日常生活中常见的化学电源

日常生活中常见的化学电源电池是指能将化学能、内能、光能、原子能等形式的能直接转化为电能的装置。最早的电池我们可以追溯到两百年以前意大利物理学家伏打发明的伏打电池，它使人们第一次获得了比较稳定而持续的电流,具有划时代的意义。在伏打电池原理和研发精神的指引下，人们通过不断努力，开发了一代又一代的新型电池，从人们普遍使用的干电池到新型的太阳能电池、锂聚合物电池（Li-polymer）和燃料电池等等，不仅在电池容量、体积、使用方便程度等方面有很大突破，更重要的是在这些新型电池的研发过程中，渗透着人们强烈的绿色环保意识。化学电源品种繁多，大体可分为三类：1.一次电池（1）锌锰电池—干电池普遍用在手电和小型器械上的干电池，外壳锌片作负极，中间的碳棒是正极，它的周围用石墨粉和二氧化锰粉的混合物填充固定，正极和负极间装入氯化锌和氯化铵的水溶液作为电解质，为了防止溢出，与淀粉制成糊状物。其电极反应式为：负极：Zn-2e-==Zn2+正极：2NH4++2e-=2NH3↑+H2↑产生的NH3和Zn2+作用：Zn2++4NH3=[Zn(NH3)4]2+产生的H2和MnO2作用：H2+2MnO2=Mn2O3+H2O总反应式为：2Zn+4MnO2+4NH4Cl==[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+2Mn2O3+2H2OZn+2MnO2+2NH4Cl==Zn(NH3)2Cl2+2MnO(OH)或Zn+2NH4+=Zn2++2NH3↑+H2↑电池中MnO2的作用是将正极上NH4+还原生成的H2氧化成为水，以免产生H2附在石墨表面而增加电池内阻。由于反应中锌筒不断消耗变薄，且有液态水生成，故电池用久后会变软。新制干电池的电动势为1.5V，这样的干电池是“一次”电池，不能充电再生。（2）银锌电池—钮扣电池钮扣电池最常见的为微型的Ag—Zn电池，它用不锈钢制成一个由正极壳和负极壳盖组成的小圆盒。盒内靠正极壳一端充由Ag2O和石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充Zn—Hg合金作负极活性材料，电解质溶液为KOH。该电池使用寿命较长，广泛用于电子表和电子计算机。其电极分别为Ag2O和Zn，电解质为KOH溶液。其电极反应式为：负极：Zn+2OH--2e-==ZnO+H2O正极：Ag2O+H2O+2e-==2Ag+2OH-总反应式为：Zn+Ag2O==ZnO+2Ag（3）高能电池—锂电池该电池是20世纪70年代研制出的一种高能电池。由于锂的相对原子质量很小，所以比容量（单位质量电极材料所能转换的电量）特别大，使用寿命长，适用于动物体内（如心脏起搏器）。因锂的化学性质很活泼，所以其电解质溶液应为非水溶剂。如作心脏起搏器的锂—碘电池的电极反应式为：负极：2Li-2e-==2Li+正极：I2+2e-==2I-总反应式为：2Li+I2==2LiI（4）海水铝电池该电池是1991年我国首创以“铝-空气-海水”电池为能源的新型航海标志灯。这种灯以海水为电解质溶液，靠空气中氧气使铝不断氧化而产生电流，只要把灯放入海水中就能发出耀眼的闪光，其能量比干电池高20—50倍。其电极反应式为：负极：4Al-12e-==4Al3+正极：3O2+6H2O+12e-==12OH-总反应式为：4Al+3O2+6H2O==4Al(OH)32、蓄电池：可以多次反复使用，放电后可以充电复原，又称二次电池。（1）铅蓄电池蓄电池能够充电再生，当其放电时，发生自发反应，它起一个原电池的作用；充电时发生电解反应，起电解池的作用，可使原来的反应物再生。汽车用的铅蓄电池是最常用的蓄电池之一。它是由间隔的海棉状的铅板和二氧化铅所构成，并浸在硫酸溶液中。当电池放电时，发生下列反应：负极：Pb+SO42--2e-=PbSO4正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O总反应式为：Pb＋PbO2＋2H2SO4＝2PbSO4＋2H2O（2）碱性镍—镉电池该电池以Cd和NiO(OH)作电极材料，NaOH作电解质溶液。其电极反应式为：负极：Cd+2OH--2e-==Cd(OH)2正极：2NiO(OH)+2H2O+2e-==2Ni(OH)2+2OH-总反应式为：Cd+2NiO(OH)+2H2O==Cd(OH)2+2Ni(OH)2从上述两种蓄电池的总反应式可看出，铅蓄电池在放电时除消耗电极材料外，同时还消耗电解质硫酸，使溶液中的自由移动的离子浓度减小，内阻增大，导电能力降低。而镍—镉电池在放电时只消耗水，电解质溶液中自由移动的离子浓度不会有明显变化，内阻几乎不变，导电能力几乎没有变化。3、燃料电池：又称连续电池，一般以天然燃料或其它可燃物质如H2、CH4等作为负极反应物质，以O2作为正极反应物质而形成的。燃料电池体积小、质量轻、功率大，是正在研究的新型电池之一。（1）氢氧燃料电池主要用于航天领域，是一种高效低污染的新型电池，一般用金属铂（是一种惰性电极，并具有催化活性）或活性炭作电极，用40%的KOH溶液作电解质溶液。其电极反应式为：负极：2H2+4OH--4e-=4H2O正极：O2+2H2O+4e-=4OH-总反应式为：2H2+O2=2H2O（2）甲醇燃料电池是最近摩托罗拉公司发明的一种由甲醇和氧气以及强碱作为电解质溶液的新型手机电池，电量是现有镍氢电池或锂电池的10倍。其电极反应式为：负极：2CH4O+16OH--12e-==2CO32-+12H2O正极：3O2+6H2O+12e-==12OH-总反应式为：2CH4O+3O2+4OH-==2CO32-+6H2O（3）固体氧化物燃料电池该电池是美国西屋公司研制开发的，它以固体氧化锆—氧化钇为电解质，这种固体电解质在高温下允许O2-在其间通过。其电极反应式为：负极：2H2+2O2--4e-=2H2O正极：O2+4e-=2O2-总反应式为：2H2+O2=2H2O废电池的危害一般的电池主要成分为碳棒、碳粉、铝皮、包装纸，其中含有铁、碳、锌、锰、铝等元素以及一些微量的汞、镉、镍等元素，虽然所含的汞、镍含量极少，但其是重金属，所以对人体、环境的危害却不可估量。（1）废电池对人体的危害。汞是一种毒性很强的重金属，对人体中枢神经的破坏力很大，上世纪五十年代发生在日本的震惊中外的水俣病就是由于汞污染造成的。目前我国生产的含汞碱性干电池的汞含量达1%—5%，中性干电池的汞含量为0.025%，我国电池生产消耗的汞每年就达几十吨之多。镉在人体内极易引起慢性中毒，主要病症是肺气肿、骨质软化、贫血，严重使人体瘫痪。而铅进入人体后最难排泄，它干扰肾功能、生殖功能。（2）废电池对环境的危害。目前，我国的废电池几乎都和生活垃圾一起排出；而生活垃圾多以堆肥，焚烧，填埋三种方式处理。据检验，我国有的城市每吨垃圾汞含量竟高达1.7～5.1g，其中70%来自废电池。当生活垃圾堆肥处理时，会因含汞等重金而影响发酵；当生活垃圾焚烧处理时，烟气中的汞含量也高达1～5mg/Nmз，超过世界保健机构规定的标准60～300倍；当生活垃圾填埋处理时，电池中的重金属可能随滤液一起渗漏出，成为污染土壤和地下水的永久隐患。有关资料显示，一节一号电池烂在地里，能使1平方米的土壤永久失去利用价值；一粒纽扣电池可使600吨水受到污染，相当于一个人一生的饮水量。在对自然环境威胁最大的几种物质中，电池里就包含了汞、铅、镉等多种，若将废旧电池混入生活垃圾一起填埋，或者随手丢弃，渗出的汞及重金属物质就会渗透于土壤、污染地下水，进而进入鱼类、农作物中，破坏人类的生存环境，间接威胁到人类的健康。