发布时间 : 星期日 文章哈工大化学小论文更新完毕开始阅读24e943569b6648d7c1c7466e
对原电池的理解
姓名
航天学院 电子信息科学与技术 学号 电话 邮箱
【摘 要】: 原电池的发明是科学技术领域的重大贡献，它是科学原理和技术的巧妙结合。原电池原理既是制造各种电池的理论基础，又是金属电化腐蚀和防护的理论依据。本文在理解原电池的原理的基础上,对原电池的应用和原电池的安全问题做了简要说明，并对原电池未来的发展和改进做了一些探索。
【关键词】：原电池；原理；构成；安全问题；发展
原电池是将化学能转化为电能的装置，电子从负极( 较活泼金属) 流向正极( 较不活泼 金属或非金属) , 负极失电子, 被氧化, 发生氧化反应; 正极得电子, 被还原, 发生还原反应。负极聚集较多的正电荷; 正极聚集较多的负电荷。溶液中阴离子向负极、阳离子向正极做定向移动。原电池形成的条件: (1) 两种活泼性不同的金属( 或金属与非金属) 作电极; (2) 两电极插入电解质溶液中; (3) 形成闭合回路。本质条件为负极能与电解质溶液中的某种成分发生氧化还原反应。( 对各种新型电池, 如燃烧电池, 不一定有此条件)。原电池由三个部分组成：两个半电池、盐桥和导线。电极在原电池中扮演了重要的角色，可以将电极分为两类，第一类电极是将某金属或吸附了某种气体的惰性金属电极放在含有该种元素离子的溶液中构成的；第二类电极为金属-难溶盐电极和金属-难溶氧化物电极；第三类电极的极板为惰性导电材料。电极在原电池中起着至关重要重要的作用，我们有必要对它有着深入的了解。为了更好地计算电动势，我们引入了电极电势，原电池的电动势就等于正极的电极电动势减去负极的电极电动势。在电极电势的测量中，我们找到了一个参比电极，一般用的是标准氢电极。电极电势的大小除了决定于电极物质的本性外，还与浓度（分压）和温度有关（但温度对其影响不大）。为了便于比较，规定组成电极的所有物质都在各自的标准下，温度通常为298.15K，这时所测得的电极电势叫该电极的标准电极电势。
原电池产生电流的原因是原电池有电动势，它是化学反应的推动力。同时△G是反应的推动力，所以，△G与E之间应该有一定的联系，经推算，△rGm=-zFE,这样，我们将化学反应的热力学理论方法与原电池的电动势联系起来了，对化学反应的本质有了进一步的深入了解。由于电极电势与反应物浓度有关，且当反应产物浓度增大时，电池电动势减小；当反应物浓度增大时，电池的电动势增加，这些都可以由电池电动势的Nernst公式得到。
原电池亦称一次电池。只能使用一次，不能充电复原继续使用。1796年意大利物理学家伏打使用银制圆片，盐水浸润的吸墨水纸片和锌片交替叠成电堆，设计成一种连续电源。这是历史上最重要的实验性发现之一，使19世纪初期的电化学发现成为可能。伏打电池中银极是正极，发生还原作用; 锌极是负极，发生氧化反应。干电池、丹聂尔电池等都属于原电池。丹聂尔电池也叫铜锌原电池。铜板为正极，浸在CuSO4溶液中，负极是锌极，浸在 ZnSO4
[1]
溶液中，两电解液间常以多孔素烧瓷隔膜隔开。放电时负极上Zn被氧化(Zn→Zn +2e)，正极上Cu被还原(Cu+2e→Cu)。溶液中离子可通过多孔膜移动，使电解液保持中性。电化学中原电池的组成可用符号表示，丹聂尔电池由锌和铜分别在其盐类溶液中形成的两个半电池组成，符号表示为
(一)Zn|ZnSO4‖CuSO4|Cu(+)
任何两种活性不同的材料在有电解液存在下一般都可构成原电池。金属的电化腐蚀就是无数个微小原电池作用的结果。有些原电池可以作为电源，提供一定的电能，用作供电、照明、电源或启动发动机和其他装置。近年来用于自动控制和人造卫星等的新型电池也属于这一类原电池。另一些原电池 (如丹聂尔电池等)可用于各种电化学测量，特别是对热力学函数的测定比其他方法优越。溶液中离子的活度，pH值，化合物的生成自由能和其他热力学函数的电化学测定法都是利用原电池电动势的测定间接计算得出的。近来发展的固体电解质电池可用于高温熔体的电化学测量，并已在冶金生产中得到应用。可以说原电池与我们的生产生活息息相关。
任何商品的生产和使用，都涉及一个安全问题，电池也不例外。早期生产和使用的原电池主要是锌锰电池，其安全性能好，所以它的安全标准未引起国际和国内标准化部门的注意;近年来新型电池的生产和使用，引发了安全性能的问题。随着科学技术的发展，新的电化学体系的原电池不断出现，为消费者提供越来越好的化学电源，使用电池作电源的器具也日益增加，为电池工业的发展提供了机会。首先，电池生产厂要有良好的产品质量保证体系，并切实实施这个体系，以保证产品的包括安全性能在内的各项质量指标符合要求;同时，整个电池行业要加强宣传，让消费者逐步了解电池产品的基本知识，以及使用电池的注意事项。目前，国内消费者对电池的分类、电池安全使用常识知之甚少，很多人不清楚普通锌锰电池和碱性锌锰电池的区别;有的人买电池专挑便宜的电池买，而另有一些人专买标有外文商标的价格贵的电池;一些人为了节约，常常买了两只电池先用一只，把它和另一只用过的旧电池混用，然后将另一只新电池和同时购买、用过的电池配对再用;还有人对原电池充电，以期电池再生继续使用;有的商店的营业员把IR6型碱性锌锰电池标成可充电电池，甚至还有单位声称研制成功原电池的充电器，要求检测机构检验鉴定。因此，全国电池行业的科研部门、标准化组织、检测机构和生产单位都有责任宣传电池的基本知识，宣传正确使用电池的注意事项，消除消费者对电池“爆炸”的误解。建议电池生产、销售商在做文字广告时，适当加进电池有关常识的内容，以有利于我国消费者对电池的了解。消费者对电池知识了解得多了，上述爆炸的报道就会少了。电池生产厂在执行国家标准、行业标准时，不但要注意电池放电容量等主要指标，同时要注意标准中有关标志的规定，有的生产厂在五号电池的标签上注明使用电池注意事项，如极性不要倒置，不要对电池充电，不要用火销毁电池等，值得推广。对于小型电池，至少要在电池的直接包装上有安全使用指导。我们相信，通过努力，消费者一定会对电池有更多的了解，真正安全使用电池。
原电池技术的再发展现有的原电池产品，正面临着来自于用电器具方面、消费者诉求方面、自然与人和谐发展的要求方面这三个方面的变化。从用电器具的角度来看，原电池产品
[2]
2+
2+
2+
所面临的变化最显而易见。功能日趋综合、型号规格日趋繁多并个性化、重量体积日趋轻薄。从消费者诉求的角度来看，现有原电池产品所面临的变化主要集中在以下四个方面： 1) 有更长的使用时间； 2) 有更长的使用寿命； 3) 有更低的使用成本； 4) 有更可靠的安全保障。
从自然与人和谐发展的社会要求角度来看，现有原电池产品则要符合可持续发展的要求。不仅电池生产所使用的材料及产品制造过程要符合环境保护的要求，产品消费与使用过程也要符合环保的要求，最后，产品的废弃与处置还要符合环保的要求，以上这些变化毫无疑问地要求服务于电器的电池要随之而发生相应的变化。归纳起来，就是要求电池： 1) 要有更大的功率密度——— 满足电器集成更多功能的需要； 2) 要有更长而稳定的储存寿命——— 满足人们使用方便的需要；
3) 要有更可靠的安全保障——— 满足电器日益高档昂贵而带来的对电池安全性更高的要
求
4) 要有更灵活多样的外观形状与尺寸——— 满足电器型号规格日益繁多与个性化设计的
需要；
5) 要有更经济实用的价格——— 满足消费者节约使用成本，电器供应商增强产品竞争力
的需要；
6) 要对环境更友好——— 满足人与环境和谐发展的需要。
用这样的要求来检视现有的电池产品，我们便不难发现：原电池产品有着其自身不可替代的优势，也有着其自身不能不进一步再发展的需要。优势之一是原电池产品使用方便，操作简单。优势之二是它不依赖电网使用，不必在设备之外随身携带附加的充电器具，有利于电器的充分便携，且荷电储存稳定，特别适用于应急、备用和旅行使用的电器。优势之三是原电池广为人们所熟悉，易于被人们所接受。但我们也不能忽视它的不足，它的局限，而这就是原电池技术再发展的方向。在能量密度与功率密度方面，新系列原电池的功率密度较既往产品有很大幅度的提高：锂锰、锂二硫化铁电池的功率密度是锌锰系列的数倍，碱锰系列的能量密度、功率密度也有以上大幅度的改善，相比于二次电池，能量密度上继续领先于氢镍，镍镉电池，与锂离子电池相当；功率密度上则仍与二次电池有较大的差距。而锌锰电池则无论在功率密度还是能量密度上都已远远落后于其它各种电池，不能再跟随时代进步。这表明锌锰电池的碱性化已不可避免，这是这个系列电池发展的方向。功率密度上原电池与二次电池的差距反映在实际应用中，突出表现在现今主流的原电池在数码相机等新型高功率电器产品上的表现很难令人满意。在荷电保持能力方面，虽然蓄电池有了大幅度的提高, 但原电池的荷电保持能力仍更胜一筹，是蓄电池所无法比拟的。如镍氢电池，常温下其荷电保持能力仅有数十天，而原电池荷电保持能力多达数年。在适应电器的形状要求方面，原电池发展的情况则远远落后于蓄电池。如具有钢或铝制外壳的角型氢镍和锂离子电池的厚度低限已降至
[3]
约144, 可充电池的设计已能满足多种音频设备，尽管目前只是区域性的，但电池适应电器向超薄化方向发展的趋势非常明显。改善形状对电器的适应性是原电池技术再发展的另一个重要方向。从适应人与自然和谐发展的要求角度看，在我国数量还很大的普通锌锰电池明显不适应发展的需要。一方面，同样型号规格的碱性电池与锌锰电池相比，材料的消耗相差不大，另一方面，低品级锌锰电池由于使用杂质含量高的原材料，必须在电池生产过程中加入高度危害人体健康与环境的汞及其化合物或使用含汞的电池材料，而碱锰电池已实现无汞化，是绿色环保产品。在资源日益有限、原材料价格不断攀升的今天，锌锰系列电池向碱性化方向发展也势在必然。消费者诉求的变化和人与自然和谐发展的要求正在使原电池技术发生革命性的转变，原电池技术再发展的障碍也正在被打破。进一步提高原电池产品的功率密度，改善形状对电器的适应性是原电池技术再发展的方向；原电池产品中应用最广最为人熟悉的锌锰电池将继续大踏步地向碱性化的方向发展。作为当代的大学生，我们应该发挥自己的创造力，让原电池发挥更大的功能。
[参考文献]
[1] 工科大学化学 强亮生 徐崇泉 高等教育出版社
[2] 关于原电池的安全标准 梁根源 电池工业 1999-02-25第4卷第1期 [3] 原电池技术的再发展 金成昌 电池工业 2006-04-25 第11卷第2期