化学电源的工作原理及组成

1.4.1　化学电源的工作原理及组成

化学电源是一个能量储存与转换的装置。放电时，电池将化学能直接转变为电能；充电时则将电能直接转化成化学能储存起来。当正、负极与负载接通时，正极物质得到电子发生还原反应；负极物质失去电子发生氧化反应。外线路有电子流动，电流方向由正极流向负极；电解液中靠离子的移动传递电荷，电流方向由负极流向正极。这样一系列过程构成了一个闭合回路，两个电极上的氧化、还原反应不断进行，闭合通路中的电流就能不断地流过。

例如，如图1-3所示，在盛有ZnSO₄与CuSO₄溶液的烧杯中分别插入锌片和铜片，两瓶溶液用盐桥相连。盐桥是一支U形管，通常充满用KCl（或KNO₃）饱和了的琼脂胶胨。用导线连接两个金属片，并在导线中串联一个灵敏的电流计。

图1-3　铜锌原电池

通过实验可以看到：电流计指针发生偏转，说明金属导线上有电流通过。根据指针偏转的方向，可以确定锌片为负极，铜片为正极。锌片开始溶解，而铜片上有金属铜沉积上去。

锌片溶解说明锌片失去电子，成为Zn^2＋进入溶液，其反应式为：

　　Zn→Zn^2＋＋2e^－

电子由锌片经金属导线流向铜片，溶液中Cu^2＋从铜片上得到电子成为铜原子，在铜片上析出，其反应式为：

　　Cu^2＋＋2e^－→Cu

上述装置中进行的总反应为：

　　Zn＋Cu^2＋→Zn^2＋＋Cu

这种借助于氧化还原反应将化学能转变为电能的装置称为原电池。上述由铜、锌及其对应离子所组成的原电池叫作铜锌原电池。通过这个例子我们可以知道，要使化学能直接转换成电能，必须具备两个条件：

①化学反应中失去电子的过程（即氧化过程）和得到电子的过程（即还原过程）必须分隔在两个区域中进行。这说明电池中进行的氧化还原反应和一般的化学的氧化还原反应不同。

②物质在进行转变的过程中，电子必须通过外电路。

因此，任何一个电池都应包括4个基本组成部分：电极、电解质、隔离物和外壳。

电极　电极（包括正极和负极）是电池的核心部件，它是由活性物质和导电骨架组成的。活性物质是指电池放电时，通过化学反应能产生电能的电极材料。活性物质决定了电池的基本特性。活性物质多为固体，但是也有液体和气体。目前，广泛使用的正极活性物质大多是金属的氧化物，如二氧化铅、二氧化锰、氧化镍等，还可以用空气中的氧气；而负极活性物质多数是一些较活泼的金属，如锌、铁、锂、钠等。导电骨架的作用是把活性物质与外线路接通，并使电流分布均匀，另外还起到支撑活性物质的作用。导电骨架要求机械强度好，化学稳定性好，电阻率低，易于加工。

电解质　电解质保证正负极间的离子导电作用，有的电解质还参与成流反应。不同的电池采用的电解质是不同的，一般选用导电能力强的酸、碱、盐的水溶液，在新型电源和特种电源中，还采用有机溶剂电解质、熔融盐电解质、固体电解质等。

隔离物　隔离物又称隔膜、隔板，置于电池两极之间，主要作用是防止电池正极与负极接触而导致短路。常用的隔离物质有棉纸、浆层纸、微孔塑料、微孔橡胶、水化纤维素、尼龙布、玻璃纤维等。

外壳　外壳也就是电池容器，在现有化学电源中，只有锌锰干电池是锌电极兼作外壳，其他各类化学电源均不用活性物质兼作容器，而是根据情况选择合适的材料作外壳。电池的外壳应该具有良好的机械强度，耐震动和耐冲击，并能耐受高低温环境的变化和电解液的腐蚀。常见的外壳材料有金属、塑料和硬橡胶等。