電池

電池

化學反應裝置
化學電源俗稱為電池,是一種利用物質的化學反應所釋放出來的能量直接轉化為電能的裝置。電池是指盛有電解質溶液和金屬電極以産生電流的杯、槽或其他容器或複合容器的部分空間,能把化學能或者光能轉變為電能的裝置,主要有化學電池、太陽能電池和原子能電池。電池具有正極、負極之分。電池使用過程電池放電過程,電池放電時在負極上進行氧化反應,向外提供電子,在正極上進行還原反應,從外電路接受電子,電流經外電路而從正極流向負極,電解質是離子導體,離子在電池内部的正負極之間的定向移動而導電,陽離子流向正極,陰離子流向負極。電池放電的負極為陽極,放電的正極為陰極,在陽極兩類導體界面上發生氧化反應,在陰極的兩類導體界面上發生還原反應。[1]
    中文名:電池 外文名: 别名: 英文名:Battery 發明人:赫勒森 發明年代:1887年

發展曆程

在古代,人類有可能已經不斷地在研究和測試“電”這種東西了。一個被認為有數千年曆史的粘土瓶在1932年于伊拉克的巴格達附近被發現。它有一根插在銅制圓筒裡的鐵條-可能是用來儲存靜電用的,然而瓶子的秘密可能永遠無法被揭曉。不管制造這個粘土瓶的祖先是否知道有關靜電的事情,但可以确定的是古希臘人絕對知道。他們曉得如果摩擦一塊琥珀,就能吸引輕的物體。

在十八世紀的四五十年代,發電裝置的改善和大氣電現象的研究,吸引了物理學家們的廣泛興趣,1745年,普魯士的克萊斯特利用導線将摩擦所起的電引向裝有鐵釘的玻璃瓶。當他用手觸及鐵釘時,受到猛烈的一擊。可能是在這個發現的啟發下,萊頓大學的馬森布羅克在1746年發明了收集電荷的“萊頓瓶”。因為他看到好不容易收集的電卻很容易地在空氣中逐漸消失,他想尋找一種保存電的方法。

有一天,他用一支槍管懸在空中,用起電機與槍管連着,另用一根銅線從槍管中引出,浸入一個盛有水的玻璃瓶中,他讓一個助手一隻手握着玻璃瓶,馬森布羅克在一旁使勁搖動起電機。這時他的助手不小心将中另一隻手與槍管碰上,他猛然感到一次強烈的電擊,喊了起來。馬森布羅克于是與助手互換了一下,讓助手搖起電機,他自己一手拿水瓶子,另一隻手去碰槍管。

1780年,意大利解剖學家伽伐尼(Luigi Galvani)在做青蛙解剖時,兩手分别拿着不同的金屬器械,無意中同時碰在青蛙的大腿上,青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下,仿佛受到電流的刺激,而如果隻用一種金屬器械去觸動青蛙,就無此種反應。伽伐尼認為,出現這種現像是因為動物軀體内部産生的一種電,他稱之為“生物電”。伽伐尼的發現引起了物理學家們極大興趣的,他們競相重複枷伐尼的實驗,企圖找到一種産生電流的方法,意大利物理學家伏特在多次實驗後認為:伽伐尼的“生物電”之說并不正确,青蛙的肌肉之所以起作用。

為了論證自己的觀點,伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進行試驗。結果發現,這兩種金屬片中,隻要有一種與溶液發生了化學反應,金屬片之間就能夠産生電流。1799年,伏特把一塊鋅闆和一塊錫闆浸在鹽水裡,發現連接兩塊金屬的導線中有電流通過。于是,他就把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片,平疊起來。用手觸摸兩端時,會感到強烈的電流刺激。伏特用這種方法成功地制成了世界上第一個電池──“伏特電堆”。這個“伏特電堆”實際上就是串聯的電池組。它成為早期電學實驗,電報機的電力來源。

1836年,英國的丹尼爾對“伏特電堆”進行了改良。他使用稀硫酸作電解液,解決了電池極化問題,制造出第一個不極化,能保持平衡電流的鋅─銅電池此後,這些電池都在電壓随着使用時間延長而下降的問題。當電池使用一段時間後電壓下降時,電池電壓回升。因為這種電池能充電,可以反複使用,所以稱它為“蓄電池”。然而,無論哪種電池都需在兩個金屬闆之間灌裝液體,因此搬運很不方便,特别是蓄電池所用液體是硫酸,在挪動時很危險。也是在1860年,法國的雷克蘭士(GeorgeLeclanche)還發明了世界廣受使用的電池(碳鋅電池)的前身。

它的負極是鋅和汞的合金棒(鋅-伏特原型電池的負極,經證明是作為負極制作材料的最佳金屬之一),而它的正極是以一個多孔的杯子盛裝着碾碎的二氧化錳和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作為電流收集器。負極棒和正極杯都被浸在作為電解液的氯化铵溶液中。此系統被稱為“濕電池”。雷克蘭士制造的電池雖然簡陋但卻便宜,所以一直到1880年才被改進的“幹電池”取代。負極被改進成鋅罐(即電池的外殼),電解液變為糊狀而非液體,基本上這就是現在我們所熟知的碳鋅電池。

1887年,英國人赫勒森發明了最早的幹電池。幹電池的電解液為糊狀,不會溢漏,便于攜帶,因此獲得了廣泛應用。1890年,愛迪生(Thomas Edison)發明可充電鐵鎳電池。

工作原理

電池使用過程電池放電過程,電池放電時在負極上進行氧化反應,向外提供電子,在正極上進行還原反應,從外電路接受電子,電流經外電路而從正極流向負極,電解質是離子導體,離子在電池内部的正負極之間的定向移動而導電,陽離子流向正極,陰離子流向負極。電池放電的負極為陽極,放電的正極為陰極,在陽極兩類導體界面上發生氧化反應,在陰極的兩類導體界面上發生還原反應。整個電池形成了一個由外電路的電子體系和電解質液的離子體系構成的完整放電體系,從而産生電能供電。

在化學電池中,化學能直接轉變為電能是靠電池内部自發進行氧化、還原等化學反應的結果,這種反應分别在兩個電極上進行(見圖)。負極活性物質由電位較負并在電解質中穩定的還原劑組成,如鋅、镉、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質由電位較正并在電解質中穩定的氧化劑組成,如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物,氧或空氣,鹵素及其鹽類,含氧酸及其鹽類等。電解質則是具有良好離子導電性的材料,如酸、堿、鹽的水溶液,有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質等。當外電路斷開時,兩極之間雖然有電位差(開路電壓),但沒有電流,存儲在電池中的化學能并不轉換為電能。當外電路閉合時,在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。

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