九年级化学下册 9.3 几种常见电池素材 （新版）粤教版.doc

9.3 几种常见电池
电池是利用氧化还原反应即电子转移反应由化学能转变成电能从而产生电流的装置，又称化学电池。在这种装置中化学反应不经过热能直接转换成电能。若反应不可逆或不能再生者称为一次电池或原电池，如通常用的干电池；若反应可逆，由外部供给电能可再生者称为二次电池或蓄电池，如铅电池等。一般将电池分为原电池、蓄电池和燃料电池三类。
1．原电池
原电池是利用化学反应得到电流、放电完后不能再重复使用的电池，故又称为一次性电池。其特点是水电解或放出气体，因而需用去极化剂将气体除去，所以反应不可逆，待电极材料或反应物之一耗尽，电流即降低，最终无法再用。这类电池轻便，用途甚广，种类亦多，常用的有锌锰干电池、镁锰干电池、锌汞电池（钮扣电池）、锂－铬酸电池等。
　　①锌－锰干电池
　　包在外面的锌壳为负极，插在中央的石墨棒是正极的导电材料，两极间充满二氧化锰、氯化锌和氯化铵的糊状混合物作为电解质。用火漆封固成干电池。1868年发明后屡经改进，沿用至今。电池电动势通常为1.5伏。电池符号可表示为：
　　（-）Zn∣ZnCl2、NH4Cl(糊状)∣MnO2∣C(石墨)(+)
　　在电解质中加入氯化锌，分隔成若干层成为积层干电池，体积更小，重量轻，材料利用合理，电压因串联而提高，适于通信。其缺点是产生的氨气能被炭棒吸附，引起极化导致电动势较快地下降。若用高导电的糊状氢氧化钾电解质代替氯化氨，正极导电材料改为钢筒，让二氧化锰层紧靠钢筒，就变成碱性锌锰干电池。由于无气体生成，内电阻较低，故电动势稳定，还能借充电再使用数次。
　　②空气电池
　　分干湿两种，均以锌为负极，活性碳吸附空气中之氧（连炭棒）为正极。电解质为氯化铵或氢氧化钠，用淀粉粘成糊状者为干型，保持溶液状态者为湿型。其特点是提高了电池效率。由于正极电阻减小，容量较锌－锰干电池高40～50%，重量却减轻30～40%，适于作电话交换机及交通信号（铁路）电源。
　　③耐寒干电池
　　在锌－锰电池基础上用氯化钙、氯化锌、氯化铵或氯化锂以至有机胺为电解质，旨在提高电导和降低凝固温度，适用于边防、极地、火箭、气象观测等部门。新型品种尚有二氧化铅－高氯酸电池、银－锌电池、镁－银（铜）电池等。
　　④耐热干电池
　　主要有汞干电池，亦称R－M电池（以发明者Ruben及制作者Mallry的首字母作商标），以锌为负极，氧化汞－石墨为正极，氢氧化钾－氧化锌为电解液，两极间的隔离胶质为羧甲基纤维素、聚苯乙烯及多孔性聚乙烯醇膜等。该电池的特点是可耐100℃高温，容量大，电压波动小（1年只降低5%），适用于火箭、人造卫星。
　　⑤微型电池　
　　主要是锂电池，是20世纪70年代开发的新型化学电源，可用作心脏起搏、生物遥控监视器、手表、手机及计算器等的电源。以锂为负极，各种锂盐的惰性非水溶剂（环酯、酰胺、三氯氧磷）的溶液为电解质，锰、铜、鉍、铅的氧化物、碘等为正极。可做成钮扣式、圆柱形或薄币式。其特点是供电连续，长时间（3～5年）不间歇，电流很小（微安～毫安量级），电压稳定，使用温度范围宽广（－50～60℃）。
2．蓄电池
　　蓄电池不仅能使化学能转化为电能，还可借助其他电源使反应逆向进行，是一种可逆电池，又称二次电池。由所用电解质的酸碱性质不同又分酸性蓄电池和碱性蓄电池，最常用的是酸性铅蓄电池，简称铅蓄电池。它是目前所有二次电池中使用最广泛、技术最成熟的电池。
　　①铅（酸）蓄电池
铅蓄电池由一组充满海绵状金属铅的铅锑合金格板做负极，由另一组充满二氧化铅的铅锑合金板做正极，两组格板相间浸泡在电解质稀硫酸（密度为1.2～1.3g·cm-3）溶液中而构成。电池符号为：
　　　　　　（-）Pb∣H2SO4∣PbO2(+)
　　隔离板用耐酸、耐氧化、不溶出有害物质的绝缘材料制成，电槽多用具铅衬里的塑料加工。铅蓄电池具有充、放电可逆性好，能大电流放电，稳定可靠，价格低廉等优点，也有笨重和硫酸漏溢及腐蚀等缺点。铅蓄电池系大容量稳定电池，正常情况下的电动势为2.1V，可反复充电1000次以上，主要用作汽车、柴油机车的启动电源，以及搬运车辆、坑道及矿山车辆和潜艇的动力电源和变电站的备用电源。近年来改用硅胶将酸稠化，克服了漏溢的缺点，并在性能、结构、原材料选择等方面，尤其在轻量高能化和免维护密闭化等方面有了惊人的进展。
　　②碱蓄电池
　　早年使用者为爱迪生电池，以铁为负极，氢氧化镍－镍为正极，以氢氧化钾为电解质。现今多用镉代铁为负极，其特点是可在－20～45℃应用，并且经久（7～25年）耐震。
　　③充电电池
　　主要有镍－镉电池及银－锌电池，以相应的金属及其氧化物（制成粉末或粘稠状物）为正、负极，氢氧化钾为电解质，其特点是形状小、重量轻、性能稳定，其容量为普通电池的20倍以上，可充电1000次以上。适用于电视摄像机、通信及水下电器及空间飞船的供电需要。
3．燃料电池
　　燃料电池与前述两类电池的主要差别在于，它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时不断地从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池。因此，燃料电池是名符其实的把能源中燃料燃烧反应的化学能连续和直接转化为电能?quot;能量转换器"，具有清洁（无污染物放出）和高效（能量转换率高达80%以上）等优点。据科学家预言，燃料电池将成为新世纪获得电力的重要途径，是继水力、火电、核能发电之后的第四类发电形式--化学能发电。
燃料电池以氢气、联氨、甲醇、煤气、天然气等还原剂为负极反应物，以氧气、空气等氧化剂为正极反应物。为了使燃料电池便于进行电极反应，要求电极材料兼备催化剂的功能。可用多孔碳、多孔镍、铂、钯等贵金属以及聚四氟乙烯等作电极材料。电解质有碱性、酸性、熔融盐和固体电解质以及高聚物电解质离子交换膜等数种。下面简介两种燃料电池：
　　①碱性氢氧燃料电池
　　这种电池是国际上20世纪50～70年代大力研究、开发，并于60年代就成功应用于美国Gemini载人宇宙飞船的一种燃料电池，具有较高的能量转换率（≥60%）、高比功率和高比能量的优点。它用30～50%的KOH为电解质，工作温度在100℃以下。燃料是氢气，氧化剂是氧气，理论电动势为1.23V。电池反应为：1/2O2＋H2→H2O。电池图式为：
　　　　　　　　　（-）C∣H2∣KOH∣O2∣C(+)
　　有人认为，该电池的材料便宜，若能改用天然气作燃料，则它比唯一已经商业化的磷酸型燃料电池的成本还要低。
　　②磷酸型燃料电池
　　磷酸型燃料电池是进展最快、技术最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。目前世界上正在运行的100多个燃料电池发电系统中有90%是磷酸型燃料电池，其中最大容量的是东京电能公司1991年建成的11MW磷酸型燃料电池发电厂。
　　它采用磷酸为电解质，利用廉价的碳材料为骨架。除以氢气为燃料外，还可利用甲醇、天然气、声调煤气等低廉的燃料，与碱性燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO2处理设备。尚待解决的问题是因催化剂结块而导致表面积收缩、催化剂活性降低和进一步降低设备费用等。