化学电源

化学电源又称电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用。

化学电池使用面广，品种繁多，按照其使用性质可分为二类：干电池、蓄电池、燃料电池。按电池中电解质性质分为：碱性电池、酸性电池、中性电池。

一、干电池

干电池也称一次电池，即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。常用的有锌锰干电池、锌汞电池、镁锰干电池等。

锌锰干电池是日常生活中常用的干电池，其结构如右图所示：

正极材料：MnO2、石墨棒

负极材料：锌片

电解质：NH4Cl、ZnCl2及淀粉糊状物

电池符号可表示为

（－） Zn｜ZnCl2、NH4Cl（糊状）‖MnO2｜C（石墨） （＋）

负极：Zn＝Zn2＋＋2e

正极：2MnO2＋2NH4＋＋2e＝Mn2O3＋2NH3＋H2O

总反应：Zn＋2MnO2＋2NH4＋＝2Zn2＋＋Mn2O3＋2NH3＋H2O

锌锰干电池的电动势为1.5V。因产生的NH3气被石墨吸附，引起电动势下降较快。如果用高导电的糊状KOH代替NH4Cl，正极材料改用钢筒，MnO2层紧靠钢筒，就构成碱性锌锰干电池，由于电池反应没有气体产生，内电阻较低，电动势为1.5V，比较稳定。

二、蓄电池

蓄电池是可以反复使用、放电后可以充电使活性物质复原、以便再重新放电的电池，也称二次电池。其广泛用于汽车、发电站、火箭等部门。由所用电解质的酸碱性质不同分为酸性蓄电池和碱性蓄电池。

（－）酸性铅蓄电池

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铝的铅锑合金格板做正极，两组格板相间浸泡在电解质稀硫酸中，放电时，电极反应为：

负极：Pb＋SO42－＝PbSO4＋2e

正极：PbO2＋SO42－十4H＋＋2e＝PbSO4＋2H2O

总反应：Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4十2H2O

放电后，正负极板上都沉积有一层PbSO4，放电到一定程度之后又必须进行充电，充电时用一个电压略高于蓄电池电压的直流电源与蓄电池相接，将负极上的PbSO4还原成Pb，而将正极上的PbSO4氧化成PbO2，充电时发生放电时的逆反应：

阴极：PbSO4＋2e＝Pb＋SO42－

阳极：PbSO4＋2H2O＝PbO2＋SO42－＋4H＋＋2e

总反应：2PbSO4＋2H2O＝Pb＋PbO2＋H2SO4

正常情况下，铅蓄电池的电动势是2.1V，随着电池放电生成水，H2SO4的浓度要降低，故可以通过测量H2SO4的密度来检查蓄电池的放电情况。铅蓄电池具有充放电可逆性好、放电电流大、稳定可靠、价格便宜等优点，缺点是笨重，常用作汽车和柴油机车的启动电源，坑道、矿山和潜艇的动力电源，以及变电站的备用电源。

（二）碱性蓄电池

日常生活中用的充电电池就属于这类。它的体积、电压都和干电池差不多，携带方便，使用寿命比铅蓄电池长得多，使用信当可以反复充放电上千次，但价格比较贵。商品电池中有镍－镉（Ni－Cd）和镍一铁（Ni－Fe）两类，它们的电池反应是：

Cd＋2NiO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Cd(OH)2

Fe＋2NaO(OH)＋2H2O 2Ni(OH)2＋Fe(OH)2

反应是在碱性条件下进行的，所以叫碱性蓄电池。

三、新型燃料电池

燃料电池与前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。燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置，能量转化率高，可达80%以上，而一般火电站热机效率仅在30％～40％之间。燃料电池具有节约燃料、污染小的特点。

燃料电池以还原剂（氢气、煤气、天然气、甲醇等）为负极反应物，以氧化剂（氧气、空气等）为正极反应物，中燃料极、空气极和电解质溶液构成。电极材料多采用多孔碳、多孔镍、铂、钯等贵重金属以及聚四氟乙烯，电解质则有碱性、酸性、熔融盐和固体电解质等数种。

以碱性氢氧燃料电池为例，它的燃料极常用多孔性金属镍，用它来吸附氢气。空气极常用多孔性金属银，用它吸附空气。电解质则由浸有KOH溶液的多孔性塑料制成，其电池符号表示为：

Ni｜H2｜KOH（30％）｜O2｜Ag

负极反应：2H2＋4OH－＝4H2O＋4e

正极反应：O2＋2H2O＋4e＝4OH－

总反应：2H2＋O2＝2H2O

电池的工作原理是：当向燃料极供给氢气时，氢气被吸附并与催化剂作用，放出电子而生成H＋，而电子经过外电路流向空气极，电子在空气极使氧还原为OH－，H＋和OH－在电解质溶液中结合成H2O。氢氧燃料电池的标准电动势为1.229V。

氢氧燃料电池目前已应用于航天、军事通讯、电视中继站等领域，随着成本的下降和技术的提高，可望得到进一步的商业化作用。

四、海洋电池

1991年，我国首创以铝－空气－海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源。海洋电池彻底改变了以往海上航标灯两种供电方式：一是一次性电池，如锌锰电池、锌银电池、锌空（气）电池等。这些电池体积大，电能低，价格高。二是先充电后给电的二次性电源，如铅蓄电池，镍镉电池等。这种电池要定期充电，工作量大，费用高。

海洋电池，是以铝合金为电池负极，金属（Pt、Fe）网为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。我们知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，为获得这部分氧，科学家把正极制成仿鱼鳃的网状结构，以增大表面积，吸收海水中的微量溶解氧。这些氧在海水电解液作用下与铝反应，源源不断地产生电能。两极反应为：

负极：（Al）：4Al－12e＝4Al3＋

正极：（Pt或Fe等）：3O2＋6H2O十12e＝12OH－

总反应式：4Al＋3O2十6H2O＝4Al(OH)3↓

海洋电池本身不含电解质溶液和正极活性物质，不放入海洋时，铝极就不会在空气中被氧化，可以长期储存。用时，把电池放入海水中，便可供电，其能量比干电池高20～50倍。

电池设计使用周期可长达一年以上，避免经常交换电池的麻烦。即使更换，也只是换一块铝板，铝板的大小，可根据实际需要而定。

海洋电池没有怕压部件，在海洋下任何深度都可以正常了作。海洋电池，以海水为电解质溶液，不存在污染，是海洋用电设施的能源新秀。

五、高能电池

具有高“比能量”和高“比功率”的电池称为高能电池。所谓“比能量”和“比功率”是指控电池的单位质量或单位体积计算电池所能提供的电能和功率。高能电池发展快、种类多。

（－）银一锌电池

电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫安级的，它们所用的电池体积很小，有“纽扣”电池之称。它们的电极材料是Ag2O2和Zn，所以叫银一锌电池。电极反应和电池反应是：

负极：2Zn＋4OH－＝2Zn(OH)2＋4e

正极：Ag2O2＋2H2O＋4e＝Ag＋4OH－

电池反应：2Zn＋Ag2O2＋2H2O＝2Zn(OH)2＋2Ag

利用上述化学反应也可以制作大电流的电池，它具有质量轻、体积小等优点。这类电池已用于宇航、火箭、潜艇等方面。

（二）锂－二氧化锰非水电解质电池

以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂一二氧化锰非水电解质电池，这种电池以片状金属及为负极，电解活性MnO2作正极，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有机溶剂作为电解质溶液，以聚丙烯为隔膜，电池符号可表示为：

Li｜LiClO4｜MnO2｜C（石墨）

负极反应：Li＝Li＋＋e

正极反应：MnO2＋Li＋＋e＝LiMnO2

总反应：Li＋MnO2＝LiMnO2

该种电池的电动势为2.69V，重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电1000次后仍能维持其能力的90％，贮存性能好，已广泛用于电子计算机、手机、无线电设备等。

（三）钠＋硫电池

它以熔融的钠作电池的负极，熔融的多硫化钠和硫作正极，正极物质填充在多孔的碳中，两极之间用陶瓷管隔开，陶瓷管只允许Na＋通过。放电分二步进行：

第一步放电

负极：Na＝Na＋＋e

正极：2Na＋＋5S＋2e＝Na2S5（l）

总反应：2Na＋5S＝Na2S5（l）

负极上生成的Na＋通过陶瓷管，进入正极与硫进行作用，生成Na2S5，使正极成为S和Na2S5现混合物，直到将破全部转化成Na2S5为止，当正极的硫被消耗完之后转为第二步放电反应。

第二步放电

负极：2Na＝2Na＋2e

正极：2Na＋＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l）

总反应：2Na＋4Na2S5＋2e＝5Na2S4（l）

当Na2S5作用完后，电池放电转入后期工作。

第三步放电

负极：2Na＝2Na＋2e

正极：2Na＋Na2S4＋2e＝2Na2S2（l）

总反应：2Na＋Na2S4＝N a2S2（l）

钠－硫电池的电动势为2.08V，可作为机动车辆的动力电池。为使金属钠和多硫化钠保持液态，放电过程应维持在300℃左右。