化学电池

能将化学能转变为电能的装置

化学电池是指能将 化学能 转变为 电能 的装置。主要部分包括 电解质 溶液和 浸入 溶液的正负两个 电极 。使用时,将 导线 联接两个电极,即有电流通过(放电),因而获得电能。放电到一定的程度后,电能减弱,有的可经充电复原而再使用,称做 蓄电池 ,如 铅蓄电池 、铁 蓄电池等,有的不可充电复原,称做 原电池 ,如干电池、丹聂耳电池、燃料电池等。

种类

原电池是利用两个电极之间 金属性 的不同,产生 电压 ,从而使 电子 的流动,产生电流。又称非蓄电池,是电化电池的一种,其电化反应不能逆转,即是只能将 化学能 转换为 电能 ,简单说就即是不能重新储存电力,与蓄电池相对。

化学电池按工作性质可分为:一次电池(原电池);二次电池(可充电电池); 铅酸 蓄电池;燃料电池。其中:一次电池可分为:糊式 锌锰电池 、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、 锌空气电池 、一次锂锰电池等。二次电池可分为:镉镍电池、氢镍电池、 锂离子电池 、二次碱性锌锰电池等。铅酸 蓄电池 可分为:开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池等。燃料电池可分为: 氢氧燃料电池 、 甲醇 空气燃料电池等。

锌锰电池

锌 二氧化锰 电池(简称锌锰电池)又称勒兰社(Leclanche)电池,是 法国 科学家勒兰社(Leclanche,1839-1882)于1868年发明的由锌( )作 负极 ,炭棒为正极, 电解质 溶液采用二氧化锰( ),中性 氯化铵 ( )、 氯化锌 ( )的 水溶液 ,面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称 锌锰电池 ,由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被 吸附 在其它载体上而呈现不流动状态,故又称锌锰干电池。按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种,板式又按电解质液不同分 型和锌型电池纸板电池两种。

干电池用锌制筒形外壳作负极,位于中央的顶盖上有铜帽的 石墨棒 作正极,在石墨棒的周围由内向外依次是A: 二氧化锰 粉末(黑色)------用于吸收在正极上生成的 氢气 (以防止产生 极化 现象);B:用饱和了 氯化铵 和 氯化锌 的淀粉糊作为 电解质 溶液。

电极 反应式为: 负极 (锌筒):

正极( 石墨 ):

总反应:

干电池的电压大约为1.5V,不能充电再生。

碱性 锌锰电池

20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的,是锌锰电池的改进型。电池使用 氢氧化钾 ( )或 氢氧化钠 ( )的 水溶液 做 电解质 液,采用了与锌锰电池相反的 负极 结构,负极在内为膏状 胶体 ,用铜钉做集 流体 ,正极在外,活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接,正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。

铅酸 蓄电池

1859年 法国 普兰特 ( Plante )发现,由正极板、 负极板 、 电解液 、隔板、容器(电池槽)等5个基本部分组成。用 二氧化铅 作正极活性物质,铅作负极活性物质, 硫酸 作电解液,微孔橡胶、 烧结 式 聚氯乙烯 、 玻璃纤维 、 聚丙烯 等作隔板制成的电池。

铅蓄电池 可放电也可以充电,一般用 硬橡胶 或透明塑料制成长方形外壳(防止酸液的泄漏);设有多层 电极 板,其中正极板上有一层棕 褐色 的二氧化铅, 负极 是海绵状的 铅 ,正负电极之间用微孔橡胶或微孔 塑料板 隔开(以防止电极之间发生 短路 );两极均浸入到硫酸溶液中。放电时为 原电池 ,其电极反应为:

负极:

正极:

总反应式为:

当放电进行时, 硫酸 溶液的的浓度将不断降低,当溶液的密度降到 时应停止使用进行充电,充电时为 电解池 ,其电极反应如下:

阳极 :

阴极 :

总反应式为:

当溶液的密度升到 时,应停止充电。

上述过程的总反应式为:

放电

充电

锌银电池

一般用 不锈钢 制成小圆盒形,圆盒由正极壳和 负极 壳组成,形似纽扣(俗称 纽扣电池 )。盒内正极壳一端填充由 氧化银 和 石墨 组成的正极活性材料,负极盖一端填充锌 汞齐 组成的负极活性材料, 电解质 溶液为 浓溶液。 电极 反应式如下:

负极:

正极:

电池的总反应式为:

电池的电压一般为1.59V,使用寿命较长。

镉镍电池和氢镍以及 金属氢化物 镍电池

二者均采用 氧化镍 或 氢氧化镍 作正极,以 氢氧化钾 或 氢氧化钠 的 水溶液 作 电解质 溶液,金属镉或金属氢化物作 负极 。金属氢化物电池为20世纪80年代末,利用吸氢合金和释放氢反应的 电化学 可逆性发明制成,是小型二次电池主导产品。

锂电池

锂电池是一类以 锂 或含锂物质作为负极材料的化学电源的总称通称锂电池,分为一次锂电池和二次锂电池。

锂离子电池

指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极,锂的化合物作正极,混合 电解液 作电解质液制成的电池。锂离子电池是1990年由日本 索尼 研制出并首先实现产品化。国内外已商品化的锂离子电池正极是 , 负极 是层状 石墨矿 ,电池的电化学表达式为(—)

氢氧燃料电池

这是一种高效、低污染的新型电池,主要用于航天领域。其 电极 材料一般为 活化 电极,具有很强的催化活性,如铂电极、活性碳电极等。 电解质 溶液一般为40%的 溶液。电极反应式如下:

负极:

正极:

总反应式:

熔融盐燃料电池

这是一种具有极高发电效率的大功率化学电池,在 加拿大 等少数 发达国家 己接近民用工业化水平。按其所用燃料或熔融盐的不同,有多个不同的品种,如天然气、 、---熔融 碳酸根 型、熔融 磷酸盐 型等等,一般要在一定的高温下(确保盐处于熔化状态)才能工作。

下面以 空气与 型电池为例加以说明:

负极 反应式:

正极反应式:

总反应式为:

该电池的工作温度一般为6500C

海水电池

1991年,我国科学家首创以铝---空气---海水为材料组成的新型电池,用作航海 标志灯 。该电池以取之不尽的海水为 电解质 ,靠空气中的 氧气 使铝不断氧化而产生电流。其 电极 反应式如下:

负极 :

正极:

总反应式为:

这种电池的能量比普通干电池高20---50倍!

新型化学电池

碱性 氢氧燃料电池

这种电池用 为 电解液 ,在100°C以下工作。燃料是 氢气 , 氧化剂 是 氧气 。其电池图示为(―)

电池反应为:

负极

正极

总反应

碱性氢氧燃料电池早已于本世纪60年代就应用于 美国 载人飞船 上,也曾用于 叉车 、 牵引车 等,但其作为民用产品的前景还评价不一。否定者认为电池所用的 电解质 很容易与来自燃料气或空气中的 反应,生成导电性能较差的 碳酸根 。另外,虽然燃料电池所需的 贵金属催化剂 载量较低,但实际寿命有限。肯定者则认为该燃料电池的材料较便宜,若使用天然气作燃料时,它比唯一已经商业化的 磷酸型燃料电池 的成本还要低。

磷酸型燃料电池

它采用磷酸为电解质,利用廉价的炭材料为 骨架 。它除以 氢气 为燃料外,现在还有可能直接利用 甲醇 、天然气、城市 煤气 等低廉燃料,与碱性 氢氧燃料电池 相比,最大的优点是它不需要 处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的,也是目前最成熟的燃料电池,它代表了燃料电池的主要发展方向。目前世界上最大容量的燃料电池发电厂是东京电能公司经营的11MW美日合作磷酸型燃料电池发电厂,该发电厂自1991年建成以来运行良好。近年来投入运行的100多个燃料电池发电系统中,90%是磷酸型的。市场上供应的磷酸型发电系统类型主要有 日本富士电机 公司的50KW或100KW和美国国际燃料电池公司提供的200KW。

富士电机株式会社 已提供了70多座电站,现场寿命超过10万小时。

磷酸型燃料电池 目前有待解决的问题是:如何防止 催化剂 结块而导致表面积收缩和催化剂活性的降低,以及如何进一步降低设备费用。

重大意义

化学 能转换为 电能 的原理的发现和各式各样电池装置的发明,是贮能和供能技术的巨大进步,是化学对人类的一项重大贡献,极大地推进了现代化的进程,改变了人们的生活方式,提高了人们的生活质量