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化学电源原理

铜臭 / 2022-07-23

化学电源是一种将化学能转变为电能的装置。按其工作特点可分为一次电池和二次电池。一次电池是电池经过放电以后不进行再充电的电池，如日常生活中用的锌锰干电池;二次电池就是电池放电以后，再进行充电使其恢复办原状，从而能再放电的电池。由于在充电过程中电能以化学能的形式储蓄在电池里，所以二次电池又叫蓄电池。下面介绍两种常用的化学电源。

一、锌锰干电池

锌锰干电池的结构如图10-13所示。电池的外壳锌片为负极，MnO₂为正极，碳棒仅起导电体作用。NH₄CI、ZnCl₂和面粉制成的糊状混合物作为电解质溶液。电池结构为:

Zn|NH₄CI·ZnCl₂|MnO₂C

负极: Zn-2e=Zn²⁺

正极: 2MnO₂+2NH₄⁺+2H₂O+2e=2NH₃+2Mn(OH)₃

用NH₄CI和ZnCl₂作电解质是因为NH₄CI的导电度较大，ZnCl₂有吸水性，加入它可阻止电解液变干。电解质溶液中加入面粉是为了增加溶液的粘度(使溶液失去流动性，便于电池的使用和运输)。电池的端电压，正常时为1.5伏，使用较长时间后电压便显著下降。

二、铅蓄电池

铅蓄电池是使用历史最早的电池，主要用在耗电量较大的设备上。它的电极是用铅锑合金制成的栅状极片，在极片的栅格中间填嵌着PbO和水的糊状物，干燥后浸入含有稀H₂SO₄(比重1.22~1.28)的酸槽中。此时，发生下列反应:

PbO+H₂SO₄=PbSO₄+H₂O

PbSO₄附着在铅板上。

使用前，必须先用外来直流电源对已装有比重约为1.05稀H₂SO₄的蓄电池进行充电。充电时，把两组铅板分别和直流电源的负极和正极相连，如图10-14所示。电流通过蓄电池的两极反应如下:

A板(负极): PbSO₄+2e=Pb+SO₄²⁻

B板(正极): PbSO₄+2H₂O-2e= PbO₂+4H⁺+SO₄²⁻这样随着充电过程的进行，PbSO₄在 A板变成蓬松的金属铅，在B板变成PbO₂，而在溶液中有H₂SO₄生成。因此，测定铅蕾电池内H₂SO₄溶液的比重可判断充电的程度。充电完毕后，铅蓄电池中每对电极，即每个电池的电动势约为2伏，H₂SO₄液的比重在1.22~1.28之间。充电后的蓄电池可表示为:

Pb|H₂SO₄|PbO₂,Pb

放电时蓄电池即成为原电池，两极上的反应是:

负极(A板): Pb-2e+SO₄²⁻=PbSO₄

正极( B板):PbO₂+4H⁺+SO₄²⁻+2e=PbSO₄+2H₂O

放电时两极上的反应恰为充电时两极反应的逆反应。总的电池反应为:

放电时正极和负极都变成PbSO₄，同时随着放电时H₂SO₄的消耗，溶液的比重降低。当溶液比重降到大约1.05或每对电极间电压下降到1.7伏(此数值随不同的放电情况以及电池的型号而略有不同)左右时，就应停止使用，需重新充电。蓄电池的电压高，放电情况稳定，电能的输出效率较高;但缺点是较笨重，保养要求严格，如果长期不用或长期不充电，蓄电池就会被损坏。

把几组电池串联，就可获得较高的电压，市售的铅蓄电池有6伏、12伏和24伏等多种规格。

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