电子学/电池

电解涉及电场和电子在液体中的运动。

电解是使用电分解某些物质的过程。可以被分解的物质类型是离子物质。这仅仅意味着它们是由带电离子而不是中性原子组成的。{记住离子只是一个带正电或负电的原子}。氯化钠（食盐）就是一个离子物质的例子。钠离子带正电，氯离子带负电。它通常写成Na⁺Cl^-。

Q1) 在元素周期表中查找，钠的符号是 Na 还是 Cl？

正如你可能已经从金属模块中了解到的那样，盐是由酸和碱反应生成的任何物质。酸、碱以及因此所有盐都是离子物质。

Q2) 以下哪种物质可以被电分解：氯化钠、硫酸铁、硝酸铜？

基本实验装置

液体电解质连接到
电池或电源。
电极不能接触！

大多数离子化合物在室温下不是液体。这是一个问题，因为离子需要能够移动才能使电流流动。可以通过熔化来实现。请看右侧显示的电气装置。电极只是连接到电池的两个碳棒。连接到正极的电极称为阳极。连接到负极的电极称为阴极。

例如，考虑溴化铅。这种化合物在室温下是固体，但在本生灯火焰上可以熔化。因此，你需要将一些溴化铅放入烧杯中。将烧杯放在三脚架上，并在下面放一个本生灯。将溴化铅熔化，然后放入电极，并将电源设置为 2V。你会看到阳极上形成一层银色的纯铅涂层，而在阴极上形成溴。电流将继续流动，直到所有溴化铅都被转化为铅和溴。

Q3) 分解溴化铅等化合物需要能量。这种能量来自哪里？

Q4) 预测如果电解质是氯化铜，你将在阳极和阴极得到哪些产物。

阳极发生了什么

溴原子（蓝色）
将 2 个电子（绿色）分别释放给阳极。

阳极是正极。它吸引带负电的离子，因为异性相吸。溴离子穿过熔体移动，直到到达阳极。到达那里后，它们会释放出它们多余的两个电子，变为溴原子。

Br^2- --> Br + 2e^-

电子向上流经阳极到达电池的正极。

阴极发生了什么

阴极是负极。它吸引带正电的离子。金属离子总是带正电，因此铅离子穿过熔体，直到到达阴极。到达那里后，它们会从阴极吸收两个电子。电子从电池的负极向下流经阴极，到达铅离子。

Pb²⁺ + 2e^- --> Pb

Q5) 固体离子物质不导电，也不会被电分解。你认为这是为什么？

数量计算（仅限高级）

在溴化铅实验中，你看到了铅在阴极上沉积。如果你实际进行实验，你会看到铅覆盖了阴极。在本节中，我们将研究在给定时间内有多少金属会覆盖阴极。

一位科学家进行了以下实验。

仔细清洁一个铜阴极并准确称重。
将其与一个阳极一起放置在硫酸铜溶液中。
通过一个电流表连接到一个可变电源。
让电流通过一段时间，然后取出阴极并重新称重。

他的结果是

电流 /A	时间 /s	沉积的铜质量 /g
1	3000	1.0
2	3000	2.0
2	1500	1.0
1	1500	1.0

从结果中可以看出，沉积的总铜量取决于电流和电流通过的时间。这是因为可以由离子产生的铜原子数量取决于流过的总电荷量。电荷的单位是库仑。

一库仑是 1 安培电流流动 1 秒时的电荷量（参见初中科学/测量电

Q6) 查看上面的结果表。当 1A 电流通过 3000 秒时，沉积了多少铜？

Q7) 你预测如果 1A 电流通过 6000 秒，会沉积多少铜？

Q8) 如果 2A 电流通过 12000 秒，会沉积多少铜？

水溶液电解（高级）

在学习本节之前，请咨询你的老师，看看你是否需要.

在本模块的前面，您已经了解到离子必须能够移动才能使电解起作用。如果离子被固定住，例如在固体中，它们就无法移动，电流也无法流动。我们已经了解了如何通过熔化电解质来释放离子。另一种实现这一目标的方法是将电解质溶解在水中。这种方法的问题在于，会有不止一种类型的离子存在。

水会部分分解成离子，这就是为什么它是离子化合物的良好溶剂。它分解成氢离子和氢氧根离子。

H₂O --> H⁺ +OH^-

因此，在阴极上会有两种离子存在：金属离子以及来自水的氢离子。实际上在阴极上产生哪种元素取决于金属的反应性。如果金属非常活泼，例如钾或钠，那么就会产生氢。如果金属不活泼，例如银，那么就会产生金属。我希望您在小学学过置换反应。为了确定是金属离子还是氢离子占主导地位，请在活泼性顺序中比较它们的活泼性。最活泼的离子**不会**在阴极上产生。

在阳极上也会发生类似的情况。来自水的氢氧根离子通常在阳极上放电，最终产生氧气。

OH^- --> OH + e^-

4OH --> 2H₂O + O₂.

这对大多数物质都是正确的，但如果离子是溴、氯或氟（即卤素），那么就会产生卤素。（您不太需要记住这一点，只需理解它即可）。

Q9) 将氯化钠溶解在水中并进行电解。解释您在每个电极上观察到的现象。

总结

只有离子物质可以通过电解分解。

离子化合物需要被熔化或溶解在水中，以便离子能够移动。

正离子被吸引到阴极，在那里它们从电极上获取电子。

负离子被吸引到阳极，在那里它们向电极提供电子。

答案 | <<高级静电 | 电路>>

燃料电池是一种类似于电池的电化学装置，但与电池不同的是，它被设计用于持续补充消耗的反应物；也就是说，它从外部燃料供应产生电力，而不是像电池那样依赖有限的内部能量储存能力。

典型的反应物是阳极侧的氢和阴极侧的氧。相比之下，传统的电池消耗固体反应物，一旦这些反应物耗尽，就必须将其丢弃、通过反向化学反应用电重新充电，或者理论上至少可以更换其电极。在燃料电池中，反应物流入，反应产物流出，只要这些流动得到维持，就可以实现持续的长期运行。

燃料电池在某些应用中也具有吸引力，因为它们效率高、污染少。一些建议的应用包括

基荷电力系统
应急备用电源
离网储能
便携式电子设备，以及
电动汽车。

燃料电池类型

一般来说，燃料电池有五种类型，其中两种是目前研究的重点。

PEM

PEM燃料电池的缩写存在争议，可以是质子交换膜或聚合物电解质膜，这两者实际上都是很好的描述。在这种燃料电池中，氢在膜表面被分解成质子，质子通过膜移动，电子则通过外部电路移动，并提供电力。氢离子通过膜中夹带的水移动到另一侧，在那里它们与氧结合形成水。不幸的是，虽然氢分子分解相对容易，但分解更强的氧分子则更加困难，这会导致大量的损失，从而导致燃料电池性能急剧下降。由于其紧凑性，PEM燃料电池是各种尺寸的车辆和其他移动应用的理想选择，包括移动电话。然而，夹带水的膜对于性能至关重要：水过多会导致膜被淹没，水过少会导致膜干燥；在这两种情况下，功率输出都会下降；水管理是PEM燃料电池中的一个非常困难的问题。此外，膜上的铂催化剂很容易被CO中毒。

有人提出使用重整甲醇的PEM系统，如戴姆勒克莱斯勒的Necar 5；然而，重整甲醇，即使其发生反应以获得氢，是一个非常复杂的过程，它还需要从反应产生的CO中进行净化。由于一些CO不可避免地会到达膜，因此需要使用铂钌催化剂。其含量不应超过百万分之十。

DMFC

PEM的一个子类别是DMFC或直接甲醇燃料电池；在这种情况下，甲醇没有被重整，而是直接被送入燃料电池。人们不需要复杂的重整，并且甲醇的储存比氢更容易。然而，由于甲醇通过膜的渗透率高，因此效率很低，动态行为也比较迟缓。

PEM的主要制造商是加拿大温哥华的巴拉德动力系统公司。PEM的效率在40%-50%的范围内。

SOFC

固体氧化物燃料电池或SOFC主要用于固定式应用（发电厂）。它们在非常高的温度下工作（有些在1000°C），并且它们排出的废气可以用来点燃二次燃气轮机，以提高效率。在这些混合系统中，效率可以达到70%。这一次，是氧气在高温下通过固体氧化物传输，与另一侧的氢发生反应。SOFC的工作温度很高，因此可以（经过一些改造）使用天然气作为燃料，天然气会在燃料电池本身内发生反应生成氢气。SOFC对中毒具有很强的抵抗力，实际上可以用CO运行，而CO是PEM的毒物。

由于SOFC是由陶瓷材料制成的，因此它们往往很脆；因此，它们不适合移动应用。此外，热膨胀要求启动时进行均匀缓慢的加热过程，这会导致非常长的启动时间：通常需要8个小时。目前的研究方向是低温SOFC（600°C），这将使得使用具有更好机械性能和热导率的金属材料成为可能。

MCFC

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）也是高温的，但工作温度在600°C左右。它们的主要问题是腐蚀，以及需要操作高温液体而不是像SOFC那样操作固体。

PAFC

磷酸燃料电池（PAFC）是一种成熟的技术，已实现商业化。不幸的是，磷酸在40°C以下会凝固，这使得启动变得非常困难。它们已被用于固定式应用，效率约为40%，许多人认为它们在进一步发展方面没有太多潜力。

AFC

碱性燃料电池（AFC）是将人类送上月球的电池。它被用于阿波罗系列任务和航天飞机，它是一种非常好的燃料电池，但它会被CO₂中毒。这意味着电池需要纯氧，或者至少需要净化后的空气。由于这个过程相对昂贵，因此AFC并没有得到太多发展。美国宇航局已经决定，他们将在下一代航天飞机中转向PEM。

科学

燃料电池是电化学装置，因此不受最大热效率（卡诺效率）的限制，而内燃机则受此限制。因此，它们在将化学能转换为电能方面的效率非常高。

在典型的氢/氧聚合物电解质膜 (PEM) 燃料电池示例中，一个质子传导聚合物膜将阳极（“燃料”）侧和阴极侧隔开。每一侧都有一个电极，通常是涂有铂催化剂的碳纸。

在阳极侧，氢气扩散到阳极催化剂，在那里它分解成质子和电子。质子通过膜传导到阴极，但电子被迫在外部电路中流动（提供能量），因为膜是电子绝缘的。

在阴极催化剂上，氧分子与电子（通过外部电路流动）和质子反应形成水。

在这个例子中，唯一的废物是水蒸气。

此外，燃料电池有可能在家庭中使用，以低廉的非高峰时段电价存储能量，并在高峰时段使用。它甚至可能有利可图地将部分能量回售给电力公司，就像他们对风力发电一样。高峰电力生产达到正常水平的两倍，这意味着非常昂贵的电厂容量是根据短时间内使用的水平来确定的。此外，发电厂在只有一个生产率时效率最高，而在非高峰时段，其效率会大幅下降。

历史

第一个燃料电池是由英国科学家威廉·格罗夫爵士在 19 世纪发明的。1843 年发表了一份草图。但燃料电池直到 20 世纪 60 年代才得到实际应用，当时它们被用于美国太空计划，为电力和饮用水供电（氢气和氧气很容易从航天器油箱中获得）。使用了非常昂贵的材料，并且燃料电池需要非常纯净的氢气和氧气。早期的燃料电池往往需要不便的高工作温度，这对许多应用来说是一个问题。

20 世纪 80 年代和 90 年代的进一步技术进步，例如使用 Nafion 作为电解质，以及减少了所需的昂贵铂催化剂的用量，使得燃料电池在汽车等消费类应用中的前景更加现实。

燃料电池行业

巴拉德动力系统是燃料电池的主要制造商，在汽车燃料电池技术方面处于世界领先地位。福特汽车公司和克莱斯勒是巴拉德的主要投资者。截至 2003 年，唯一积极进行汽车燃料电池内部研发的主要汽车公司是通用汽车和丰田；大多数其他公司都是巴拉德的客户。

联合技术公司 (UTX) 是大型固定式燃料电池的主要制造商，这些燃料电池用作医院和大型办公楼的热电联产电厂。该公司还开发了由燃料电池驱动的公交车队。

燃料电池在各种应用中的利弊

它们在某些应用中的使用存在争议。通常用作燃料的氢气不是主要能源。它通常只是一种存储能源，必须使用来自其他来源的能量来制造。一些批评目前技术阶段的人认为，制造燃料所需的能量可能会将系统的最终能量效率降低到低于高效汽油内燃机的水平；如果氢气是通过电解水用电力产生的，情况尤其如此。另一方面，氢气可以通过甲烷（天然气的主要成分）产生，效率约为 80%。然而，甲烷转化方法会释放温室气体，理想的环境系统将是使用可再生能源通过电解产生氢气。其他类型的燃料电池则不存在这个问题。例如，生物燃料电池从食物残渣中获取葡萄糖和甲醇，并将其转化为氢气和细菌的食物。

还有一些实际问题需要克服。虽然在不久的将来使用燃料电池进行消费品生产是有可能的，但目前大多数设计如果倒置则无法正常工作。它们目前无法缩放到便携式设备（如手机）所需的小尺寸。目前的設計需要通風，因此無法在水下運作。由於存在燃料泄漏的風險，它們可能無法在飛機上使用。用于安全为消费者燃料电池加油的技术尚未到位。

氢气使用中的争议包括：首先，生产氢气所用的能量与氢气中的能量相当，因此效率低下，成本过高。如果使用传统发电厂来生产氢气，充其量也只能与目前的污染率持平。其次，一些人建议这是一种“障眼法”，目的是让核能重新出现，而核能可能是生产氢气并减少污染的唯一商业上可行的途径。最后，需要提供非常长、昂贵且脆弱的数千英里的天然气管道，这使得氢气在没有政府帮助的情况下成本过高。

氢气也有几个优点。太阳能和风能等清洁的可再生能源在一天中的时间是不连续的，不可靠的。因此，来自这些来源的能量并不总是可以在需要的时候提供。太阳能电池板或风力发电机产生的电力可以储存在大型电池群中，但这可能很昂贵，而且电池的存储容量和寿命有限。然而，如果使用电力来生产氢气，那么能量可以更容易地储存起来。氢气作为一种气体，很容易储存，直到需要时再使用。

外部链接

2004-02-16，ScienceDaily：新型反应堆使可再生燃料生产氢气成为可能引用：“...第一个能够从可再生燃料源（乙醇）有效地生产氢气，使其具有经济潜力的反应堆已经发明了...”
燃料电池氢气技术新闻和活动
BBC 新闻，2000 年 6 月 16 日：燃料电池变得更加酷
PhysicsWorld：燃料电池
PhysicsWorld：燃料电池：未来的动力引用：“... 燃料电池的高效率，可以从 40% 到 70% 不等，以及使用热电联产 (CHP) 设计提高此类系统整体效率的可能性，将大大减少排放...”
连线杂志：氢气如何拯救美国

电镀

什么是电池？

电路中的电池

串联电池可以增加或减少总电压。

例如，玩具使用电池，从相关的图纸中要注意将电池插入玩具的方向，因为它们的电压可能会加或减，具体情况可能有所不同。为了增加电压，一个电池的 + 极连接到下一个电池的 - 极。反向插入电池可能会造成损坏。

电池通常不并联使用；在给定的额定电压下，每个电池只能提供一定的最大电流，但为了增加最大可用输出电流，可以将几个电池并联连接，这意味着将所有 + 极连接在一起，以及将所有 - 极连接在一起。

电池的寿命大约取决于（电流乘以时间）的值，但所涉及的化学物质可以使电池在似乎已完成其寿命后恢复部分寿命，在化学物质能够完成其工作后。

存在许多不同类型的电池。它们用于不同的目的，使用不同的材料、尺寸和额定电压。

另请参阅

http://en.wikipedia.org/wiki/Batteries

电池类型

可逆的，可充电的，不可逆的。

碱性 = 基础

AA
AAA
C
D
9V
除 9V 电池外，所有电池均为 1.5V。随着碱性电池电量耗尽，或者用通俗的说法，"电量"耗尽，输出的电压会慢慢降低。这就是手电筒变暗，遥控器在使用电池剩余电量时失去效果的原因。

可充电的

锂

锂电池有可充电和“普通”两种形式。可充电锂离子电池通常用于小型到中型电子设备，例如笔记本电脑、音乐播放器、一些无线鼠标等。锂电池的记忆效应没有/很少有经验证据。锂电池也以一次性放电电池的形式存在。这些电池被宣传为使用锂来延长使用寿命，但在经济效益上与标准碱性电池相比优势很小/没有优势。

镍镉 (NiCd)

镍镉电池目前一般不再使用，但曾是除了电池之外，第一种容易获得的廉价可充电电池之一。镍镉 (又称 NiCd) 电池通常可以在遥控汽车、旧的可充电“标准”电池 (AA、AAA 等)、一些无线鼠标以及许多其他应用中找到。有一种说法是镍镉电池有记忆效应，即如果在电池还有电量的情况下充电，电池容量会下降。实验室研究已经证明这种说法在现代电池中是错误的 (在旧的 (1950 年以前) 烧结板 NiCd 中，在一定程度上确实会发生这种情况)。NiCd 会出现电压下降现象，这与记忆效应类似，但仅在电池过充的情况下才会发生。

镍氢 (NiMH)

NiMH 电池可以看作是 NiCd 电池的升级版。NiMH 电池通常用于与 NiCd 电池相同的应用中。但是，它们的使用寿命更长，并且电压下降现象不如 NiCd 电池严重。

铅酸

汽车和船用电池是最常见的铅酸电池形式。它们在两种用途中的额定电压通常为 12V。它们具有高电流输出，如果发生短路，可能会对人造成严重伤害。

记忆效应

记忆效应是一种说法，即电池在完全充电之前就被再次充电，它的容量就会下降，它“忘记”了它有这种容量。这种说法还指出，记忆效应有时可以通过使用电池修复器来逆转。电池修复器几乎可以完全放电电池 (对于 NiCd 而言，放电至 1 伏)，它们的设计目的是为了逆转电压下降，而不是记忆效应。记忆效应除了在非常旧的 (1950 年或更早) 烧结板 NiCd 中存在外，不存在于其他任何电池中。对于任何电池，都没有必要使用电池修复器来逆转记忆效应。

进一步阅读

维基百科有更多关于该主题的信息

电池 (电力)