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说说电池(一) 精选

已有 10613 次阅读 2013-12-5 07:21 |个人分类:学习心得|系统分类:科普集锦

本人从电子工程专业毕业以后,仍对电池的原理一窍不通。就是搞不清楚为什么一个小小的东西平白无故就能放出电来。然而由于种种际遇,从未学过物理化学的我却要做电池相关的科研,只好恶补了一下。现在打算总结点学习心得, 对非化学专业的朋友介绍一点最基本的电池工作原理。电化学专业的朋友们看了请轻拍。


第一篇就先列举几个我曾经有过的问题,自问自答。以后慢慢介绍各种电池的细节。


我们这里说的电池就是指化学电源, 分为一次电池和二次电池(可充电电池)。


[问] 电池能充电,放电; 电容器也能充电,放电。为什么不用电容器代替充电电池呢?


[答] 电容器和化学电源性能上最大的区别就是:电容器的电压不稳定,而化学电源的电压相对稳定。


电容器的电压简单地写为:


$V=\frac{Q}{C}$

如果假定电容值 C 是恒定的,那么其开路电压 V 就跟电容器存储的电量成正比。所以一个充了很多电的电容器将有很高的开路电压,但随着放电的进行,电压几乎是线性下降。


电池的电压也是随着电量的多少而变化,但基本都有很长的电压平台期。比方说, 一个 1.5 V 的干电池,放了一段时间电以后, 电压会缓慢下降,但总归跟 1.5 V 相差不了太多。化学电源的放电平台值是由于正,负极各自的电化学反应决定的。


[问] 能否用一段通俗的话概括电池放电的原理?


[答] 基本原理是氧化还原反应。以氧化银电池为例(也叫锌银纽扣式电池)。金属锌比金属银活泼,所以锌和氧化银混合,高温煅烧的时候,锌应当会把银置换出来,生成氧化锌和银。锌被氧化,银离子被还原。如果做电池就玩个绝的:把锌和氧化银物理上隔离,中间加上氢氧化钾水溶液做电解液(电子绝缘体)。锌如果想被氧化,脱去的电子没处藏身(违背电中性是不行的,需要克服极大的静电能)。银离子想被还原,也没有电子源。除非在电池外头用导线把两个电极连起来, 才能完成氧化还原反应:电子从导线跑,离子从电池内部跑,殊途同归。电子那部分一跑就在外电路中产生了电流,放电了。


但有个问题:难道室温下锌能跟氧化银反应吗?直接接触是不能,但有电解液浸润的时候,氧化银电极发生如下反应:


$Ag_2O + H_2O + 2e^- \rightarrow 2Ag + 2OH^-$


锌电极发生如下反应:


$Zn + 2OH^{-} \rightarrow ZnO + H_2O + 2e^-$


带负电的氢氧根离子不断地从氧化银电极一侧向锌电极一侧扩散,而锌电极通过外电路将电子源源不断输给氧化银电极,形成一整个导电回路。可见电池就是一个转换器:将离子电流和电子电流相互转换。


[问] 怎么判断正,负极?


[答] 从前面例子看出,在氧化银电池放电时,锌电极提供电子给外电路,可见锌是负极,氧化银是正极。


金属活动顺序表中,基本上越活泼,还原性越强的金属,其电极电位越负。实验室制取氢气是拿锌粒和稀硫酸反应,可见单质锌比单质氢的还原性强。银却不能置换出氢气,所以单质银的还原性不如单质氢。锌/氧化锌 与 银/氧化银 体系相比,锌必然做负极。


[问] 充电电池跟一次性电池有什么本质区别?


[答] 其实电池(Battery)都有一定的可逆性,关键是可逆性好不好(比如,充电电压比放电电压高多少?充电以后能否恢复原状?),以及是否安全。给放完电的一次性锌锰干电池充电是有可能成功的,但却面临起火或者爆炸的危险。关键在于充,放电过程是否高度可逆。现在手机用的二次锂离子电池,正负极都是锂离子的嵌入和脱嵌反应,可逆性比较高,所以可以多次充,放电。


[问] 二次电池充,放电的时候, 正负极要颠倒吗?


[答] 绝不!正极永远要接正电位,负极永远要接负电位。所不同的是,充,放电时候电流方向是相反的。


电池充电的时候,从外面看起来跟一个普通电路原件差不多。这时候正极就是阳极,负极就是阴极。所谓阳极就是指氧化反应发生的场所,阴极就是还原反应发生的场所。然而,放电的时候,电流将反向。正极成了阴极,而负极成了阳极。充电的时候电池工作在电解池模式,放电的时候电池工作在原电池模式。


所以,对于常见的锂离子电池而言,无论充电还是放电,石墨电极总是负极,而钴酸锂电极总是正极。电流可以反向,电压绝不能颠倒,因为这是热力学决定的。


[问] 为啥电池的电压才几伏?1.5 V 或者 3.7 V? 一块电池提供 10 V 电压可能吗?


[答] 水的分解电压(相对于标准氢电极)才 1.23 V. 开路电压较高的电池都要使用有机电解液,但也很难超过 5 V。电解池和原电池是互逆反应。在几个伏特的电压下,绝大多数电解质已经不稳定。可见,反过来不难理解原电池的开路电压也局限于几个伏特而已。


以上只是从电解质溶液耐压的角度分析。更根本上从原电池的原理来看,也难以找到平衡电位很高的电化学反应。不过这个在以后的篇幅中再解释。


注:感谢 mirrorliwei 朋友的指正,觉得他的回答比较精辟,摘录如下:


答案是一个原子的化学能就在这个能区,是量子力学决定的。就好比地球重力的大小是被决定了的那样。


[问] "锂电池"和“锂离子电池"有区别吗?


[答] 狭义的"锂电池"是指金属锂作为负极的电池。由于金属锂具有最负的电位,所以这种电池的电压特别高。但由于锂负极在充电的时候容易形成锂枝晶,可能造成电池内部短路,所以以金属锂作为负极的狭义“锂电池”是不能充电的。“锂离子电池”的负极一般是石墨,锂离子可以嵌入和脱嵌,不存在金属锂,所以可以往复充电。手机电池往往都注明“锂离子电池”。


[问] 锂元素有何特殊,为啥拿它做电池?


[答] 锂有若干无与伦比的优越性质。第一,金属锂的电极电位是最负的,所以用它搭配同样的正极材料产生的开路电压最高。虽然锂离子电池已经不再使用金属锂,但嵌锂的石墨的电极电位比纯金属锂高不了多少,也是很优秀。第二,锂特别轻,所以能量密度非常高。第三,锂离子是除了质子以外最小的离子了,嵌入和脱嵌,钻各种材料的空隙都不成问题,迁移率和扩散系数很高,最适合在电池内部做导电离子。


[问] 燃料电池是什么电池?


[答] 燃料电池英文是 Fuel cell,一般与电池的 Battery 做区分。在英文里从不会把燃料电池称为 Battery。燃料电池和一般的电池有较大区别,科研群体也不同,虽然燃料电池跟锂-空气电池有些地方挺像的。寻找廉价,有效的催化剂是一大难题。燃料电池研究较多的有两大类:直接甲醇燃料电池和质子交换膜氢氧燃料电池。前者效率较低,但燃料存储比较方便。后者性能较好,但如何安全储氢是一大难题。


注:吕喆朋友补充了一个固体氧化物燃料电池(SOFC)。这种燃料电池在高温下工作(800到1000摄氏度),使用固态电解质(比如YSZ,即用钇进行稳定的立方二氧化锆),效率高,适合于做大型发电系统。


[问] 广告总说“碱性电池”,有何好处?有酸性电池吗?


[答] 早期的一次性锌锰干电池是使用酸性电解液的。对于水溶液电池,根据电解液PH值就分为酸性和碱性两大类。锌锰碱性电池价格稍微贵一点点,但比酸性锌锰电池的容量高得多。更重要的是,酸性锌锰电池放在那不用,电就慢慢漏没了,而碱性电池的寿命长得多。


[问] 有哪些常见的电池?


[答] 常见一次电池有锌锰干电池,锌银纽扣电池,锌-空气电池,一次锂电池。

常见二次电池有铅酸蓄电池,镍镉电池(Ni-Cd),镍氢电池(镍-金属氢化物,Ni-MH),锂离子电池等等。


以后将慢慢介绍它们的工作原理。



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