化学电池,化学电池原理

化学电池原理

化学电池工作原理常用化学电池一般由溶液硫酸、锌棒、碳棒构成,那么电池工作时内部到底发生了什么变化,外部导体又发生了什么变化,电流到底是什么?下面就从这个方面叙述一下化学电池工作的全过程。首先我们可以确定碳棒无论在什么状态下它的性质都没有改变,可溶液硫酸和锌棒就不同了,它们因电性不同(锌正酸负)相互渗入,但相互渗入前它们之间必须有空隙可钻,否则溶液硫酸是不可能渗出锌原子的。那么锌体空隙怎么形成,这就存在核旋问题,只有旋才能使锌体有隙可钻。锌与溶液硫酸相比比重大,则相比它为正电性,当它们之间靠近时在异性电场引力下紧密相靠,在靠的同时由于两者核旋速很高则发生碰撞,碰撞的结果使原子核旋速变低,原子体积变小锌体原子间共用电子关系被破坏(溃解)。上面锌体有了空隙,则它们就可以相互渗入,在渗入时锌原子向溶液硫酸方向跃动,溶液硫酸原子向锌体方向跃动。当有导线相通时相互渗入能力加强就在导体中产生电流(核振波),无导体相通时渗入能力弱,相互渗入的结果就是酸锌溶液,可碳棒还是碳棒没有变化,它只起到控制渗入速度。电池内部气泡是原子碰撞发热结果,因发热可使一些成份变成气体。在这里产生的电流是直流电,也就是导线中的原子核在溶液硫酸和锌棒相互渗入时的原子跃动作用下被动单向跃动(前进方向强,回退方向弱),最终结果导体中的原子核和电子都没有离开原子,只是核或电子在振动,可溶液硫酸和锌棒中的原子确发生了移位相互渗入混合了,在这一过程中它们不但相互混合,而且消耗大量的原子核旋能,这也是为什么化学电池中的锌和硫不能全部回收利用的根本。
化学电池的本质是什么

以下是书上查的:
将化学能直接转变为电能的装置。主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。依据能否充 电复原,分为原电池和蓄电池两种
  化学电池的种类
  化学电池按工作性质可分为:一次电池(原电池);二次电池(可充电电池);铅酸蓄电池。其中:一次电池可分为:糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。二次电池可分为:镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。铅酸蓄电池可分为:开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。
  1.锌-锰干电池
  锌-锰电池又称勒兰社(Leclanche)电池,是法国科学家勒兰社(Leclanche)于1868年发明的由锌(Zn)作负极,二氧化锰(MnO2)为正极,电解质溶液采用中性氯化铵(NH4Cl)、氧化锌(ZnCl2)的水溶液,面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池,由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态,故又称锌锰干电池。按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种,板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种。
  干电池用锌制筒形外壳作负极,位于中央的顶盖上有铜帽的石墨棒作正极,在石墨棒的周围由内向外依次是A:二氧化锰粉末(黑色)——用于吸收在正极上生成的氢气(以防止产生极化现象);B:用饱和了氯化铵和氯化锌的淀粉糊作为电解质溶液。
  电极反应式为:负极(锌筒):Zn – 2e- === Zn2+
  正极(石墨):2NH4+ + 2e – === 2NH3 ↑+ H2↑
  H2 + 2MnO2 === Mn2O3 + H2O
  总反应:Zn + 2NH4+ + 2MnO2 === Zn2+ + 2NH3 + Mn2O3 + H2O
  干电池的电压大约为1.5V,不能充电再生。
  2.碱性锌锰电池
  20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的,是锌锰电池的改进型。电池使用氢氧化钾(KOH)或氢氧化钠(NaOH)的水溶液做电解质液,采用了与锌锰电池相反的负极结构,负极在内为膏状胶体,用铜钉做集流体,正极在外,活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接,正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。
  3.铅酸蓄电池
  1859年法国普兰特(Plante)发现,由正极板、负极板、电解液、隔板、容器(电池槽)等5个基本部分组成。用二氧化铅作正极活性物质,铅作负极活性物质,硫酸作电解液,微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。
  铅蓄电池可放电也可以充电,一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳(防止酸液的泄漏);设有多层电极板,其中正极板上有一层棕褐色的二氧化铅,负极是海绵状的金属铅,正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板隔开(以防止电极之间发生短路);两极均浸入到硫酸溶液中。放电时为原电池,其电极反应为:
  负极:Pb + SO42-- 2e - === PbSO4
  正极:PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e -=== PbSO4 + 2H2O
  总反应式为:Pb + PbO2 + 2H2SO4 ====== 2PbSO4 + 2H2O
  当放电进行时,硫酸溶液的的浓度将不断降低,当溶液的密度降到1.18g/ml 时应停止使用进行充电,充电时为电解池,其电极反应如下:
  阳极:PbSO4 + 2H2O- 2e - === PbO2 + 4H+ + SO42-
  阴极:PbSO4 + 2e -=== Pb + SO42-
  总反应式为:2PbSO4 + 2H2O ====== Pb + PbO2 + 2H2SO4
  当溶液的密度升到1.28g/ml时,应停止充电。
  上述过程的总反应式为:
  放电
  Pb + PbO2 + 2H2SO4 ====== 2PbSO4 + 2H2O
  充电
  4.银锌电池
  一般用不锈钢制成小圆盒形,圆盒由正极壳和负极壳组成,形似纽扣(俗称纽扣电池)。盒内正极壳一端填充由氧化银和石墨组成的正极活性材料,负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料,电解质溶液为KOH浓溶液。电极反应式如下:
  负极:Zn + 2OH- -2e-=== ZnO + H2O
  正极:Ag2O + H2O + 2e- === 2Ag + 2OH-
  电池的总反应式为:Ag2O + Zn ====== 2Ag + ZnO
  电池的电压一般为1.59V,使用寿命较长。
  5.镉镍电池和金属氢化物电池
  二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极,以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液,金属镉或金属氢化物作负极。金属氢化物电池为20世纪80年代末,利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成,是小型二次电池主导产品。
  6.锂电池
  指以金属锂或锂的化合物作活性物质的电池通称锂电池,分为一次锂电池和二次锂电池。
  7.锂离子电池
  指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极,锂的化合物作正极,混合电解液作电解质液制成的电池。
  8.氢氧燃料电池
  这是一种高效、低污染的新型电池,主要用于航天领域。其电极材料一般为活化电极,具有很强的催化活性,如铂电极、活性碳电极等。电解质溶液一般为40%的KOH溶液。电极反应式如下:
  负极:2H2 + 4OH- -4e-=== 4H2O
  正极:O2 + 2H2O + 4e-=== 4OH-
  总反应式:2H2 + O2 === 2H2O
  9.熔融盐燃料电池
  这是一种具有极高发电效率的大功率化学电池,在加拿大等少数发达国家己接近民用工业化水平。按其所用燃料或熔融盐的不同,有多个不同的品种,如天然气、CO、—熔融碳酸盐型、熔融磷酸盐型等等,一般要在一定的高温下(确保盐处于熔化状态)才能工作。
  下面以CO—Li2CO3 + Na2CO3—空气与CO2型电池为例加以说明:
  负极反应式:2CO + 2CO32--4e- === 4CO2
  正极反应式:O2 + 2CO2 + 4e-=== 2CO32-
  总反应式为:2CO + O2 === 2CO2
  该电池的工作温度一般为6500C
  10.海水电池
  1991年,我国科学家首创以铝—空气—海水为材料组成的新型电池,用作航海标志灯。该电池以取之不尽的海水为电解质,靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。其电极反应式如下:
  负极:4Al – 12e- === 4Al3+
  正极:3O2 + 6H2O + 12e- === 12OH-
  总反应式为:4Al + 3O2 + 6H2O === 4Al(OH)3
  这种电池的能量比普通干电池高20—50倍!
  新型化学电池
  (1碱性氢氧燃料电池
  这种电池用30%-50%KOH为电解液,在100°C以下工作。燃料是氢气,氧化剂是氧气。其电池图示为 (―)C|H2|KOH|O2|C(+)
  电池反应为 负极 2H2 + 4OH―4e=4H2O 正极 O2 + 2H2O + 4e=4OH
  总反应 2H2 + O2=2H2O
  碱性氢氧燃料电池早已于本世纪60年代就应用于美国载人宇宙飞船上,也曾用于叉车、牵引车等,但其作为民用产品的前景还评价不一。否定者认为电池所用的电解质KOH很容易与来自燃料气或空气中的CO2反应,生成导电性能较差的碳酸盐。另外,虽然燃料电池所需的贵金属催化剂载量较低,但实际寿命有限。肯定者则认为该燃料电池的材料较便宜,若使用天然气作燃料时,它比唯一已经商业化的磷酸型燃料电池的成本还要低。
  (2) 磷酸型燃料电池
  它采用磷酸为电解质,利用廉价的炭材料为骨架。它除以氢气为燃料外,现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料,与碱性氢氧燃料电池相比,最大的优点是它不需要CO2处理设备。磷酸型燃料电池已成为发展最快的,也是目前最成熟的燃料电池,它代表了燃料电池的主要发展方向。目前世界上最大容量的燃料电池发电厂是东京电能公司经营的11MW美日合作磷酸型燃料电池发电厂,该发电厂自1991年建成以来运行良好。近年来投入运行的100多个燃料电池发电系统中,90%是磷酸型的。市场上供应的磷酸型发电系统类型主要有日本富士电机公司的50KW或100KW和美国国际燃料电池公司提供的200KW。
  富士电机已提供了70多座电站,现场寿命超过10万小时。
  磷酸型燃料电池目前有待解决的问题是:如何防止催化剂结块而导致表面积收缩和催化剂活性的降低,以及如何进一步降低设备费用。
  化学电源的重大意义:
  化学能转换为电能的原理的发现和各式各样电池装置的发明,是贮能和供能技术的巨大进步,是化学对人类的一项重大贡献,极大地推进了现代化的进程,改变了人们的生活方式,提高了人们的生活质量
常用化学电池

原电池
开放分类: 化学、物理、电源、电化学

将化学能转变成电能的装置。所以,根据定义,普通的干电池、燃料电池都可以称为原电池。组成原电池的基本条件是:将两种活泼性不同的金属(或石墨)用导线连接后插入电解质溶液中。电流的产生是由于氧化反应和还原反应分别在两个电极上进行的结果。原电池中,较活泼的金属做负极(又称阳极),较不活泼的金属做正极(又称阴极)。负极本身易失电子发生氧化反应,电子沿导线流向正极,正极上一般为电解质溶液中的阳离子得电子发生还原反应。在原电池中,外电路为电子导电,电解质溶液中为离子导电。

原电池primary battery 一种将活性物质中化学能通过氧化还原反应直接转换成电能输出的装置。又称化学电池。由于各种型号的原电池氧化还原反应的可逆性很差,放完电后,不能重复使用,故又称一次电池。它通常由正电极、负电极、电解质、隔离物和壳体构成,可制成各种形状和不同尺寸,使用方便。广泛用于工农业、国防工业和通信、照明、医疗等部门,并成为日常生活中收音机、录音机、照相机、计算器、电子表、玩具、助听器等常用电器的电源。原电池一般按负极活性物质(如锌、镉、镁、锂等)和正极活性物质(如锰、汞、二氧化硫、氟化碳等)分为锌锰电池、锌空气电池、锌银电池、锌汞电池、镁锰电池、锂氟化碳电池、锂二氧化硫电池等。锌锰电池产量最大,常按电解质分为氯化铵型和氯化锌型,并按其隔离层分为糊式电池和低极电池。以氢氧化钾为电解质的锌锰电池,由于其负极(锌)的构造与其他锌锰电池不同而习惯上另作一类,称为碱性锌锰电池,简称碱锰电池,俗称碱性电池。

原电池是一类使化学能直接转换成电能的换能装置。原电池连续放电或间歇放电后不能以反向电流充电的方法使两电极的活性物质回复到初始状态,即电极活性物质只能利用一次。故亦称一次性电池。

常用原电池有锌-锰干电池、锌-汞电池、锌-银扣式电池及锂电池等。
1 锌-锰干电池:锌-锰电池具有原材料来源丰富、工艺简单,价格便宜、使用方便等优点,成为人们使用最多、最广泛的电池品种。锌-锰电池以锌为负极,以二氧化锰为正极。按照基本结构,锌-锰电池可制成圆筒形、扣式和扁形,扁形电池不能单个使用,可组合叠层电池(组)。按照所用电解液的差别将锌-锰电池分为三个类型:
(1)铵型锌-锰电池:电解质以氯化铵为主,含少量氯化锌。
电池符号:(-)Zn│NH4Cl·ZnCl2│MnO2(+)
总电池反应: Zn+2NH4Cl+2MnO2=Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)
(2) 锌型锌-锰电池:又称高功率锌-锰电池,电解质为氯化锌,具有防漏性能好,能大功率放电及能量密度较高等优点,是锌-锰电池的第二代产品,20世纪70年代初首先由德国推出。与铵型电池相比锌型电池长时间放电不产生水,因此电池不易漏液。
电池符号:(-)Zn│ZnCl2│MnO2(+)
总电池反应(长时间放电):
Zn+2Zn(OH)Cl+6MnO(OH)=ZnCl2·2ZnO·4H2O+2Mn3O4
(3) 碱性锌-锰电池:这是锌-锰电池的第三代产品,具有大功率放电性能好、能量密度高和低温性能好等优点。
电池符号:(-)Zn│KOH│MnO2(+)
总电池反应: Zn+2H2O+2MnO2=2MnO(OH)+Zn(OH)2
锌-锰电池额定开路电压为1.5V,实际开路电压1.5-1.8V ,其工作电压与放电负荷有关,负荷越重或放电电阻越小,闭路电压越低。用于手电筒照明时,典型终止电压为0.9V,某些收音机允许电压降至0.75V。
2.锂原电池:又称锂电池,是以金属锂为负极的电池总称。锂的电极电势最负相对分子质量最小,导电性良好,可制成一系列贮存寿命长,工作温度范围宽的高能电池。根据电解液和正极物质的物理状态,锂电池有三种不同的类型,即:固体正极—有机电解质电池、液体正极—液体电解质电池、固体正极—固体电解质电池。Li—(CF)n的开路电压为3.3V,比能量为480W·h·L-1,工作温度在-55~70℃间,在20℃下可贮存10年之久!它们都是近年来研制的新产品,目前主要用于军事、空间技术等特殊领域,在心脏起搏器等微、小功率场合也有应用。
化学电池原理

是利用两个电极之间金属性的不同,产生电势差,从而使电子的流动,产生电流。又称非蓄电池,是电化电池的一种,其电化反应不能逆转,即是只能将化学能转换为电能,简单说就即是不能重新储存电力,与蓄电池相对。
原电池的形成条件
  原电池的工作原理原电池反应属于放热的氧化还原反应,但区别于一般的氧化还原反应的是,电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的,而是还原剂在负极上失电子发生氧化反应,电子通过外电路输送到正极上,氧化剂在正极上得电子发生还原反应,从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。两极之间溶液中离子的定向移动和外部导线中电子的定向移动构成了闭合回路,使两个电极反应不断进行,发生有序的电子转移过程,产生电流,实现化学能向电能的转化。   从能量转化角度看,原电池是将化学能转化为电能的装置;从化学反应角度看,原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经导线传递给氧化剂,使氧化还原反应分别在两个电极上进行。   原电池的构成条件有三个:   1.电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料(非金属或某些氧化物等)组成。   2.两电极必须浸泡在电解质溶液中,自发的氧化还原反应。   3.两电极之间有导线连接,形成闭合回路。   只要具备以上三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流,所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外,还要求有自发进行的氧化还原反应。也就是说,化学电源必须是原电池,但原电池不一定都能做化学电池。   形成前提:总反应为自发的氧化还原反应   电极的构成:   a.活泼性不同的金属—锌铜原电池,锌作负极,铜作正极;b.金属和非金属(非金属必须能导电)—锌锰干电池,锌作负极,石墨作正极;c.金属与化合物—铅蓄电池,铅板作负极,二氧化铅作正极;d.惰性电极—氢氧燃料电池,电极均为铂。   电解液的选择:电解液一般要能与负极材料发生自发的氧化还原反应。   原电池正负极判断:   负极发生氧化反应,失去电子;正极发生还原反应,得到电子。   电子由负极流向正极,电流由正极流向负极。 溶液中,阳离子移向正极,阴离子移向负极