常見的化學電池及工作原理

原電池的知識

，既是中學化學中電化學的主要內容，也是歷年來高考試題的熱點之一。如：

2020年全國高考

科學家近年發明了一種新型

Zn－CO

2

水介質電池。電池示意圖如下，電極為金屬鋅和選擇性催化材料。放電時，溫室氣體

CO

2

被轉化為儲氫物質甲酸等，為解決環境和能源問題提供了一種新途徑。

下列說法錯誤的是

（

）

A．

放電時，負極反應為

Zn－2e

－

+

4OH

－

=Zn（OH）

4

2－

B．放電時，1molCO

2

轉化為

HCOOH，轉移的電子數為2mol

C．充電時，電池總反應為

2Zn（OH）

4

2－

=2Zn

+

O

2

↑

+

4OH

－

+

2H

2

O

D．充電時，正極溶液中OH

－

濃度升高

可見，掌握原電池的基本知識，認識常見的原電池，不僅對於學好化學基礎知識，而且對於提高學習興趣和高考成績都是大有裨益的，為此，本文似就常見的原電池作如下介紹：

一、

乾電池

乾電池即普通的鋅錳電池，它是用鋅制的圓筒形幹殼作負極，位於中央的頂蓋有銅帽的石墨作正極，在石墨周圍填充

ZnCl

2

、

NH

4

Cl和澱粉糊作電解質，還填有MnO

2

作去極劑（吸收正極放出的

H

2

，防止產生極化現象）。

電極反應為：

負極：

Zn

-

2e

－

＝

Zn

2+

正極：

2NH

+

4

＋

2e

－

＝

2NH

3

＋

H

2

H

2

＋

2MnO

2

＝

Mn

2

O

3

＋

H

2

O

正極產生的

HN

3

又和

ZnCl

2

作用：

Zn

2+

＋

4NH

3

＝

［Zn（NH

3

）

4

］

2+

澱粉糊的作用是提高陰、陽離子在兩個電極的遷移速度。

電池總反應為：

2Zn＋4NH

4

Cl＋2MnO

2

＝

［Zn（NH

3

）

4

］Cl

2

＋

ZnCl

2

＋

Mn

2

O

3

＋

H

2

O

乾電池的電壓通常約為

1。5伏，只能使用一次，不能充電再生。

二

.

鉛蓄電池

鉛蓄電池是用硬橡膠或透明塑膠製成長方形外殼，在正極板上有一層棕褐色

PbO

2

，負極板是海綿狀金屬鉛，兩極均浸在一定濃度的硫酸溶液中，且兩極間用微孔橡膠或微孔塑膠隔開。

鉛蓄電池既可放電亦可充電，具雙重功能。放電時的電極反應為：

負極

：

Pb+SO

4

2-

-2e=PbSO

4

正極

：

PbO

2

+4H

+

+SO

4

2-

+2e=PbSO

4

+2H

2

O

當放電進行到硫酸濃度降低，溶液密度降為

1。05

時即停止放電，此時需要將蓄電池進行充電。充電時的電極反應為：

陽極：

PbSO

4

+2H

2

O-2e=PbO

2

+4H

+

+SO

4

2-

陰極：

PbSO

4

+2e=Pb+SO

4

2-

當溶液密度增加至

1。28

時，應停止充電。

鉛蓄電池是最常見的二次電池，充電和放電時的總反應式為：

Pb（s）＋PbO

2

（s）＋2H

2

SO

4

（aq）

（

充電

）=

（放電）

2PbSO

4

（s）＋2H

2

O（l）

鉛蓄電池的電壓通常為

2伏左右。

目前，有一種形似於乾電池的充電電池，它實際是一種銀鋅蓄電池，電解液為

KOH

，電池反應為：

Zn+Ag

2

O+2H

2

O

（

充電

）=

（放電）

Zn（OH）

2

+2Ag

三、愛迪生蓄電池

愛迪生蓄電池類似於鉛蓄電池，也是一種可充電電池。它以鐵為負極，

NiO

2

為正極，

KOH

為電解液。電極反應為：

負極：

Fe+2OH

-

-

2e=Fe（OH）

2

正極：

NiO

2

+2H

2

O+2e=Ni（OH）

2

+2OH

-

充電、放電時的反應為：

Fe+NiO

2

+2H

2

O

（

充電

）=

（放電）

Fe（OH）

2

+Ni（OH）

2

四、鈕釦電池

常見的鈕釦電池為銀鋅電池，它用不鏽鋼製成一個由正極殼和負極蓋組成的小圓盒，盒內靠正極殼一端填充由

Ag

2

O

和少量石墨組成的正極活性材料，負極蓋一端填充鋅汞合金作負極活性材料，電解質溶液為濃

KOH

，溶液兩邊用羧甲基纖維素作隔膜，將電極與電解質溶液隔開，電極反應為：

負極：

Zn+2OH

-

-2e=ZnO+H

2

O

正極：

Ag

2

O+H

2

O+2e=2Ag+2OH

-

電池總反應式為：

Ag

2

O+Zn=2Ag+ZnO

鈕釦式電池的電壓可達

1。59

伏，一粒鈕釦電池安裝在電子錶裡可使用兩年之久。

五、氫氧燃料電池

氫氧燃料電池是一種高效低汙染的新型電池，主要用於航天領域。它的電極材料一般為活性電極，具有很強的催化活性，如鉑電極、活性炭電極等。電解質溶液一般為

40%

的

KOH

溶液。電極反應為：

負極：

H

2

+2OH

-

-2e=2H

2

O

正極：

O

2

+2H

2

O+4e=4OH

-

電池總反應為：

2H

2

+O

2

=2H

2

O

氫氧燃料電池是目前最成熟的燃料電池，可分酸性和鹼性兩種。

六、燃料電池

該電池用金屬鉑片插入

KOH

溶液中作電極，又在電極上分別通甲烷、氧氣（或空氣）。電極反應為：

負極：

CH

4

+10

OH

-

-8e=CO

3

2

-

+7H

2

O

正極：

O

2

+2H

2

O+4e=4OH

-

電池總反應為：

CH

4

+2O

2

+2KOH=K

2

CO

3

+3H

2

O

七、鋰電池

鋰電池是用鋰作負極，炭作正極，無機溶劑亞硫醯氯（

SO

2

Cl

2

）在炭極上發生還原反應，電解液是由四氯化鋁鋰（

LiAlCl

4

）溶解於亞硫醯氯中組成，

電極反應為：

負極

：Li－e

－

═Li

+

正極

：2SOCl

2

＋

4e

－

═4Cl

－

＋

S＋SO

2

總反應式

：

8Li＋3SO

2

Cl

2

═6LiCl＋Li

2

SO

3

＋

2S

這種電池體積小，容量大，電壓穩定，貯存時間長，能在

216。3～344。1K溫度範圍內工作，常用作心臟起搏器、照相機閃光燈的電源。如做成鈕釦式微型鋰電池，可用於電子手錶、竅聽器和計算器等方面。

八、鉑鋅電池

有人設計以鉑和鋅為電極材料，埋人人體內作某種心臟病人的心臟起搏器的能源，它依靠人體液中含有一定濃度的氧分子、氫離子和鋅進行工作。電極反應為：

負極：

2Zn-4e=2Zn

2+

正極：

O

2

+4H

+

+4e=2H

2

O

電池總反應為：

O

2

+4H

+

+2Zn=2Zn

2+

+2H

2

O

九、海水電池

1991

年，

我國首創以鋁

——

空氣

——

海水為能源的新型電池，用作航海的標誌燈，該電池以取之不盡的海水為電解液，靠空氣中的氧使鋁不斷氧化而產生電流。電極反應為：

負極：

Al-3e=Al

3+

正極：

O

2

+2H

2

O+4e=4OH

-

電池總反應為：

4Al+3O

2

+6H

2

O=4Al（OH）

3

這種海水電池的能量比

“乾電池”要高

20-50

倍。

十、

銀鋅蓄電池

目前，有一種形似於乾電池的充電電池，它實際是一種銀鋅蓄電池，電解液為

KOH。這種電池是由一系列圓形鋅片和銀片相互交迭而成的裝置，在每一對銀片和鋅片之間，用一種在鹽水或其他導電溶液中浸過的紙板隔開。銀片和鋅片是兩種不同的金屬，鹽水或其他導電溶液作為電解液，它們構成了電流回路。這是一種比較原始的電池，是由很多銀鋅電池連線而成的電池組。銀鋅蓄電池電極反應為：

正極：

Ag

2

O

2

＋

2H

2

O－4e

-

＝

2Ag＋4OH

-

負極：

2Zn＋4OH

-

＝

2Zn（OH）

2

＋

4e

-

電池反應為：

Zn＋Ag

2

O＋2H

2

O

（

充電

）=

（放電）

Zn（OH）

2

＋

2Ag

大容銀鋅蓄電池可以擁有極高的電容量和穩定的電池效能。在當今的太空梭、導彈、魚雷等尖端領域才能找到大容量銀鋅蓄電池的身影。