多种多样的电池

文章编号：1005－6629(2006)12－0053－04中图分类号：TM911文献标识码：E

以原电池为基本模型的能持续产生直流电的装置，统称为化学电池，通常称为电池。电池作为化学电源极广泛地应用于科学研究、生产与生活各领域，在实际应用中既有小如钮扣的电池，也有能产生兆瓦级的燃料电池发电站，真可谓是多种多样。

1酸性锌锰电池

最早进入市场的实用电池是锌锰干电池。早在1860年法国人勒克郎榭(GeorgeLeclanche)就发明了酸性锌锰电池的原型，因而这种电池也叫Leclanche电池。它的外壳是作为负极的锌筒，电池中心是作为正极导电材料的石墨棒，正极区为围绕石墨棒的粉状二氧化锰和炭粉，负极区为糊状的ZnCl₂和NH₄Cl混合物。该电池在正极会发生氢离子还原放出氢气的电极反应，生成的氢气使正极导电性下降(电极的极化)，二氧化锰是“去极化剂”，它使氢气氧化，保持正极有良好的导电性。电池内主要反应为：

酸性锌锰电池历史悠久，制作简单，价格便宜。始终占干电池市场的很大份额，但它有一些致命弱点：未使用过的新电池存放时间短(会发生自放电而降低电压乃至完全报废)；放电后电压不稳定，下降较快；不能充电，只能一次使用。

2碱性锌锰电池

碱性锌锰电池是在1950年以后才开始进入市场的。近年来，在我国市场上，酸性锌锰电池正在被价格较贵的碱性锌锰电池取代。碱性电池的结构与酸性电池完全相反，电池中心是负极，锌呈粉状，正极区在外层，是MnO₂和KOH混合物，外壳是钢筒。碱性锌锰电池克服了酸性电池存放时间短和电压不稳定的缺点，但仍为一次性电池。碱性锌锰电池的电解质是KOH，电池内主要反应为：

3锌－氧化汞电池

锌－氧化汞电池常被制成如同钮扣大小，主要用于自动照相机、助听器、心脏起搏器、数字计算器和石英电子表等。在医学和电子工业中，它比Leclanche电池使用得更加广泛。其结构如图，其负极是锌－汞合金(锌汞齐)。正极是与钢相接触的氧化汞HgO(有的以碳代钢)。两极的活性物质分别是锌和氧化汞。电解质是45%的KOH溶液，这种溶液被某种材料所吸收，直到吸收材料达到饱和。电池内主要反应为：

这种锌－氧化汞电池有很稳定的1.34V输出电压，并有相当高的电池容量和较长的寿命。这些特性对它在通讯设备和科研仪器中的使用有重要价值。其最大的缺点是废弃电池会造成环境的汞污染。

4海水电池

1991年，我国首创了以铝-空气-海水为能源的新型电池，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。电池内主要反应为：

这种海水电池的能量比“干电池”高20～50倍。

5银锌电池

它是用不锈钢制成的一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，形似钮扣，盒内正极壳一端填充由Ag₂O和石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为KOH，电池内主要反应为：

电池电动势1.59V，使用寿命较长。

6熔融盐燃料电池

它具有高的发电效率，因而受到重视。可用

Li₂CO₃和Na₂CO₃的熔融盐混合物作电解质，CO为负极燃气，空气与CO₂的混合气体为正极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池。电池内主要的反应为：

7锂电池

它是用金属锂作负极活性物质的电池的总称。

目前生产的多是一次性锂电池，商品化的锂电池有Li-I₂、Li-Ag₂CrO₄、Li-MnO₂、Li-SO₂和Li-SOCl₂电池。

锂电池的负极反应均为Li-e-=Li⁺

常用于心脏起搏器的一种微型锂电池，石墨作正极，电解质溶液由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酸氯(SOCl2)中组成。电池的总反应式为：8Li+3SOCl₂=6LiCl+Li₂SO₃+2S

这种电池的容量大，电压稳定，在-56.7～71.1℃温度范围内正常工作。

8锂离子电池

它是Li+嵌入化合物为正负极的可充电电池。正极采用锂化合物LixCoO₂、LixNiO₂或LiMnO₄。负极采用锂－碳层间化合物LixC6，电解质为溶有锂盐LiPF₆、LiAs₆等的有机溶液。在充放电过程中，Li⁺在两个电极之间嵌入和脱嵌，被形象地称为“摇椅电池”。

锂离子电池工作电压高，一般为3.3～3.8V，体积小，比能量高，自放电小，循环寿命长，可达500～1000次，使用温度范围较宽，可在-20～55℃之间。该电池设有安全装置，不仅使用安全，而且不会对环境造成污染，被称为绿色电池，锂离子电池被认为是21世纪发展的理想能源。

9镍镉电池

出现于上世纪50年代的镍镉电池是至今仍占很大市场份额的可充电碱性干电池。电解液为KOH，电池内主要反应为：

该电池能维持非常恒定的电压，可达1.4V。同时循环使用可达2000～4000次。广泛用于手提计算机，便携式电动工具，电动剃须刀和牙刷等。镉是致癌物质，废弃的镉电池不回收会严重污染环境，严重制约了它的发展，故镉电池有逐渐被其它可充电电池取代的趋势。

10镍氢电池

镍氢电池是一种价格比镍镉电池贵得多的可充电电池，正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极)，负极活性物质为金属合金，也称贮氢合金(电极称贮氢电极)，电解液为氢氧化钾，在电池内主要的反应为：

它的出现，应首先归功于储氢材料的突破，贮氢合金以LaNi₅为代表。很明显，一般小小的干电池的负极无法想象使用气态的氢。

11钠硫电池

它是一种高能电池，以熔融的钠、硫为两极，以Na⁺导电的β－Al₂O₃陶瓷作固体电解质，电池内主要反应为：

12铅蓄电池

目前汽车等动力车的蓄电池基本上是铅蓄电池，它的历史悠久，性能优良，价格便宜，为所有其它电池所不能兼顾。铅蓄电池的结构十分简单。它的电极主架均为铅合金的栅板，平行排列，相间地在栅格里填以铅和二氧化铅作为负极和正极，电解质为硫酸水溶液。电池内主要反应为：

当放电时，硫酸的浓度降低，当溶液的密度达1.18g•cm^-3时，应停止使用，需充电，充电时起电解池的作用，当溶液的密度增加至1.28g•cm^-3时应停止充电。

13甲醇电池

摩托罗拉公司研制了一种由甲醇和氧气以及强碱作电解质溶液的新型手机电池，电容量可达现用镍氢电池或锂电池的10倍。电池内主要反应为：

14燃料电池

早在19世纪初，电化学的开山鼻祖英国人戴维就已经提出了燃料电池的基本设想。1839年发明电化学电池的英国人格拉夫(williamRobertGrove1811～1896)证实了戴维的想法，发明了最早的氢－氧燃料电池。

氢氧燃料电池是目前最成熟的燃料电池。氢气可从转化天然气或石油气等获得；氧气从空气中获得。电池的电解质除大家熟悉的水溶液和熔融盐外，还有可以传递质子的膜或者固体电解质。例如用于宇宙飞船的氢氧燃料电池是以30%的浓KOH水溶液为电解质的。氢气和氧气以液态的方式贮存于跟电池隔离的高压容器里。反应产物——水被用作宇航员的饮水。每个单元电池的实测工作电动势为0.8～1.0V。把30～40个单元电池组合在一起，形成约30V的电源。化学能转化为电能的效率可以达到60%～80%，其余的能量仍然以热的形式释放。因此，该电池既可供电，用于飞船的照明和无线电通讯，又可供热来保持飞船适于宇航员生存必需的温度。

15纳米型电池

近十多年来，化学家们对“纳米技术”产生了极大兴趣。这种技术使人们能够在原子与分子水平上对化学反应系统加以控制，以便于更好地了解各种过程的机理，并开辟了有控制地每次加入一个原子的材料加工过程。

这种研究的成果之一即纳米型电池。这是世界上最小的Volta电池。1992年，化学家们在CaliforniaIrvine(加利福尼亚欧文)大学用扫描隧道显微镜将彼此紧挨着的很小的金属点沉积在一个表面上。他们制备出有四个电极Volta电池，其中两个铜电极，两个银电极。这四个电极的在石墨晶体的表面上堆成垛状。垛的直径为(15～20)nm，高(2～5)nm，电池的总尺寸为70nm，约为红血细胞的百分之一大小。当电池浸在稀的硫酸铜溶液中，作为负极的铜垛就开始溶解，发生氧化反应，电池内主要反应为：

总的电池反应过程是铜原子通过溶液中的Cu²⁺从阳极向阴极转移,而在外电路则有电子通过石墨从Cu向Ag正极输送。这种电子流动可产生大约20mV，1×10-18A的微小电流。

参考文献：

[1]大连理工大学无机化学教研室[M].无机化学(第四版).高等教育出版社，2001.6

[2]吉林大学，武汉大学，南开大学[M].无机化学上册，高教育出版社，2004,6

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