分類
乾電池
鋅錳乾電池是日常生活中常用的乾電池,其結構如右圖所示:
電池符號可表示為
(-) Zn|
ZnCl2、NH4Cl(糊狀)‖MnO
2|C(
石墨)(+)
鋅錳乾電池的
電動勢為1.5V。因產生的NH
3氣被石墨吸附,引起電動勢下降較快。如果用高導電的糊狀KOH代替NH
4Cl,正極材料改用鋼筒,MnO
2層緊靠鋼筒,就構成鹼性鋅錳乾電池,由於電池反應沒有氣體產生,
內電阻較低,電動勢為1.5V,比較穩定。
蓄電池
蓄電池是可以反覆使用、放電後可以充電使活性物質復原、以便再重新放電的電池,也稱
二次電池。其廣泛用於汽車、發電站、火箭等部門。由所用電解質的酸鹼性質不同分為
酸性蓄電池和
鹼性蓄電池。
酸性鉛蓄電池
放電後,正負極板上都沉積有一層PbSO
4,放電到一定程度之後又必須進行充電,充電時用一個電壓略高於
蓄電池電壓的
直流電源與蓄電池相接,將負極上的PbSO
4還原成Pb,而將正極上的PbSO
4氧化成PbO
2,充電時發生放電時的逆反應:
正常情況下,
鉛蓄電池的
電動勢是2.1V,隨著電池
放電生成水,H
2SO
4的濃度要降低,故可以通過測量H
2SO
4的密度來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、價格便宜等優點,缺點是笨重,常用作汽車和
柴油機車的啟動電源,坑道、礦山和潛艇的動力電源,以及變電站的備用電源。
鹼性蓄電池
日常生活中用的
充電電池就屬於這類。它的體積、電壓都和
乾電池差不多,攜帶方便,使用壽命比
鉛蓄電池長得多,使用得當可以反覆充
放電上千次,但價格比較貴。商品電池中有鎳-鎘(Ni-Cd)和鎳一鐵(Ni-Fe)兩類,它們的電池反應是:
Cd+2NiO(OH)+2H2O = 2Ni(OH)2+Cd(OH)2
Fe+2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Fe(OH)2
燃料電池
燃料電池與前兩類電池的主要差別在於:它不是把
還原劑、氧化劑物質全部貯藏在電池內,而是在工作時不斷從外界輸入氧化劑和還原劑,同時將
電極反應產物不斷排出電池。燃料電池是直接將
燃燒反應的化學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。
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
電解質溶液構成。電極材料多採用多孔碳、多孔鎳、鉑、鈀等貴重金屬以及
聚四氟乙烯,電解質則有鹼性、酸性、
熔融鹽和
固體電解質等數種。
以鹼性氫氧燃料電池為例,它的燃料極常用多孔性金屬鎳,用它來吸附氫氣。空氣極常用多孔性金屬銀,用它吸附空氣。電解質則由浸有KOH溶液的多孔性塑膠製成,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,氫氣被吸附並與催化劑作用,放出電子而生成H
+,而電子經過
外電路流向空氣極,電子在空氣極使氧還原為OH
-,H
+和OH
-在
電解質溶液中結合成H
2O。
氫氧燃料電池的標準
電動勢為1.229V。
氫氧燃料電池目前已套用於航天、軍事通訊、電視
中繼站等領域,隨著成本的下降和技術的提高,可望得到進一步的商業化作用。
海洋電池
1991年,我國首創以鋁-空氣-海水為能源的
新型電池,稱之為
海洋電池。它是一種無污染、長效、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,價格高。二是先充電後給電的二次性電源,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)網為正極,用取之不盡的海水為
電解質溶液,它靠海水中的
溶解氧與鋁反應產生電能的。我們知道,海水中只含有0.5%的溶解氧,為獲得這部分氧,科學家把
正極製成仿魚鰓的網狀結構,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,源源不斷地產生電能。
兩極反應為:
負極:(Al):4Al-12e=4Al3+
正極:(Pt或Fe等):3O2+6H2O+12e=12OH-
總反應式:4Al+3O
2十6H
2O=4Al(OH)
3↓
海洋電池本身不含
電解質溶液和正極活性物質,不放入海洋時,鋁極就不會在空氣中被氧化,可以長期儲存。用時,把電池放入海水中,便可供電,其能量比
乾電池高20~50倍。
電池設計使用周期可長達一年以上,避免經常交換電池的麻煩。即使更換,也只是換一塊鋁板,鋁板的大小,可根據實際需要而定。
海洋電池沒有怕壓部件,在海洋下任何深度都可以正常工作。海洋電池,以海水為電解質溶液,不存在污染,是海洋用電設施的能源新秀。
高能電池
具有高“
比能量”和高“比功率”的電池稱為
高能電池。所謂“比能量”和“比功率”是指控電池的單位質量或單位體積計算電池所能提供的
電能和功率。高能電池發展快、種類多。
(-)銀一鋅電池
電子手錶、液晶顯示的計算器或一個小型的助聽器等所需電流是
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。它們的電極材料是Ag
2O
2和Zn,所以叫銀一
鋅電池。
電極反應和電池反應是:
負極Zn+2OH--2e-=ZnO+ H2O
正極Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-
電池總反應為:Zn+Ag2O=ZnO+2Ag
利用上述化學反應也可以製作大電流的電池,它具有質量輕、體積小等優點。這類電池已用於宇航、火箭、潛艇等方面。
鋰-二氧化錳非水電解質電池
負極反應:Li=Li++e
正極反應:MnO2+Li++e=LiMnO2
該種電池的
電動勢為2.69V,重量輕、體積小、電壓高、
比能量大,充電1000次後仍能維持其能力的90%,貯存性能好,已廣泛用於電子計算機、手機、無線電設備等。
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,正極物質填充在多孔的碳中,兩極之間用陶瓷管隔開,陶瓷管只允許Na+通過。放電分二步進行:
第一步放電
負極:Na=Na++e
正極:2Na++5S+2e=Na2S5
總反應:2Na+5S=Na2S5
負極上生成的Na+通過陶瓷管,進入正極與硫進行作用,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後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
總反應:2Na+4Na2S5+2e=5Na2S4
當Na2S5作用完後,電池放電轉入後期工作。
第三步放電
負極:2Na=2Na++2e
正極:2Na+Na2S4+2e=2Na2S2
總反應:2Na+Na2S4=Na2S2
鋰離子電池
鋰離子電池的工作原理就是指其充放電原理。當對電池進行充電時,電池的
正極上有鋰離子生成,生成的鋰 離子經過
電解液運動到
負極。而作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,到達負極的鋰離子就嵌入到碳層 的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣道理,當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,又運動回到正極。回到正極的鋰離子越多,放電容量越高。我們通常所說的
電池容量指的就是放電容量。不難看出,在鋰離子電池的充放電過程中,鋰離子處於從正極 →負極→ 正極的
運動狀態。如果我們把鋰離子電池形象地比喻為一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,而鋰離子就象優秀的運動健將,在搖椅的兩端來回奔跑。所以,專家們又給了
鋰離子電池一個可愛的名字搖椅式電池。
微生物電池
隨著研究的深入,微生物燃料電池已可以利用各種污水中所富含
有機物質進行電能的生產。它的發展不僅可以緩解日益緊張的
能源危機以及
傳統能源所帶來的溫室效應,同時也可以處理生產和生活中的各種污水。因此微生物燃料電池是一種無污染、清潔的新型能源技術,其研究和開發必將受到越來越多的關注。