關(guān)于實(shí)用性電池的系列問題

王篤年(特級(jí)教師)

問題1化學(xué)電池的電壓高低、電流大小以及電容量多少取決于什么因素?

電池的輸出電壓高低、放電電流大小、使用壽命長(zhǎng)短等,是電池設(shè)計(jì)、制造者首先要考慮的問題．

電池的輸出電壓高低,首先取決于電池的電動(dòng)勢(shì)大?。姵氐碾妱?dòng)勢(shì)即兩極的電勢(shì)差[正極的電極電位減去負(fù)極的電極電位(φ正-φ負(fù)),如標(biāo)準(zhǔn)銅鋅電池的電動(dòng)勢(shì)E=φ(Cu2+/Cu)-φ(Zn2+/Zn)=0.34 V-(-0.76 V)=1.10 V]．而正極氧化態(tài)(Cu2+)的氧化性越強(qiáng)其電極電勢(shì)越高,負(fù)極還原態(tài)(Zn)的還原性越強(qiáng)其電極電勢(shì)越低．為提高電池的電壓,在條件允許的情況下,我們要盡可能選擇那些氧化性強(qiáng)的物質(zhì)與還原性強(qiáng)的物質(zhì)分別作電池的正負(fù)極材料．

在電池電動(dòng)勢(shì)一定的情況下,電池的內(nèi)電阻也會(huì)影響輸出電壓．故在電極材料一定的情況下,要盡量設(shè)法減小電池的內(nèi)阻,如縮短鹽橋(更改為膜)、提高電解質(zhì)的導(dǎo)電性、讓電池在合理的溫度區(qū)間工作等．因化學(xué)電池的電動(dòng)勢(shì)受兩極反應(yīng)物電極電位的局限,單個(gè)電池的輸出電壓往往較低,實(shí)際使用中為提高輸出電壓,一般采取多組電池串聯(lián)的方法．如新能源電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電池,往往需要把幾百個(gè)電池串聯(lián)起來使用．

電池放電電流大小,取決于電池工作時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的速率快慢．過去的普通鋅錳電池,負(fù)極使用鋅皮,雖然做了一些特殊的處理(內(nèi)表面涂有汞),但反應(yīng)仍然局限在面積有限的鋅皮表面,故放電電流較小;目前的鋅錳堿性電池大都采用鋅粉,使固體反應(yīng)物的比表面積提高了很多,所以放電電流比傳統(tǒng)鋅錳電池大．再如鉛酸蓄電池,為增大放電電流,會(huì)盡可能把正負(fù)極的鉛板面積做得大一些,讓它們相互套疊在一起．

電池的電容量取決于正負(fù)極材料的多少,這在一定程度上也決定了電池的使用壽命．氫氧燃料電池都是采取外儲(chǔ)式結(jié)構(gòu)——將耗材H2、O2儲(chǔ)存在電池之外的容器內(nèi),隨時(shí)可更換,可以保證電池長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作．

問題2電池放電過程中,電壓、電流都在不斷下降，電池電動(dòng)勢(shì)是否改變?

會(huì)變．還是以銅鋅電池為例:E=φ(Cu2+/Cu)-φ(Zn2+/Zn)簡(jiǎn)要說明．

電池放電過程中,在Cu、Zn電極材料的表面積變化不太大的情況下,電池電動(dòng)勢(shì)與Cu2+、Zn2+的濃度有關(guān)．在銅電極一邊,隨著溶液里Cu2+的不斷還原，濃度下降,正極的電極電勢(shì)會(huì)緩慢降低;在鋅電極一邊,隨著Zn的氧化,溶液里Zn2+濃度逐漸增大,負(fù)極的電極電勢(shì)會(huì)逐漸升高,那么E=φ(Cu2+/Cu)-φ(Zn2+/Zn)的值就會(huì)減?。锢砘瘜W(xué)中,可以運(yùn)用能斯特方程定量計(jì)算Cu2+、Zn2+濃度的變化導(dǎo)致電池電動(dòng)勢(shì)變化的具體值(有興趣的同學(xué)可在課余時(shí)間自行深入學(xué)習(xí))．通過計(jì)算可知,對(duì)于銅鋅電池而言,短時(shí)間內(nèi)因離子濃度變化導(dǎo)致的電動(dòng)勢(shì)改變幅度不太大．這也是為什么一般情況下電池可持續(xù)穩(wěn)定供電的原因．

問題3酸性電池里怎么會(huì)產(chǎn)生MnO(OH)這種物質(zhì)?能夠觀察到嗎?為什么不寫成Mn2O3?

這是鋅錳酸性電池內(nèi)的一個(gè)現(xiàn)象．顯然提出該問題的同學(xué)認(rèn)為MnO(OH)具有堿性,不應(yīng)該出現(xiàn)在酸性介質(zhì)的電池里．

首先,MnO(OH)不一定具有明顯的堿性,一種元素的氧化物(氫氧化物)呈酸性還是堿性,與其化合價(jià)(氧化數(shù))有關(guān),Mn元素就是一個(gè)典型的實(shí)例．Mn處于低價(jià)態(tài)時(shí)的MnO明顯屬于堿性氧化物;而Mn2O7是高錳酸的酸酐,具有酸性;Mn元素為+4價(jià)時(shí)的MnO2也屬于偏酸性的氧化物．所以說,即使+3價(jià)Mn的氧化物具有堿性,其堿性也是很弱很弱的．其次,所謂鋅錳酸性電池,其介質(zhì)并非強(qiáng)酸,而是通過水解作用顯酸性的NH4Cl等,酸性較弱．而極弱的酸與極弱的堿之間是不易發(fā)生中和反應(yīng)的．

理論上講,Mn2O3、MnO(OH)的酸堿性是一致的,因?yàn)槠渲蠱n元素的氧化數(shù)均為+3．早期人們也把MnO2的還原產(chǎn)物寫作Mn2O3,也許是因?yàn)楹髞矸治霭l(fā)現(xiàn)其中含有OH(比如將正極產(chǎn)物高溫灼燒會(huì)釋放出水蒸氣),才改寫為MnO(OH)形式的．

問題4為什么電池負(fù)極都用鋅，用鐵、鋁不行嗎?(鋁的還原性比鋅強(qiáng),而且可能也比鋅便宜)

很多電池采用鋅為負(fù)極材料,這首先是一個(gè)歷史沿襲問題．因?yàn)殇\屬于比較容易冶煉的活潑金屬,可以用碳還原法冶煉,價(jià)格比較便宜且電池電壓相對(duì)較高．而鐵的電極電勢(shì)比鋅要略高,不太適合用作負(fù)極(未必不能喲),因?yàn)闀?huì)導(dǎo)致電池的電壓下降．

鋁是很晚才被大規(guī)模冶煉的金屬,而且因采用電解冶煉,成本較高．所以人們一直沿用鋅作負(fù)極的傳統(tǒng)．至于目前不怎么使用鋁替代鋅,是否還有其他方面的原因(比如表面鈍化等問題),就不得而知了．

近些年來,隨著電池理論及有關(guān)物理、化學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電池材料也在不斷發(fā)展變化．尤其是金屬材料中的Li,因其比能量大[7 g Li完全反應(yīng)即可釋放 1 mol電子的電量(96 500 C)]且電極電勢(shì)很低(可制作輸出電壓更大的電池),所以被越來越多地采用．

問題5電池的氣孔有什么作用?

答案是“為了安全”．普通的一次性電池大多使用的是含水電解質(zhì),電池工作過程中,必然伴隨著熱量的釋放(根據(jù)熱力學(xué)第二定律,化學(xué)能到電能之間的能量轉(zhuǎn)化率不會(huì)達(dá)到100%,必然有能量損耗,此損耗的能量即以熱量的形式呈現(xiàn))，溫度上升,內(nèi)部的水分便會(huì)汽化,導(dǎo)致電池內(nèi)部壓強(qiáng)增大．如果沒有氣孔,電池可能會(huì)鼓脹,導(dǎo)致電極與電解質(zhì)接觸面減小,內(nèi)阻增大,損壞電池．如果是充電電池,氣孔就更必不可少,因?yàn)槌潆娝俣纫话惚确烹姼?產(chǎn)生熱量會(huì)更多、更迅速．

另外,在水性電池里,也不排除電池連續(xù)放電過程中因發(fā)生副反應(yīng)而產(chǎn)生少量H2的可能性．即使不含水的電池,只要內(nèi)部有液體類物質(zhì)(做溶劑),也必須留有氣孔，道理與含水電池是一致的．

問題6為什么電池長(zhǎng)期不用要取出來?

這應(yīng)該算是一個(gè)“歷史遺留”問題．就和炮兵開炮時(shí)須有2人站立旁邊(據(jù)說來自古代用馬拉炮車需要有2人拉住馬防止其受炮聲刺激而受驚)差不多的問題．較早普及使用的電池是鋅錳酸性電池,電解質(zhì)是糊狀的NH4Cl,即使在外電路沒有接通的情況下,此電解質(zhì)也會(huì)與鋅皮接觸緩慢反應(yīng),慢慢將鋅皮腐蝕,一旦破損成孔,酸性電解質(zhì)則會(huì)由此滲出腐蝕用電器，因此電池長(zhǎng)期不用要取出來．

現(xiàn)在我國廣泛使用的堿性電池為鋼制外殼,它不與電池內(nèi)部的電解質(zhì)接觸(即使接觸也很難發(fā)生反應(yīng)),也就不存在漏液?jiǎn)栴}了．而在電器設(shè)備上標(biāo)注“長(zhǎng)期不用需將電池取出”已經(jīng)成為“行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”,估計(jì)短時(shí)間內(nèi)還不會(huì)取消．

問題7燃料電池內(nèi)是否會(huì)出現(xiàn)高溫?燃料電池的電極材料是什么?

燃料電池就是把燃料及助燃劑內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,只要設(shè)計(jì)合理,在工作過程中應(yīng)該不會(huì)產(chǎn)生高溫．

能量是守恒的，燃料燃燒釋放的化學(xué)能=電能+熱能,如果燃料電池工作中產(chǎn)生高溫現(xiàn)象,那么它的發(fā)電量就只能降低.顯然我們不希望這樣,所以電池設(shè)計(jì)者都會(huì)想方設(shè)法將盡可能多的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,減少能量損失．當(dāng)然,根據(jù)熱力學(xué)第二定律,化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過程中,必然會(huì)有部分能量轉(zhuǎn)化為熱能,通過精準(zhǔn)的計(jì)算和精巧的設(shè)計(jì),可以將其降到最低．

目前實(shí)用性的燃料電池主要是氫氧電池．以碳元素呈負(fù)價(jià)的烴類、醇類等為燃料的電池基本還沒有進(jìn)入實(shí)用階段．氫氧燃料電池中,關(guān)鍵的組件大概就是電極材料了．雖然電極材料的詳細(xì)組成大都屬于商業(yè)機(jī)密,但有一些成分是公開的,比如鎳、鈀、鉑等第Ⅷ族(周期表第10列)金屬材料．長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)證明,鎳、鈀、鉑等金屬對(duì)于H2、O2具有很好的吸附能力,H2、O2分子被吸附在這些金屬表面后,其分子內(nèi)原本很牢固的共價(jià)鍵會(huì)被適當(dāng)削弱,變得活潑,易于發(fā)生電極反應(yīng)．當(dāng)然,鎳、鈀、鉑等金屬比較稀少、貴重,如何在不降低電極活性的情況下,減少其用量,也是重要的研究課題．

問題8制作水果電池是否一定要用酸性水果?

盡管絕大多數(shù)水果都呈酸性,但理論上講,制作水果電池未必一定要用酸性的水果．因?yàn)榻饘倏梢酝ㄟ^發(fā)生吸氧腐蝕的途徑氧化,只要電極材料選擇合理(比如Zn、Cu),一切含電解質(zhì)的水果,都可以用來制作水果電池．土豆、白菜等不帶有明顯酸味的蔬菜也可以替代水果制作電池．感興趣的同學(xué)不妨一試．

問題9某品牌電池的 “聚能環(huán)”是利用了什么原理?

嚴(yán)格說,“聚能環(huán)”只是一個(gè)商業(yè)概念．仔細(xì)研究可以發(fā)現(xiàn),那只是一個(gè)小小的環(huán)狀塑料片,它起的作用就是把電池的正極、負(fù)極隔離開來,防止自放電現(xiàn)象的發(fā)生．如果非要“講點(diǎn)道理”出來,過去電池里承擔(dān)此作用(隔開正負(fù)極)的一般是較厚的紙張(牛皮紙),紙具有一定的吸水性,若遇潮濕環(huán)境,正負(fù)極之間的絕緣性會(huì)略差一點(diǎn)．更換為塑料片后,絕緣性有所增強(qiáng)，可以更好地防止電池的自放電．

問題10PbSO4導(dǎo)電嗎?鉛蓄電池放電過程中PbSO4的形成會(huì)不會(huì)對(duì)電池反應(yīng)造成不好的影響?

PbSO4不導(dǎo)電,這是為什么鉛酸電池過度放電(產(chǎn)生較厚的PbSO4層)后會(huì)充不進(jìn)電的根本原因．所以使用鉛酸電池必須注意這一點(diǎn),不能讓其一直放電以防止其“放不出電”．

對(duì)于鉛酸電池而言,開始放電階段也會(huì)產(chǎn)生薄層的PbSO4,導(dǎo)致電極表面電阻有所變大,隨著放電反應(yīng)的進(jìn)行,PbSO4越來越厚,電阻越來越大,放電電流逐漸減?。捎阢U板的總表面積較大,不至于一下子就絕緣斷電．現(xiàn)在的新型電池都增加了自我保護(hù)設(shè)計(jì),設(shè)置了最低電流保護(hù)系統(tǒng),一旦放電電流小于規(guī)定值,系統(tǒng)會(huì)指示電池自動(dòng)斷電,以防止充不了電的現(xiàn)象發(fā)生．

過去的汽車就常常因熄火后忘記關(guān)閉大燈,結(jié)果導(dǎo)致鉛酸電池?fù)p壞．現(xiàn)在，電腦技術(shù)引入到汽車設(shè)計(jì)中,一般情況下車子熄火后幾分鐘內(nèi)會(huì)自動(dòng)斷電,因此，熄火后忘記關(guān)燈這種情況一般就不會(huì)發(fā)生了．

問題11為什么一次性電池不允許充電?電池能不能充電取決于什么?

化學(xué)電池都是由于在兩極發(fā)生氧化還原反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)放電或者充電的,只要設(shè)計(jì)得當(dāng),一個(gè)氧化還原反應(yīng)進(jìn)入電池系統(tǒng)后,可以擔(dān)當(dāng)起“充電放電”功能．

電池可不可以充電,與電池的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)密切相關(guān)．因?yàn)槌潆娺^程相對(duì)于放電而言一般反應(yīng)較快,充電的本質(zhì)是用外加直流電對(duì)電池裝置進(jìn)行電解．有的電池電解時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣體,導(dǎo)致內(nèi)部壓力增大,會(huì)發(fā)生爆炸危險(xiǎn);另外，所有充電過程理論上都伴隨著熱量的產(chǎn)生,也可能導(dǎo)致電池內(nèi)部水分或其他液體的揮發(fā)膨脹,導(dǎo)致危險(xiǎn)發(fā)生．

二次電池在設(shè)計(jì)和制造方面,就充分考慮了以上充電過程可能發(fā)生的現(xiàn)象,不易造成危險(xiǎn)．那么,為什么不把所有電池都設(shè)計(jì)為二次電池呢?

有些反應(yīng)正向反應(yīng)比較容易控制,逆向則未必容易控制．比如產(chǎn)生氣體的反應(yīng),放電時(shí)若生成氣體,要想設(shè)計(jì)為二次電池則必須儲(chǔ)存這些氣體,這需要很大的容器,導(dǎo)致電池的體積很大．另外,有些反應(yīng)設(shè)計(jì)為二次電池時(shí),充放電的次數(shù)也許不會(huì)很多,從制造成本看就不值得．

問題12電池不是生物,還需要“休息”嗎?為什么電池連續(xù)使用一段時(shí)間“沒有電了”,關(guān)機(jī)讓它“休息”一會(huì)兒會(huì)“又有電”呢?

電池“沒有電”了,一般并不是真正不放電了,只是由于短時(shí)間內(nèi)連續(xù)使用,內(nèi)阻增大而導(dǎo)致輸出電壓下降．電池內(nèi)阻增大的原因是什么呢?有時(shí)是由于電極表面連續(xù)發(fā)生放電反應(yīng),電解質(zhì)中的離子(或其他活性成分)來不及向電極表面擴(kuò)散,導(dǎo)致暫時(shí)“斷供”;有時(shí)則是因?yàn)檫B續(xù)放電產(chǎn)生氣體,這些氣體以極其細(xì)小的氣泡形式附著在電極表面,使電極極化,增大了內(nèi)阻．

上述兩種情況,顯然可以通過斷電“休息”解決——電解質(zhì)粒子擴(kuò)散均需要時(shí)間,電極表面小氣泡也可擴(kuò)散開來(也有可能被氧化、還原吸收掉),這些作用的結(jié)果就是減小電池的內(nèi)阻,于是電池輸出電壓稍微有所增大,即“再次有電”了．不過,經(jīng)驗(yàn)告訴我們,一旦出現(xiàn)此類現(xiàn)象,電池就快要徹底沒電了,需要趕緊充電或者更換．