝Na＋＋e

正極：2Na＋＋5S＋2e＝Na2S5（l）

總反應：2Na＋5S＝Na2S5（l）

負極上生成的Na＋通過(guò)陶瓷管，進(jìn)入正極與硫進(jìn)行作用，生成Na2S5，使正極成為S和Na2S5現混合物，直到將破全部轉化成Na2S5為止，當正極的硫被消耗完之后轉為第二步放電反應。

第二步放電

負極：2Na＝2Na＋2e

正極：2Na＋＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l）

總反應：2Na＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l）

當Na2S5作用完后，電池放電轉入后期工作。

第三步放電

負極：2Na＝2Na＋2e

正極：2Na＋Na2S4＋2e＝2Na2S2（l）

總反應：2Na＋Na2S4＝N a2S2（l）

鈉－硫電池的電動(dòng)勢為2.08V，可作為機動(dòng)車(chē)輛的動(dòng)力電池。為使金屬鈉和多硫化鈉保持液態(tài)，放電過(guò)程應維持在300℃左右。