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化学电池的研究论文

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化学电池的研究

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摘要

通过前人的研究得知化学电池是将化学能直接转变为电能的装置。

而这一理论历了伏特的“伏特电堆”，才有化学电池（原电池和蓄电池两种）的问世。

而化学电池按工作性质可分为：

一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）;铅酸蓄电池碱性氢氧燃料电池磷酸型燃料电池等等。

这些电池的问世既给社会带来好的一面，同时也带来一些弊端。

生产生活中我们要正确对待它。

毕竟，“化学电池是把双刃剑”。

关键词：

化学电池；发展史；种类；废电池处理

引言

化学电池是将化学能直接转变为电能的装置。

它在人们日常生活中的应用范围极其广泛。

现在我们就对化学电池工作原理（主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线）、种类以及它对环境、对人类健康污染源头的认识一定要到位。

只有做到这些我们才能正确的使用好化学电池、才能从本质上对废电池做正确的处理,也只有做到这些、我们的处理方法才会更妥当、化学电池对我们的健康、对环境、才会更有利、才能为我们的生活带来福音。

也只有这样，我们对它的处理才不会违背可持续发展、科学发展观、和谐发展的理念。

化学电池才会有更好的发展前景，我们的明天才会更加的美好。

一化学电池的发展史简介

1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。

于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。

用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。

伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。

这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。

它成为早期电学实验，电报机的电力来源。

1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。

他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌—铜电池，又称“丹尼尔电池”。

此后，又陆续有去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。

但是，这些电池都存在电压随使用时间延长而下降的问题。

1860年，法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池。

这种电池的独特之处是，当电池使用一段使电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。

因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。

然而，无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体，因此搬运很不方便，特别是蓄电池所用液体是硫酸，在挪动时很危险。

二化学电池的种类

化学电池按工作性质可分为：

一次电池（原电池）；二次电池（可充电电池）;铅酸蓄电池。

其中：

一次电池可分为：

糊式锌锰电池、纸板锌锰电池、碱性锌锰电池、扣式锌银电池、扣式锂锰电池、扣式锌锰电池、锌空气电池、一次锂锰电池等。

二次电池可分为：

镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、二次碱性锌锰电池等。

铅酸蓄电池可分为：

开口式铅酸蓄电池、全密闭铅酸蓄电池。

1.锌锰电池

锌二氧化锰电池[1]（简称锌锰电池）又称勒兰社（Leclanche）电池，是法国科学家勒兰社（Leclanche，1839-1882）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，面淀粉或浆层纸作隔离层制成的电池称锌锰电池，由于其电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其它载体上而呈现不流动状态，故又称锌锰干电池。

按使用隔离层区分为糊式和板式电池两种，板式又按电解质液不同分铵型和锌型电池纸板电池两种。

干电池用锌制筒形外壳作负极，位于中央的顶盖上有铜帽的石墨棒作正极，在石墨棒的周围由内向外依次是A：

二氧化锰粉末（黑色）------用于吸收在正极上生成的氢气；B：

用饱和了氯化铵和氯化锌的淀粉糊作为电解质溶液。

2.碱性锌锰电池[2]

20世纪中期在锌锰电池基础上发展起来的，是锌锰电池的改进型。

电池使用氢氧化钾（KOH）或氢氧化钠（NaOH）的水溶液做电解质液，采用了与锌锰电池相反的负极结构，负极在内为膏状胶体，用铜钉做集流体，正极在外，活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接，正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。

3.铅酸蓄电池[3]

1859年法国普兰特（Plante）发现，由正极板、负极板、电解液、隔板、容器等5个基本部分组成。

用二氧化铅作正极活性物质，铅作负极活性物质，硫酸作电解液，微孔橡胶、烧结式聚氯乙烯、玻璃纤维、聚丙烯等作隔板制成的电池。

铅蓄电池可放电也可以充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳；正极板上有一层棕褐色的二氧化铅，负极是海绵状的金属铅，正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板隔开（以防止电极之间发生短路）；两极均浸入到硫酸溶液中。

放电时为原电池，其电极反应为:

　　负极：

Pb+SO42－－2e===PbSO4

　　正极：

PbO2+4H++SO42－+2e===PbSO4+2H2O

　　总反应式为：

Pb+PbO2+2H2SO4======2PbSO4+2H2O

当放电进行时，硫酸溶液的的浓度将不断降低，当溶液的密度降到一定浓度时应停止使用进行充电，充电时为电解池，其电极反应如下：

　　阳极：

PbSO4+2H2O－-2e===PbO2+4H++SO42－

　　阴极：

PbSO4+2e===Pb+SO42－

　　总反应式为：

2PbSO4+2H2O======Pb+PbO2+2H2SO4

当溶液的密度升到一定浓度时，应停止充电。

4.锌银电池

一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极壳组成，形似纽扣（俗称纽扣电池）。

盒内正极壳一端填充由氧化银和石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液。

电极反应式如下：

　　负极：

Zn+2OH－－2e===ZnO+H2O

　　正极：

Ag2O+H2O+2e===2Ag+2OH－

　　电池的总反应式为：

Ag2O+Zn======2Ag+ZnO

电池的电压一般为1.59V左右，使用寿命较长。

5.镉镍电池和氢镍以及金属氢化物镍电池

二者均采用氧化镍或氢氧化镍作正极，以氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液，金属镉或金属氢化物作负极。

金属氢化物电池为20世纪80年代，利用吸氢合金和释放氢反应的电化学可逆性发明制成，是小型二次电池主导产品。

6.锂电池

锂电池是一类以金属锂或含锂物质作为负极材料的化学电源的总称通称锂电池，分为一次锂电池和二次锂电池。

7.锂离子电池

指能使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极，锂的化合物作正极，混合电解液作电解质液制成的电池。

锂离子电池是1990年有日本索尼公司研制出并首先实现产品化。

国内外已商品化的锂离子电池正极是LiCoO2，负极是层状石墨。

8.熔融盐燃料电池

这是一种具有极高发电效率的大功率化学电池，按其所用燃料或熔融盐的不同，有多个不同的品种，如天然气、CO、---熔融碳酸盐型、熔融磷酸盐型等等，一般要在一定的高温下才能工作。

　　负极反应式：

2CO+2CO32－－4e===4CO2

　　正极反应式：

O2+2CO2+4e===2CO32－

　　总反应式为：

2CO+O2===2CO2

　　该电池的工作温度一般650oC左右。

9.海水电池

1991年，我国科学家首创以铝---空气---海水为材料组成的新型电池，用作航海标志灯。

该电池以取之不尽的海水为电解质，靠空气中的氧气使铝不断氧化而产生电流。

其电极反应式如下：

　　负极：

4Al–12e===4Al3+

　　正极：

3O2+6H2O+12e===12OH－

　　总反应式为：

4Al+3O2+6H2O===4Al（OH）3

这种电池的能量比普通干电池高数十倍。

本段是新型化学电池

（1）碱性氢氧燃料电池[5]

这种电池用30%-50%KOH为电解液，在100°C以下工作。

燃料是氢气，氧化剂是氧气。

其电池图示为（―）C|H2|KOH|O2|C（+）

　　电池反应为负极2H2+4OH―4e=4H2O

正极O2+2H2O+4e=4OH－

　　总反应2H2+O2=2H2O

碱性氢氧燃料电池早已于本世纪60年代就应用于美国载人宇宙飞船上，也曾用于叉车、牵引车等，但其作为民用产品的前景还评价不一。

否定者认为电池所用的电解质KOH很容易与来自燃料气或空气中的CO2反应，生成导电性能较差的碳酸盐。

另外，虽然燃料电池所需的贵金属催化剂载量较低，但实际寿命有限。

肯定者则认为该燃料电池的材料较便宜，若使用天然气作燃料时，它比已经商业化的磷酸型燃料电池的成本还要低。

（2）磷酸型燃料电池

它采用磷酸为电解质，利用廉价的炭材料为骨架。

它除以氢气为燃料外，现在还有可能直接利用甲醇、天然气、城市煤气等低廉燃料，与碱性氢氧燃料电池相比，最大的优点是它不需要CO2处理设备。

磷酸型燃料电池已成为发展最快的，也是目前最成熟的燃料电池，它代表了燃料电池的主要发展方向。

目前世界上最大容量的燃料电池发电厂是东京电能公司经营的11MW美日合作磷酸型燃料电池发电厂，该发电厂自1991年建成以来运行良好。

近年来投入运行的100多个燃料电池发电系统中，90%是磷酸型的。

市场上供应的磷酸型发电系统类型主要有日本富士电机公司的50KW或100KW和美国国际燃料电池公司提供的200KW。

富士电机已提供了70多座电站，现场寿命超过10万小时。

磷酸型燃料电池目前有待解决的问题是：

如何防止催化剂结块而导致表面积收缩和催化剂活性的降低，以及如何进一步降低设备费用。

三废电池的危害与处理方法[6]

1、电池的危害[7]

    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。

2:

处理方法[8]

（1）堆肥法：

当生活垃圾堆肥处理时，会因含汞等重金属而影响发酵，这种处理方法对人体和环境都有害。

（2）焚烧法：

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，危害更大。

（3）填埋法：

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。

（4）热处理法：

瑞士有两家专门加工利用旧电池的工厂，巴特列克公司采取的方法是将旧电池磨碎，然后送往炉内加热，这时可提取挥发出的汞，温度更高时锌也蒸发，它同样是重金属。

铁和锰融合成后成为炼钢所需的锰铁合金，该工厂一年可以加工2000吨废电池，可获得780吨锰铁合金，4000吨锌合金及3吨汞。

另一家工厂则是从电池中提取铁元素，并将氧化锰、氧化锌、氧化铜和氧化镍等金属混合物作为金属直接出售。

（5）湿处理法：

德国马格德堡近郊区正兴建一个“湿处理”装置，在这里除铅蓄电池外，各类电池均溶解于硫酸，然后借助离子树脂从溶液中提取各种金属物，用这种方式获得的原料比热处理方法纯净，因而在市场上售价也更高，而且电池中包含的各种物质有95%都能提取出来。

湿处理可省去分拣环节（因为分拣是手工操作，会增加成本。

）马格德堡这套装置年加工能力可达7500吨，其成本虽然比填埋方法略高，但贵重原料不致丢弃也不会污染环境。

（6）真空热处理法[9]：

德国阿尔特公司研制的真空热处理法还要便宜，不过这首先需要在废电池中分拣出镍镉电池，废电池在真空中加热，其中汞迅速蒸发，即可将其回收，然后将剩余原料磨碎，后用磁体提取金属铁，再从余下粉末中提取镍和锰。

结论

通过以上论述，我们对化学电池的认识更加深刻，我们知道了很多种类的化学电池以及它们的工作原理、它们的构造、各种化学电池的优点、缺点。

所以要想让它们为我们的生产生活服务、为社会主义建设社会服务，我们就要必须抓住他们的优点、知道他们的缺点、以至于扬长避短。

这样正确地利用好化学电池、处理好废旧电池，也只有这样，我们对电池的利用与处理才能更佳；也只有这样，我们的生活才能更美好，社会主义的明天才更加美好。

参考文献

[1]张玲,陈磊磊.化学教学[J].上海.2010,（8）

[2]严宣申.普通无机化学（第二版）[M],北京,北京大学出版社.2000,134-138.

[3]于同双.蓄电池[J],沈阳.2008,（12）.

[4]严宣申.普通无机化学[M],北京大学出版社.2000,97-104.

[5]天津大学化学教研室.无机化学（第三版）[M],北京,高等教育出版社.2002.,201-211.

[6]人力资源和社会保障部教材办公室,化学电池制造工[J],北京.2005,（17）.

[7]废电池污染防治技术政策.国家环境保护总局[J].2003,（22）.

[8]期崔燕,王海宁.技情报开发与经济[J],北京.2007,（8）.

[9]戴志群,黄思良.化学废旧电池的环境污染和利用[J],江苏.2005,（13）.