1概述化學電源

2鋅-錳干電池的工作原理

3鉛蓄電池的工作原理

4其它常見的幾種電池

1概述化學電源

過針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標準

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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電能是現(xiàn)代社會生活的必需品，電能是最重要的二次能源，大部分的煤和石油制品作為一次能源用于發(fā)電。煤或油在燃燒過程中釋放能量，加熱蒸汽，推動電機發(fā)電。煤（或油）燃燒過程就是它和氧氣發(fā)生化學變化的過程，所以“燃煤發(fā)電”實質(zhì)是化學能?機械能?電能的過程，這種過程通常要靠火力發(fā)電廠的汽輪機和發(fā)電機來完成。另外一種把化學能直接轉化為電能的裝置，統(tǒng)稱化學電池或化學電源。如收音機、手電筒、照相機上用的干電池，汽車發(fā)動機用的蓄電池，鐘表上用的鈕扣電池等都是小巧玲瓏攜帶方便的日常用品。那末哪些化學體系可以設計成為實用的電池呢？

化學電池都與氧化還原反應有關。在18世紀末，人們把與氧化合的反應叫氧化反應，而把從氧化物中奪取氧的反應叫還原反應。到19世紀中葉，有了化合價的概念，人們把化合價升高的過程叫氧化，把化合價降低的過程叫還原。20世紀初建立了化合價的電子理論，人們把失電子的過程叫氧化，得電子的過程叫還原。例如：

這兩個式子分別代表兩個氧化還原半反應，兩個半反應組合成一個氧化還原反應：

上式代表鋅片和硫酸銅溶液發(fā)生置換反應生成硫酸鋅和金屬銅的離子反應方程式。反應過程中電子由Zn轉移給Cu2+，Zn失去電子被氧化為Zn2+，Zn本身是還原劑，它使Cu2+還原為Cu，所以Cu2+本身則是氧化劑。有失電子的一方，就有得電子的一方，電子得與失一定同時發(fā)生，即氧化與還原一定同時發(fā)生。

凡涉及電子轉移的反應都屬于氧化還原反應，若這些電子能順一定方向流動便成為電流。按圖2—10所示，左邊燒杯里盛硫酸鋅溶液，并插入鋅片，右邊燒杯里盛硫酸銅溶液，并插入銅片；兩個燒杯之間用“鹽橋”相聯(lián)。（鹽橋是一個盛KCl飽和溶液膠凍的U形管，用以構成電子流的通路）。鋅片和銅片之間用電線相聯(lián)結，中間串聯(lián)一個電壓表（或電流表），電表指針的偏轉證明上述裝置確有電流產(chǎn)生，這就成為由鋅電極（Zn—ZnSO4）和銅電極（Cu-CuSO4）組成的一個電池，簡稱鋅-銅電池。在這個裝置里，鋅片并沒有和CuSO4溶液相接觸，但確實可以看到在鋅極發(fā)生的是Zn片溶解生成Zn2+，在銅極則有Cu2+還原成金屬銅析出在銅片上，電子由鋅極流向銅極，電流方向反之，即由銅極流向鋅極，電流表指針向正方向偏轉指明銅極為正極，鋅極為負極。兩個電極反應分別是：

無人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標稱電壓：28.8V
標稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應用領域：勘探測繪、無人設備

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正極：Cu2++2e-?Cu

負極：Zn?Zn2++2e-

若Zn2+和Cu2+的濃度都是1.0mol×L-1，用高阻抗伏特計測得兩極電勢差為1.1V，即該電池的電動勢為1.1V。若用鐵片和硫酸亞鐵溶液代替上述鋅電極，則組成鐵-銅電池。當Fe2+和Cu2+濃度都是1.0mol.L-1時，測得電動勢為0.75V。若以Ag和AgNO3溶液（1.0mol×L-1）代替銅電極，組成了鋅-銀電池，其電動勢則為1.6V。與上述電池相關的氧化還原反應，電子流動方向和電池電動勢（E）如下：

這幾個反應是讀者熟悉的金屬置換反應，按圖2-10所示原理可以裝成經(jīng)典的化學電池，在上個世紀它們曾是實用的化學電源。

電池的電動勢決定于電極得失電子的能力和溶液的濃度。電極得失電子的能力，用“電極電勢”表示，它是一類相對數(shù)據(jù)，表2-6列舉了一些手冊里記載的水溶液中的標準電極電勢Eq。其中“標準”兩字是指電極反應中的物質(zhì)都處于標準狀態(tài)，即溶液中離子濃度都是lmol×L-1，氣態(tài)物質(zhì)的分壓都是100kPa，溫度為298K（25℃）。以氫電極作為比較的標準，指定氫電極的標準電極電勢為零：

2H+（1.0mol×L-1）＋2e-?H2（100kPa）

其他電極與之相比，如，表示銅電極電勢比氫電極高0.34V；而=-0.76V，表示鋅電極電勢比氫電極低0.76V。由此可以求得銅電極電勢比鋅電極高1.10V，即鋅-銅電池的電動勢為1.10V。

利用表2-6數(shù)據(jù)，還可以判別水溶液中氧化還原反應的方向。電極反應物質(zhì)有氧化態(tài)與還原態(tài)，在書寫反應方程式時，氧化態(tài)物質(zhì)寫在左邊，得電子變?yōu)檫€原態(tài)，還原態(tài)物質(zhì)寫在右邊。電極反應的Eq值越大，表示氧化態(tài)物質(zhì)得電子能力越大，即氧化能力越大。

如表里左下方的氧化態(tài)物質(zhì)F2，Cl2。，S2O82-，MnO4-等都是很強的氧化劑。反之Eq值越小，氧化態(tài)得電子能力越小或還原態(tài)失電子能力越大，亦即右上方還原態(tài)物質(zhì)如K，Na，Zn等都是強還原劑。由此可知表中左下方的氧化態(tài)物質(zhì)可以和右上方的還原在物質(zhì)起反應；反之右下方的還原衣物質(zhì)不能和左上方氧化態(tài)物質(zhì)起反應。例如H+和Fe可以起反應生成H2和Fe2+，而H+不能和Ag起反應，此即鐵能和酸起置換反應放出H2，而銀不能和酸起反應。同理，可以判斷Cl2能氧化Br-或I-，但Fe3+只能使I-變?yōu)镮2，而不能使Br-變?yōu)锽r2?；瘜W手冊里有許多常見物質(zhì)的有關Eq值可供參考。

任何兩個電極反應都可組成一個氧化還原反應，理論上都可以設計成一個電池，但真要做成一個有實際應用價值的電池并非易事。目前我們最熟悉而又經(jīng)常使用的莫過于鋅-錳干電池和鉛蓄電池。

2鋅-錳干電池的工作原理

以上列舉的幾種電池有溶液，便于說明原理，但不便于攜帶。日常用的收音機，手電筒里使用的都是干電池，其電壓一般為1.5V，電容量隨體積大小而異（分1號，2號，3號，4號，5號等）。外殼用鋅皮作為負極，中心為正極，是一根導電性能良好的石墨棒，裹上了一層由MnO2，炭黑及NH4Cl溶液混合壓緊的團塊。兩個電極之間的電解液是由NH4Cl，ZnCl2，淀粉和一定量水組成，將其加熱調(diào)制成漿糊并趁熱灌入鋅筒，冷卻后成半透明的膠凍不再流動，但可以導電。鋅筒上口加瀝青密封，防止電解液滲出。鋅-錳干電池的電極反應為

鋅負極：Zn+4NH4Cl?(NH4)2ZnCl4+2NH4++2e-

錳正極：MnO2+H2O+e-?MnO(OH)+OH-

在使用過程中，電子由鋅極流向錳極（電流方向相反），鋅皮逐漸消耗，MnO2也不斷被還原，電壓慢慢降低，最后電池失效。這種電池是一次性消費品，但鋅皮不可能完全消耗掉，所以舊電池可回收鋅。鋅既然是消耗性的外殼，在使用過程中就會變薄以致穿孔，這就要求在鋅皮外加有密封包裝，有些劣質(zhì)產(chǎn)品，在使用過程中發(fā)生“滲漏”現(xiàn)象，即是沒有按要求做的緣故。

3鉛蓄電池的工作原理

電池放電到一定程度，可以利用外電源進行充電后再用，這樣充電放電可以反復幾百次。汽車的啟動電源常用鉛蓄電池，其結構如圖2-12所示。

電池內(nèi)有一排鉛銻合金的柵格板，柵孔為細的鉛粉泥所填滿。柵板交替由兩塊導板相聯(lián)，分別成為頂部的兩個電極。整個電極板在使用之前先浸泡在稀硫酸溶液中進行電解處理，在陽極，Pb被氧化成為二氧化鉛（PbO2），在陰極，形成海綿狀金屬鉛。干燥后，PbO2為蓄電池的正極，海綿狀鉛為負極。所用電解液為30％的硫酸（H2SO4），因此這類電池可以也叫酸性蓄電池。放電時，電極反應和電池反應如下：

正極：PbO2+2H2O?PbO2+SO42-+4H++2e-

負極：PbSO4+2e-?Pb+SO42-

放電反應：PbO2+Pb+2H2SO4?2PbSO4+2H2O

放電之后，正負兩極都生成了一層硫酸鉛（PbSO4），到一定程度就必須充電。充電時是將一個電壓略高于蓄電池的直流電源與它相接，PbO2電極上的PbSO4放出電子被氧化為PbO2，Pb極上的PbSO4接受電子被還原為Pb，于是蓄電池的電極恢復原狀，又可放電。充電時的電極反應和電池反應恰好是放電時的逆反應：

PbO2極：PbSO4+2H2O?PbO2+SO42-+4H++2e-

Pb極：PbSO4+2e-?Pb+SO42-

充電反應：2PbSO4+2H2O?PbO2+Pb+2H2SO4

鉛蓄電池放電和充電過程可以合并寫為

鉛蓄電池每個單元電壓為2.0V左右，汽車用的電瓶一般由3個單元組成，即工作電壓在6.0V左右。若電容量為幾十至一百安培，放電時，單元電壓降到1.8V，就不能繼續(xù)使用，必須進行充電。只要按規(guī)定及時充電，使用得當，一個電池可以充放電300多次，否則使用壽命會大大降低。這種蓄電池具有電動勢高、電壓穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、原料豐富、價格便宜等優(yōu)點。主要缺點是笨重、防震性差、易溢出酸霧、維護不便、攜帶不便等。針對這些問題，科技工作者認真不斷地從電極材料、隔板材料、電解液組成、電池槽體、整體密封等多方面進行改進。自80年代以來各種新型的鉛蓄電池逐漸問世，它們在汽車工業(yè)、通訊業(yè)、飛機、船舶、礦山、特種等方面都有廣泛應用。在當今各種電池中，就其總產(chǎn)量而言，鉛蓄電池還是占90％。

4其它常見的幾種電池

新技術的發(fā)展，迫切要求研制體積小、質(zhì)量輕容量大、保存時間長的各種新型化學電源?，F(xiàn)在已經(jīng)商品化的電池有以下幾種。

堿性蓄電池日常生活中用的充電電池就屬于這類。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得多，使用恰當可以反復充放電上千次，但價格比較貴。商品電池中有鎳-鎘（Ni—Cd）和鎳-鐵（Ni-Fe）兩類，它們的電池反應是

反應是在堿性條件下進行的，所以叫堿性蓄電池。

銀-鋅電池電子手表、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“鈕扣”電池之稱。它們的電極材料是Ag2O2和Zn，所以叫銀-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-?2Ag+4OH-

電池反應：2Zn+Ag2O2+2H2O?2Zn(OH)2+2Ag

利用上述化學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。這類電池已用于宇航、火箭、特種等方面。

燃料電池氫氣（H2），甲烷氣（CH4），乙醇（C2H5OH）等物質(zhì)在氧氣（O2）中燃燒時，能將化學能直接轉化為電能，這種裝置叫燃料電池。這些氣體分子

首先在電極催化劑的作用下離子化，再與O2起反應生成CO2和H2O。這種電池能量利用率可高達80％（一般柴油發(fā)電機只有40％左右），反應產(chǎn)物的污染也少。一種10~20kW的堿性H2—O2燃料電池已成功地用于航天飛機，在美國、日本還有若干示范性的CH4-O2燃料電池發(fā)電站，但目前這類電極成本很高，氣體凈化要求也高，短期內(nèi)難于普及。

此外，銀-錳電池、鋰-碘電池、鈉-硫電池、太陽能電池等多種高效、安全、價廉的電池都在研究之中?；瘜W電源的研究和開發(fā)是化學科學的重要研究領域之一，也是能源工作者研究領域之一。