电池工作原理

电池工作原理

1. 引言 2. 电池电源和使用方法

引言

电池无处不在——在汽车、计算机、笔记本电脑、便携式MP3播放器以及手机中都有它的身影。电池实际上是一个由大量可以生成电子的化学物质组成的装置，生成电子的化学反应称为“电化学反应”。本文从电池的基本工作原理、电池内部发生的实际化学反应、电池未来的发展前景以及可能会取代电池的能量源等方面对电池进行了全面介绍。

如果你留意一下电池，便会发现它有两个端子。一个端子标记为（+）（正极），另一个端子标记为（-）（负极）。在AA型、C型或D型电池（普通的手电筒电池）中，电池的两端便是端子。在大型的汽车蓄电池中，有两个较重的极柱用作端子。

电子聚集在电池的负极端子，如果在负极端子和正极端子之间连接一根金属线，电子便会从负极端子迅速流向正极端子（并且会瞬间击坏电池——这种情况通常比较危险，尤其对于大型电池更是如此，因此切勿执行此操作）。通常情况下，应使用金属线将某种类型的负载连接到电池，负载可以是灯泡、电动机或类似无线电这样的电路。

电池内部的化学反应可生成电子，两个端子之间流动的电子数量取决于此化学反应生成电子的速度（电池的内部电阻）。电子从电池流入金属线，并且必须从负极端子流向正极端子才会发生化学反应。这就是电池在闲置一年以后仍具有大量能量的原因——除非电子从负极端子流向正极端子，否则将不会发生化学反应。当连接金属线后，将开始发生化学反应。

1800年，Alessandro Volta（伏特）发明了第一块电池。为了制作这块电池，他将锌片、用盐水浸泡过的吸墨纸和银片交替堆叠在一起，如图所示：

种结构称为伏打电堆。伏打电堆的顶层和底层必须是不同的金属，如图所示。如果用一根金属线将伏打电堆的顶部和底部连接在一起，便可以从电堆中测量到电压和电流。电堆的高度不受限制，每增加一层都会使电压按固定值递增。

在十八世纪发电机诞生之前（发电机于十八世纪70年代诞生并得到完善），Daniell电池（另有三个别名：因锌电极的典型形状而得名的“Crowfoot电池”，因重力使两种硫酸盐分开而得名的“重力电池”，以及因为使用液体电解质而得名的“湿电池”，它与现代“干电池”正相反）是极为普遍的电报和门铃供电装置。Daniell电池是由铜极板和锌极板以及硫酸铜和硫酸锌组成的湿电池。

要制作Daniell电池，请将铜极板置于玻璃瓶的底部。向铜极板上倒入半瓶硫酸铜溶液。然后将锌极板悬于瓶中（如图所示），并慢慢将硫酸锌溶液倒入瓶中。由于硫酸铜的密度大于硫酸锌，因此硫酸锌将“悬浮于”硫酸铜之上。显而易见，这种方法并不适用于手电筒，但对于固定设备却比较适合。如果你可以使用硫酸锌和硫酸铜，则可以尝试自制一个Daniell电池。

实验

如果要了解用于制作电池的电化学反应，可以轻松地在家进行实验，以尝试不同的组合。要准确地进行这些实验，您需要在当地的电子市场或硬件商店购买一个廉价（10美元至20美元）的伏特-欧姆表。确保伏特-欧姆表可以显示低电压（位于1伏范围内）和低电流（位于5至10毫安范围内）。这样，您便可以确切看到电池发生的反应。

首先，可以使用硬币和纸板自制一个伏打电堆。将盐与水混合在一起（尽量达到饱和），并将纸板浸入盐水中。然后将一美分硬币和五美分硬币交替堆叠在一起，查看电堆生成的电压和电流读数是多少。改变电堆的层数，并查看它对电压的影响。节日尝试交替堆叠一美分硬币和十美分硬币，并查看结果如何。也可以交替堆叠十美分硬币和五美分硬币。还可以尝试使用的其他金属包括铝箔和钢，而每个金属组合都会生成略微不同的电压。

另一个可以尝试的实验需要使用婴儿食品罐（如果你的家里没有婴儿，只需在商场购买几个婴儿食品罐，然后将其中的食品全部倒出即可）、稀酸、金属线和钉子。向罐中倒满柠檬汁或醋（稀酸），然后将一根钉子和一根铜线放入罐中，使其互不接触。可以尝试使用镀锌钉和普通的铁钉。然后将伏特表与钉子和铜线连接在一起，测量电压和电流。将柠檬汁替换为盐水，并使用其他硬币和金属，可以查看其对于电压和电流的影响。

你可以制作的最简单的电池或许称作锌碳电池。通过了解该电池内部发生的化学反应，你可以对电池的基本工作原理有所了解。

假设有一瓶硫酸（H2SO4），将锌棒放入其中后，硫酸会立即将锌棒溶解。随后会看到锌棒上生成了氢气气泡，此时锌棒和硫酸将开始变热。下面介绍了所发生的化学反应：

• 硫酸分子离解为三个离子：两个H+离子和一个SO4--离子。

• 锌棒表面上的锌原子