1.伏打電池

 

伏打電池的發(fā)明歸功于兩位意大利科學(xué)家。一位是解剖學(xué)家和醫(yī)學(xué)教授伽伐尼（Galvani,L. 1737-1798），一位是物理學(xué)和化學(xué)家伏打（Volta,A.1745-1827）。

 

1780年，伽伐尼在一次解剖青蛙時有一個偶然的發(fā)現(xiàn)。一只已解剖的青蛙放在一個潮濕的鐵案上，當(dāng)解剖刀無意中觸及蛙腿上外露的神經(jīng)時，死蛙的腿猛烈地抽搐了一下。伽伐尼立即重復(fù)了這個實驗，又觀察到同樣的現(xiàn)象。最初他以為蛙腿發(fā)生痙攣是“大氣電”作用的結(jié)果。后來他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，選擇各種不同的金屬，例如銅和鐵或銅和銀，接在一起，而把另兩端分別與死蛙的肌肉和神經(jīng)接觸，青蛙就會不停地屈伸抽動。如果用玻璃、橡膠、松香、干木頭等代替金屬，就不會發(fā)生這樣的現(xiàn)象。作為解剖學(xué)家的伽伐尼腦子里總是想著肌肉和神經(jīng)等，他想用動物體內(nèi)有某種電來解釋，但這種“動物電”的解釋是含糊不清的。1789年他寫成了論文：《關(guān)于電對肌肉運動的作用》，于1791年發(fā)表?！　》蜃x到了這篇論文后，就多次重復(fù)了伽伐尼的實驗。作為物理學(xué)家，他的注意點主要集中在那兩根金屬上，而不在青蛙的神經(jīng)上。伏打在此以前已經(jīng)對電學(xué)作出不少貢獻。他曾經(jīng)對已有驗電器進行改造，制成了一種能夠測微量電荷的驗電器。1775年，他在給普利斯特里的信中描寫了一種起電盤裝置。對于伽伐尼發(fā)現(xiàn)的蛙腿抽搐的現(xiàn)象，他想這可能與電有關(guān)，但是他認(rèn)為青蛙的肌肉和神經(jīng)中是不存在電的，他推想電的流動可能是由兩種不同的金屬相互接觸產(chǎn)生的，與金屬是否接觸活動的或死的動物無關(guān)。伏打用自己設(shè)計的精密驗電器，對各種金屬進行了許多實驗。這些實驗證明，只要在兩種金屬片中間隔以用鹽水或堿水浸過的（甚至只要是濕和）硬紙、麻布、皮革或其它海綿狀的東西（他認(rèn)為這是使實驗成功所必須的），并用金屬線把兩個金屬片連接起來，不管有沒有青蛙的肌肉，都會有電流通過。這就說明電并不是從蛙的組織中產(chǎn)生的，蛙腿的作用只不過相當(dāng)于一個非常靈敏的驗電器而已。

 

 在1796年的一封信中，伏打把金屬（以及黃鐵礦等某些礦石和木炭）稱為第一類導(dǎo)體或干導(dǎo)體，把鹽、堿、酸等的溶液稱為第二類導(dǎo)體或濕導(dǎo)體。他指出：把第一類導(dǎo)體與第二類導(dǎo)體相接觸，“就會引起電的擾動，產(chǎn)生電運動；至于這個現(xiàn)象的原因，目前還不清楚，只能認(rèn)為是一般的特性”?！　》蛴昧巳甑臅r間，用把各種金屬兩兩搭配進行實驗的方法，研究兩種金屬接觸產(chǎn)生電的現(xiàn)象。他發(fā)現(xiàn)，一種金屬與某一種金屬接觸時帶正電，它與另一種金屬接觸時則可能帶負(fù)電。例如，鋅和銅接觸時鋅帶正電，銅帶負(fù)電；但銅若與金或銀接觸，則銅帶正電，金、銀帶負(fù)電。伏打以大量的實驗為基礎(chǔ)，發(fā)現(xiàn)了如下的金屬起電順序：鋅－銅－錫－鐵－銅－銀－金－石墨－木炭。在序列中任何兩種相接觸，都是位序在前的一種帶正電，后面的一種帶負(fù)電。這就是著名的伏打序列。

　　伏打?qū)蓧K不同的第一類導(dǎo)體與浸有第二類導(dǎo)體溶液的濕布接觸，再用導(dǎo)線將這兩塊第一類導(dǎo)體連接起來，成一回路，便得到雖然微弱但很穩(wěn)定的電流。他把這個位置叫做伽伐尼電池。當(dāng)把若干個這種電池串接起來時，就能得到較強的電流。

　　例如，他把許多對（40對、60對）圓形的銅片和鋅片相間地疊起來，每一對銅鋅片之間放上一塊用鹽水侵濕的麻布片。這時只要用兩條金屬線各與頂面上的鋅片和底面上的銅片焊接起來，則兩金屬端點就會產(chǎn)生幾伏的電壓。如果把銅片換成銀片，則效果更好。金屬片對數(shù)越多。電力越強。這樣產(chǎn)生的電流不僅相當(dāng)強，而且非常穩(wěn)定，可供人們研究和利用。后來人們對伏打發(fā)明的這種電源裝置叫做“伏打電堆”。1800年，伏打給英國皇家學(xué)會寫信，報告了他的電堆試驗。從此以后，電學(xué)的研究便活躍起來了。　　不久，伏打發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩種金屬片之間的濕布慢慢干燥了的時候，電堆產(chǎn)生的電流就漸趨微弱。于是他改用許多杯子，杯子都盛有鹽水或稀酸，每個杯中插入一對鋅和銅片，然后用金屬線把每個杯中的鋅片和另一杯中的銅處焊接起來，便得到經(jīng)久耐用、電流更強的電池。這種裝置稱為“杯冕”。這就是歷史上第一具實用電池?！　》螂姵氐某霈F(xiàn)，是一項重大發(fā)明，它使人們第一次獲得了比較強的穩(wěn)定而持續(xù)的電流。為科學(xué)家們從對靜電的研究轉(zhuǎn)入對動電的研究創(chuàng)造了物質(zhì)條件，導(dǎo)致了電化學(xué)、電磁聯(lián)系等一系列重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，加深了人們對光、熱、電磁、化學(xué)變化之間的關(guān)系的認(rèn)識。伏打電池的發(fā)現(xiàn)還開辟了電力應(yīng)用的廣闊道路，由于它的誕生，19世紀(jì)的第一年成了電氣時代文明生活的開端。

 

2.干電池

 

干電池是一種最常見的化學(xué)電池。其中最常見的要數(shù)碳鋅電池了。碳鋅電池是用鋅做成圓筒作為電池負(fù)極，內(nèi)有糊狀電解質(zhì)，主要成分是氯化銨和淀粉。把碳棒四周包以摻有二氧化錳的糊狀電解質(zhì)做正極，然后用瀝青密封加蓋，外殼封閉，使糊狀物不致干涸。干電池的電極反應(yīng)是：負(fù)極鋅原子放出電子，成為離子Zn2+，正極處氨離子得到電子成為氨氣和氫。二氧化錳起去極化作用，去除析出的氫。除碳鋅干電池外，還有以錳和碳為電極的錳電池，以水銀化合物和水銀合金維電極的水銀電池等。干電池的型號比較多，并可制成疊層電池。碳鋅干電池的電動勢約1.5V，而疊層電池的電動勢可達幾十伏，甚至上百伏。

 

3.堿性干電池

 

堿性干電池是一種壽命比較長的一次性電池，它是在常見的鋅錳酸性電池的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進產(chǎn)生的。堿性干電池的負(fù)極材料是鋅，正極材料是二氧化錳，電解液是氫氧化鈉和氫氧化鉀溶液。它的構(gòu)造如圖所示。中間是由鋅粉壓制的圓柱狀負(fù)極，其外纏裹著浸滿氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液的纖維材料，再外是由二氧化錳、碳粉及氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液組成的正極。電池的外殼由惰性金屬制成與正極相連，電池的負(fù)極通過集電針與電池底部相連。

 

電池表示式為 (-)Zn|NaOH|MnO2(C)(+)    

 

                             

 

 

 

電池反應(yīng)

 

負(fù)極反應(yīng) Zn+4OH--2e→ZnO22-+2H2O

 

正極反應(yīng)  MnO2+H2O+2e→MnO+2OH-

 

總反應(yīng)  Zn+MnO2+2OH-→ZnO22-+MnO+H2O

 

堿性電池正常使用電壓與常見的酸性鋅錳電池相同。堿性電池的壽命長，容量大，內(nèi)阻小，且不會像干電池那樣使用久了會泄漏，所以它是個人音響、照相機等的首選電源。

 

4. 蓄電池

 

蓄電池的設(shè)想是由李特爾于1803年首先提出的，但是可供實用的蓄電池直到1859年才制造出來，現(xiàn)在已制造了各種用途廣泛的蓄電池。

 

⑴鉛蓄電池

 

鉛蓄電池是首先制造出的實用蓄電池。其原理如下：

 

把A、B兩塊鉛板插入硫酸溶液中，鉛于硫酸作用的結(jié)

 

果，使A、B兩塊鉛板上形成硫酸鉛，溶液中也被硫酸

 

鉛飽和，這是還沒有電勢，給蓄電池充電時，在兩極

 

上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

 

A;PbSO4+2H2O - 2e-→PbO2+H2SO4+2H+;

 

B:PbSO4+2e-→Pb+SO42-;

 

可以看出，充電后，A板上的PbO2成為正極， B板上Pb成為負(fù)極。

 

 

 

放電時，兩極發(fā)生的反應(yīng)如下：

 

正極：PbO2+H2SO4+2H++2e-→PbSO4+2H2O;

 

負(fù)極：Pb+SO42-→PbSO4+2e-;                   

 

放電時發(fā)生反應(yīng)恰為充電的逆過程。充電時，最高電動勢為2.2V。放電時，電動勢逐漸降低，低到1.8V時必須充電，否則會損壞極板。

 

實際應(yīng)用的鉛蓄電池，當(dāng)然復(fù)雜得多，一般都要設(shè)法增加極板的面積?，F(xiàn)代的方法是用相互平行的鉛棱片組成正極，而負(fù)極則用鉛做成網(wǎng)，網(wǎng)眼里填充氧化鉛糊料。充電時氧化鉛變成鉛。這樣的電極使電池容量大為增加，并且現(xiàn)在已使鉛蓄電池做到了全密閉，無檢修，無泄漏。另外還常使用串聯(lián)方式組成6V和12V的蓄電池組。

 

鉛蓄電池廣泛用于汽車，所以又稱作汽車電池?？煞磸?fù)充放電達500次。此外它還廣泛用于火車、潛艇、實驗室等。

 

 

 

⑵鉻鎳蓄電池

 

這類電池就是我們常說的充電電池，屬于二次電池的一種。它具有高容量、高功率、密封性好、電壓平穩(wěn)、堅固耐用等特點。它的外形尺寸有1＃、2＃、5＃等。常用在袖珍收音機、電動剃須刀等器具中。由于它能反復(fù)充電使用，所以被廣泛采用。典型的圓柱形鉻鎳電池如圖所示。其外殼由金屬材料制成。內(nèi)裝卷片狀結(jié)構(gòu)的電極組。上部裝有安全排氣裝置的頂帽組件。電池的頂端為正極，外殼為負(fù)極。正極材料是用多孔燒結(jié)鎳電極基片，用化學(xué)方法沉淀氫氧化鎳做為電極活性物質(zhì)。負(fù)極是用相同的鎳基片用化學(xué)方法沉淀氫氧化鉻為電極活性物質(zhì)。隔膜選用孔徑小、透氣性好的尼龍氈等材料。電解質(zhì)為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。

 

 

 

充放電的化學(xué)反應(yīng)方程是：

 

 

⑶銀鋅蓄電池

 

該類電池是一種堿性電池，它的正極是氧化銀做成，負(fù)極為鋅，電解液是氫氧化鉀溶液，充放電的化學(xué)反應(yīng)方程是：

 

 

該電池的特點是體積小，容量大，抗震，單位重量的蓄能量是前面兩種蓄電池的4～5倍，還可進行大電流放電。因此常用于宇宙航行，人造衛(wèi)星等電源和蓄積太陽能電池轉(zhuǎn)化的電能。

 

5.銀鋅扣式電池

 

銀鋅扣式電池是扁圓形的，與衣服的鈕扣相似而得名。它的體積小，因此常用在電子表、袖珍計算器、助聽器、照相機等器具中，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

 

電池的正極呈片狀，是由氧化銀粉與膠體石墨按一定比例混合研磨后壓制而成。負(fù)極是由汞齊化的鋅粉制成。隔膜一般采用聚乙烯接樹脂、水化纖維膜和玻璃紙多層復(fù)合制成。電解液是用氧化鋅飽和了的氫氧化鈉溶液。電池蓋用銅、不銹鋼、鎳三層復(fù)合材料引伸而成，它與電池的負(fù)極相連，電池殼體由鋼帶引伸后鍍鎳而成，它與電池的正極相連。殼體和蓋之間由塑料密封圈隔開。

 

扣式電池的表達式 (-)Zn|NaOH|Ag2O(+)

 

電池反應(yīng)

 

負(fù)極反應(yīng) Zn+2OH--2e→Zn(OH)2

 

正極反應(yīng) Ag2O+H2O+2e→2Ag+2OH-

 

總反應(yīng)  Zn+Ag2O+H2O→Zn(OH)2+2Ag

 

銀鋅扣式電池的使用電壓約為1.5V，尺寸大小不同，種類繁多。

 

 

 

6.鋰電池

 

鋰電池是以金屬鋰為負(fù)極的一大類電池的總稱，它是化學(xué)電源的一個重要的分支，到目前已有20～30年的歷史。鋰電池由于正極材料和電解質(zhì)的不同可分成許多類。鋰電池有許多優(yōu)點：如它的比能量高、輸出電壓平穩(wěn)、使用溫度范圍寬等。鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域很廣，常用在電話機、照相機、汽車、計算機等中，此外在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、軍事上也有廣泛的應(yīng)用。

 

⑴鋰、二氧化錳電池

 

這種電池有圓柱形和扣式兩種。使用電壓為3V。圓柱形鋰、二氧化錳電池的負(fù)極為金屬鋰的薄片。正、負(fù)電極用隔膜隔開卷成圓柱狀裝入外殼中。電解液為溶有高氯酸鋰的碳酸丙稀脂和二甲基乙烷的混合液（為降低鋰與電解質(zhì)的反應(yīng)速率必須使用非水溶液）

 

⑵鋰、二硫化鉬電池

 

鋰、二硫化鉬電池是常溫下的二次電池。正極物質(zhì)二硫化鉬在有機電解質(zhì)中溶解度小，具有層狀通道結(jié)構(gòu)。鋰與二硫化鉬的反應(yīng)已不是一般電池中的氧化還原反應(yīng)而是鋰離子可逆的進出二硫化鉬晶格所致。二硫化鉬的鉬原子和硫原子按一定結(jié)構(gòu)排列成層狀，層與層之間靠范得華力結(jié)成晶體。由于鋰離子很小可以插入到層與層之間，而不破壞原有的晶體結(jié)構(gòu)，鋰離子充當(dāng)層與層之間的夾層劑形成特殊的夾層化合物。電池反應(yīng)：

 

 

7.燃料電池

 

人類對燃料電池的研究已有上百年的歷史，在燃料電池中化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽士蛇_60%－80%，比用熱機帶動發(fā)動機的轉(zhuǎn)換效率高得多。燃料電池工作時無噪聲、無塵埃、無輻射、不污染環(huán)境，是一種清潔的能源。燃料電池的另一個特點是可以長時間連續(xù)工作，只要燃料供應(yīng)不斷，電池能持續(xù)不斷向負(fù)載輸出電能。供電功率比一般電池大得多。

 

燃料電池的基本組成：電極、電解質(zhì)、燃料和氧化劑。燃料電池的電極為多孔結(jié)構(gòu)，由具有電化學(xué)催化活性的物質(zhì)制成，它是電化學(xué)反應(yīng)的載體和電流的傳導(dǎo)體。電解質(zhì)可以是固態(tài)或液態(tài)，液態(tài)電解質(zhì)可以是水溶液或熔融的離子晶體。電解質(zhì)的酸堿性由電池的種類和運行條件決定。燃料可以是氣體（如氫氣、氨氣、一氧化碳、氣態(tài)烴等）或液體（如甲醇、高沸點烴、液態(tài)金屬等），極少數(shù)情況下也可以是固態(tài)。氧化劑可以是純氧、空氣或鹵素。

 

目前燃料電池也可以應(yīng)用在航天器上做輔助電源，也可以用在汽車、鐵路牽引、船舶動力、海洋深潛水器上。下面介紹最基本的培根氫氧燃料電池。其結(jié)構(gòu)如圖所示

 

培根型燃料電池是以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑。工作溫度在(200-300)℃,氣體壓力在(2-3)MPa，以37%－50%的氫氧化鉀水溶液為電解液。氫氣電極為雙孔徑燒結(jié)式多孔鎳電極。氧氣電極為摻鋰雙孔燒結(jié)式多孔鎳電極。電池的使用電壓為0.85V，通常由幾十個串聯(lián)成電池組使用。完整的電池系統(tǒng)如圖。

 

 

 

 

 

太陽能電池是把太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。一般的太陽能電池是用半導(dǎo)體材料制成的。最先制造成的太陽能電池是在硅單晶的小片上摻進一薄層硼，從而得到PN結(jié)。當(dāng)日光照射到薄層上時，PN結(jié)兩側(cè)就形成電勢差。因而從某種意義上講一個太陽能電池就是一個光電二極管。單晶硅太陽能電池因其電轉(zhuǎn)化率高，制造工藝成熟，可靠性好而首先被用于衛(wèi)星等航天器。除單晶硅太陽能電池，還有其它類型的太陽能電池。其它類型太陽能電池又可分為薄膜太陽能電池和非薄膜太陽能電池。薄膜太陽能電池中，目前最有希望的是非晶硅太陽能電池，它對太陽光具有強烈的吸收能力，且只需1微米厚的非晶硅薄膜就足夠了，這只相當(dāng)于單晶硅太陽能電池所需硅片厚度的1/300。非薄膜太陽能電池中，較有前途的是砷化鎵太陽能電池，它的光電轉(zhuǎn)化率較高，而且能在較高溫度下工作。