“流动”的电池（转）

 

 

化学反应可以产生热能，比如燃烧，但经过适当的设计，反应中的化学能就可不经过热能，而直接转化为电能，电池就是这样设计出来的。那么，我们就来看看电池

是如何工作的，近来又有什么新的发展。

 

伏打电堆实物

锂离子二次电池

锰锌一次电池
 

撰文/唐云江   顾问/陈永翀

 

我们都用过电池，有圆的，有方的，因其移动方便，很多设备必须用它提供电能。从字面上看，“电池”二字很形象，实际上，它就是一种储存电能的“容器”。当然，电池并不是简单地把电子装进容器，那样的话应该是“电容器”了。我们通常所说的电池是一种化学电源，它装的是能自发进行化学反应的两种（或以上）物质，以化学能的形式储存在具有特殊结构的装置中。从装置上引出一正一负两个电极，当连接在某一外部负载上时，其内部的化学物质就平稳地进行电化学反应，从而不断地产生电能。

 

化学反应异地进行

化学反应是怎样与电发生关系的呢？原来，很多化学反应都伴随着电子的转移，这类反应被称为氧化还原反应。普通的氧化还原反应是两种（或以上）化学物质接触在一起，根据化学活性（结合电子的能力）的不同，有的物质会失去电子，有的物质会得到电子，它们结合（或重新组合）在一起。只不过不同的物质之间，有的反应缓慢，有的反应剧烈。在这种自发的反应过程中，电子就近发生转移，没有统一的方向性，化学能伴随着电过程直接转化为热能，这就是我们常说的放热化学反应，比如氢气和氧气混合在一起会产生激烈的反应而燃烧，生成了水。

而电流实际上是带电粒子的定向流动，那么，只要设法将化学反应中的电子转移转变为定向的移动，不就可以产生电流了嘛。怎样才能让化学反应中的电子转移定向移动呢？原来，在电池中，两种反应物是分离开的，相互之间不直接接触，其电化学过程是经过集纳电荷的装置—电极实现的（反应物自身也可以充当电极）。这相当于为电子移动铺设了一条路（电路），或架起了一座桥，当路接通时（可以通过负载，也可以直接连接，即短路），电子就会通过电路从一种物质转移到另一种物质（一般是某种化学元素），内部物质离子通过电解质发生转移，使得内部的氧化还原反应分头进行。就这样，在负极发生氧化反应，失去电子；在正极发生还原反应，得到电子，电化学反应就完成了，对外输出了电能。在这个过程中，化学反应本身几乎不产生热，化学能基本转化为电能。顺便说一句，任何自发的氧化还原反应都可能被改造成电化学反应，做成电池向外供电，只是产生的电能的多少不同，另外还有是否划算的问题。

 

架起电桥

让我们具体来看看这条“路”是怎样架设起来的。关于电池的发明最早可以追溯到意大利物理学家伏打（Alessandro Volta）在1800年发明的“伏打电堆”，它是由很多个单元堆积而成，每一单元有一块锌板和一块铜板，两板之间夹着浸有盐水的布或纸板。实际上，“伏打电堆”是一个电池组，能在短时间内输出稳定的电流。这种电池在使用中很快会发生所谓的“电极极化”，电子不能顺畅地进出电极，“路”发生阻塞。世界上第一个实用的电池是1836年英国的丹尼尔（John Frederic Daniell）发明的，他用盐桥解决了电池的极化问题，可以较长时间使用。

我们中学都学过丹尼尔电池，一般称它为原电池。在丹尼尔电池中，利用铜和锌两种金属的活泼程度不同，因而电极电位不同来产生电流。如果把锌片直接放入硫酸铜溶液中，锌会失去电子变为锌离子，电子留在锌片上，而铜则会从锌片上获得电子而被置换出来，这就是普通的氧化还原反应。如果像在丹尼尔电池中那样，把硫酸铜溶液与锌隔离开，锌失去电子变为离子“溶解”在硫酸锌溶液中，锌片上电子聚集起来，只能通过外电路转移到铜片上，硫酸铜溶液中的铜离子就可以从铜片上获得电子，析出在铜片上。而盐桥帮助转运正离子以保持电解液的电中性（实际是向硫酸锌溶液中释放负离子，向硫酸铜溶液中释放正离子，平衡溶液中的正负电荷）。

两种情况下，本质上是相同的氧化还原反应，都是锌失电子被氧化，铜得电子被还原。只是通过“设计”，把原本在同一地点发生的反应分别放在不同的地点进行，就这样化学能几乎不再产生热能，而是转化成电能。所谓电池就是这样被设计出来的，只不过这种设计要求非常精巧，真正适合做成电池的化学反应实际上并不太多。

电池在放电过程中必然要发生化学反应，原有的化学物质（反应物）变为另外的化学物质（生成物），随着反应物的消耗，“电力”会越来越弱（多因素导致），当消耗得差不多时，电就用尽了，电池也随之报废。

例如我们使用最多的锌锰电池，又称“勒兰社电池”，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)、氯化锌（ZnCl2）的水溶液，用面粉、淀粉和电解液形成的凝胶或用浆层纸作隔离层制成的电池。在负极，锌被氧化，失去电子，与电解质中的氯化铵生成氯化锌铵（Zn(NH3)2Cl2）；在正极，二氧化锰得到电子被还原，锰由+4价变为+3价，与电解质中的氢离子生成碱式氧化锰（MnO(OH)）。当电池中的反应物质消耗到一定量时，电池的“电力”就会减弱，电池也就不能使用了。