電池工作原理

電池工作原理

引言

電池?zé)o處不在——在汽車、計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、便攜式MP3播放器以及手機(jī)中都有它的身影。電池實(shí)際上是一個(gè)由大量可以生成電子的化學(xué)物質(zhì)組成的裝置，生成電子的化學(xué)反應(yīng)稱為“電化學(xué)反應(yīng)”。本文從電池的基本工作原理、電池內(nèi)部發(fā)生的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)、電池未來(lái)的發(fā)展前景以及可能會(huì)取代電池的能量源等方面對(duì)電池進(jìn)行了全面介紹。

如果你留意一下電池，便會(huì)發(fā)現(xiàn)它有兩個(gè)端子。一個(gè)端子標(biāo)記為（+）（正極），另一個(gè)端子標(biāo)記為（-）（負(fù)極）。在AA型、C型或D型電池（普通的手電筒電池）中，電池的兩端便是端子。在大型的汽車蓄電池中，有兩個(gè)較重的極柱用作端子。

電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)可生成電子，兩個(gè)端子之間流動(dòng)的電子數(shù)量取決于此化學(xué)反應(yīng)生成電子的速度（電池的內(nèi)部電阻）。電子從電池流入金屬線，并且必須從負(fù)極端子流向正極端子才會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這就是電池在閑置一年以后仍具有大量能量的原因——除非電子從負(fù)極端子流向正極端子，否則將不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)連接金屬線后，將開(kāi)始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

1800年，Alessandro Volta（伏特）發(fā)明了第一塊電池。為了制作這塊電池，他將鋅片、用鹽水浸泡過(guò)的吸墨紙和銀片交替堆疊在一起，如圖所示：

在十八世紀(jì)發(fā)電機(jī)誕生之前（發(fā)電機(jī)于十八世紀(jì)70年代誕生并得到完善），Daniell電池（另有三個(gè)別名：因鋅電極的典型形狀而得名的“Crowfoot電池”，因重力使兩種硫酸鹽分開(kāi)而得名的“重力電池”，以及因?yàn)槭褂靡后w電解質(zhì)而得名的“濕電池”，它與現(xiàn)代“干電池”正相反）是極為普遍的電報(bào)和門(mén)鈴供電裝置。Daniell電池是由銅極板和鋅極板以及硫酸銅和硫酸鋅組成的濕電池。

要制作Daniell電池，請(qǐng)將銅極板置于玻璃瓶的底部。向銅極板上倒入半瓶硫酸銅溶液。然后將鋅極板懸于瓶中（如圖所示），并慢慢將硫酸鋅溶液倒入瓶中。由于硫酸銅的密度大于硫酸鋅，因此硫酸鋅將“懸浮于”硫酸銅之上。顯而易見(jiàn)，這種方法并不適用于手電筒，但對(duì)于固定設(shè)備卻比較適合。如果你可以使用硫酸鋅和硫酸銅，則可以嘗試自制一個(gè)Daniell電池。

實(shí)驗(yàn)

如果要了解用于制作電池的電化學(xué)反應(yīng)，可以輕松地在家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以嘗試不同的組合。要準(zhǔn)確地進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，您需要在當(dāng)?shù)氐碾娮邮袌?chǎng)或硬件商店購(gòu)買(mǎi)一個(gè)廉價(jià)（10美元至20美元）的伏特-歐姆表。確保伏特-歐姆表可以顯示低電壓（位于1伏范圍內(nèi)）和低電流（位于5至10毫安范圍內(nèi)）。這樣，您便可以確切看到電池發(fā)生的反應(yīng)。

首先，可以使用硬幣和紙板自制一個(gè)伏打電堆。將鹽與水混合在一起（盡量達(dá)到飽和），并將紙板浸入鹽水中。然后將一美分硬幣和五美分硬幣交替堆疊在一起，查看電堆生成的電壓和電流讀數(shù)是多少。改變電堆的層數(shù)，并查看它對(duì)電壓的影響。節(jié)日嘗試交替堆疊一美分硬幣和十美分硬幣，并查看結(jié)果如何。也可以交替堆疊十美分硬幣和五美分硬幣。還可以嘗試使用的其他金屬包括鋁箔和鋼，而每個(gè)金屬組合都會(huì)生成略微不同的電壓。

另一個(gè)可以嘗試的實(shí)驗(yàn)需要使用嬰兒食品罐（如果你的家里沒(méi)有嬰兒，只需在商場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)幾個(gè)嬰兒食品罐，然后將其中的食品全部倒出即可）、稀酸、金屬線和釘子。向罐中倒?jié)M檸檬汁或醋（稀酸），然后將一根釘子和一根銅線放入罐中，使其互不接觸?？梢試L試使用鍍鋅釘和普通的鐵釘。然后將伏特表與釘子和銅線連接在一起，測(cè)量電壓和電流。將檸檬汁替換為鹽水，并使用其他硬幣和金屬，可以查看其對(duì)于電壓和電流的影響。

你可以制作的最簡(jiǎn)單的電池或許稱作鋅碳電池。通過(guò)了解該電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，你可以對(duì)電池的基本工作原理有所了解。

假設(shè)有一瓶硫酸（H2SO4），將鋅棒放入其中后，硫酸會(huì)立即將鋅棒溶解。隨后會(huì)看到鋅棒上生成了氫氣氣泡，此時(shí)鋅棒和硫酸將開(kāi)始變熱。下面介紹了所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：

• 硫酸分子離解為三個(gè)離子：兩個(gè)H+離子和一個(gè)SO4--離子。

• 鋅棒表面上的鋅原子失去兩個(gè)電子（2e-），變?yōu)閆n++ 離子。

• Zn++離子與SO4--離子結(jié)合生成ZnSO4，后者溶解于硫酸。

• 鋅原子失去的電子與硫酸中的氫離子結(jié)合生成H2分子（氫氣）。因此我們看到鋅棒上產(chǎn)生了氫氣泡。

• 電子流經(jīng)金屬線并與碳棒上的氫結(jié)合，因此碳棒上開(kāi)始產(chǎn)生氫氣泡。

• 熱量已經(jīng)減少?？梢允褂昧鹘?jīng)金屬線的電子為電燈泡或相似負(fù)載供電，并可以測(cè)量金屬線的電壓和電流，而某些熱能已轉(zhuǎn)化為電子移動(dòng)。

而電子很難移動(dòng)到碳棒，因?yàn)樗鼈兏菀着c碳棒上的氫結(jié)合。該電池將產(chǎn)生0.76伏的特征電壓。最終，鋅棒將完全溶解，或硫酸中的氫離子被耗光，從而使電池“耗盡”。

電池電源和使用方法

任何電池的內(nèi)部均發(fā)生相同類型的電化學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致電子從一極移動(dòng)到另一極。電池的電壓取決于實(shí)際使用的金屬和電解液——每個(gè)不同的反應(yīng)都具有一個(gè)特征電壓。例如，下面介紹了汽車鉛酸蓄電池的某個(gè)電池單元中發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)：

• 該電池單元有兩個(gè)極板，一個(gè)是鉛極板，另一個(gè)是二氧化鉛極板，兩個(gè)極板浸泡在強(qiáng)硫酸電解液中。

• 鉛與SO4結(jié)合生成PbSO4和一個(gè)電子。

• 二氧化鉛、氫離子和SO4離子以及鉛極板中的電子在二氧化鉛極板上生成PbSO4和水。

• 電池放電時(shí)，兩個(gè)極板上均生成PbSO4（硫酸鉛），而硫酸中生成水。每個(gè)電池單元的特征電壓大約為2伏，因此六個(gè)電池單元組合在一起構(gòu)成了一個(gè)12伏蓄電池。

鉛酸蓄電池有一個(gè)很好的特性，即反應(yīng)完全可逆。如果在適當(dāng)?shù)碾妷合孪螂姵爻潆?，兩個(gè)極板上將再次生成鉛和二氧化鉛，從而可以不斷地重復(fù)使用蓄電池。在鋅碳電池中，由于很難使氫氣返回到電解液中，因此很難發(fā)生逆向反應(yīng)。

現(xiàn)代電池使用各種化學(xué)物質(zhì)為反應(yīng)提供能量。典型的化學(xué)電池包括：

• 鋅碳電池——（也稱為標(biāo)準(zhǔn)碳電池）所有廉價(jià)的AA型、C型和D型干電池均使用鋅碳化學(xué)物質(zhì)。電極為鋅和碳，兩極之間采用酸性糊狀液體作為電解液。

• 堿性電池——用于常見(jiàn)的Duracell（金霸王）和Energizer（勁量）電池，電極為鋅和二氧化錳，并使用堿性電解液。

• 照相機(jī)鋰電池——照相機(jī)中的電池使用鋰、碘化鋰和碘化鉛，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁╇娪勘Ｗo(hù)。

• 鉛酸電池——用于汽車，電極為鉛和二氧化鉛，并使用強(qiáng)酸電解液（可充電）。

• 鎳鎘電池——電極為氫氧化鎳和鎘，并使用氫氧化鉀作為電解液（可充電）。

• 鎳金屬氫化物電池——此類電池將很快取代鎳鎘電池，因?yàn)榍罢卟淮嬖谟洃浶?yīng)，而后者卻存在（可充電）。

• 鋰離子電池——由于具備極佳的功率重量比，因此此類電池通常用于高端筆記本電腦和手機(jī)（可充電）。

• 鋅空氣電池——此類電池重量輕，并可以充電。

• 鋅汞電池——此類電池通常用于助聽(tīng)器。

• 鋅銀電池——由于具備良好的功率重量比，因此此類電池用于航空航天設(shè)備。

• 金屬氯化物電池——此類電池用于電動(dòng)車。

在幾乎所有使用電池的設(shè)備中，你都不可能一次僅使用一個(gè)電池單元。通常需要將電池單元串聯(lián)在一起形成更高的電壓，或?qū)⑵洳⒙?lián)在一起形成更高的電流。使用串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以增加電壓。使用并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以增加電流。下圖顯示了這兩種結(jié)構(gòu)：

上面的結(jié)構(gòu)稱為“并聯(lián)”結(jié)構(gòu)。如果假設(shè)每個(gè)電池單元生成1.5伏電壓，則四個(gè)并聯(lián)電池也將生成1.5伏電壓，但提供的電流卻為單個(gè)電池單元的四倍。下面的結(jié)構(gòu)稱為“串聯(lián)”結(jié)構(gòu)。四個(gè)電壓加在一起將生成6伏電壓。

通常情況下，當(dāng)你購(gòu)買(mǎi)電池包時(shí)，包裝上會(huì)顯示電池的額定電壓和額定電流。例如，我的數(shù)碼相機(jī)使用四節(jié)鎳鎘電池，每個(gè)電池單元的額定電壓為1.25伏，額定電流為500毫安時(shí)，額定毫安時(shí)表示電池理論上可以在一小時(shí)內(nèi)生成500毫安的電流。您可以將額定的毫安時(shí)劃分為多種不同的形式，一個(gè)500毫安時(shí)的電池可以在100小時(shí)內(nèi)生成5毫安電流，在50小時(shí)內(nèi)生成10毫安電流、在20小時(shí)內(nèi)生成25毫安電流，或（在理論上）在1小時(shí)內(nèi)生成500毫安電流，甚至在30分鐘內(nèi)生成1,000毫安電流。

但電池并不具備如此高的線性。首先，所有電池都有一個(gè)額定的最大電流——一個(gè)500毫安時(shí)的電池?zé)o法在1秒內(nèi)生成30,000毫安電流，原因是該電池的化學(xué)反應(yīng)無(wú)法在如此短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生，并且在更高的電流強(qiáng)度下，電池會(huì)生成大量熱量，從而損失了某些能量。此外，在極低的電流強(qiáng)度下，許多化學(xué)電池的壽命可能會(huì)比預(yù)期的壽命長(zhǎng)或短。但在通常的使用范圍內(nèi)，可以對(duì)額定毫安時(shí)進(jìn)行一定程度的線性劃分。使用額定的毫安時(shí)，可以粗略估計(jì)電池在給定負(fù)載下的持續(xù)供電時(shí)間。

如果將四個(gè)1.25伏、500毫安時(shí)的電池串聯(lián)在一起，則最終的電壓為5伏(1.25x4)，電流為500毫安時(shí)；如果將這四個(gè)電池并聯(lián)在一起，則最終的電壓將為1.25伏，電流為2,000（500x4）毫安時(shí)。

您是否見(jiàn)過(guò)普通9伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)？

制造商警告不要拆卸電池，以免造成人身傷害。此處顯示了一個(gè)部分拆卸的 9 伏電池。

該電池包含6個(gè)非常小的電池，每個(gè)電池在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中可以生成1.5伏電壓！