互动科普

电池的进化极大地改变了我们的生活。现在，手机、笔记本电脑等产品正在小型化和无线化，我们已能够随意携带，这在很大程度上得益于锂离子电池的发明。

电池（化学电池）主要分为两大类，一类是“用完就扔掉”的电池（一次性电池)，另一类是可充电的反复使用的电池（二次电池)。这两大类电池中又各有不同，而且不同的电池有不同的性能和电压。

就拿电池的电压来说，一次性电池中的锌锰干电池和碱性干电池，它们的电压都是1.5V(伏)；二次电池中的镍镉电池和镍氢电池，它们的电压都是1.2V；锂离子电池的电压是3.7V。根据用途选择不同的电池是很重要的。那么，电池的性能又是如何决定的呢？

电极的组合方式决定电压的大小

电池（化学电池）是一种通过化学反应产生电的装置。氧化反应释放电子，还原反应得到电子，这两种反应分别在不同的场合进行，将它们用导线连接起来，导线中就产生了电子的流动（电流）。放电时，在“负极”发生氧化反应 ，在“正极”发生还原反应。为了促使各个反应分别在正极和负极发生，在它们周围存在着“电解质”。另外，在实际的电池中，为了防止正负极相连发生短路，正极和负极是用绝缘的“分隔装置”分隔开的。

形成电池的氧化和还原反应都是很容易发生的化学反应。举个例子，如果在铜片和铝片中间夹进几张渗入盐水的餐巾纸，将餐巾纸重叠，然后把铜片和铝片用导线连接起来。铝从铝片上溶解进盐水时，电子就释放在导线上，铜片从导线处获得电子，这样就在导线上形成了微弱的电流。这种“电池”的铝片是负极，铜片是正极，盐水是电解质。

易于释放电子（被氧化），或者易于获得电子（被还原），其难易程度随着物质的不同而不同。例如，金属释放电子的难易度可以用 “金属的离子化倾向”来表示。另外，电池的电压也是由各种物质的“电子释放的难易程度”和“获得的难易程度”来决定的。

图1. 与电池性能相关的“金属的离子化倾向”

图为金属的离子化倾向表，表示变为阳离子的容易度（金属的离子化倾向与金属的活动性是一致的，离子化倾向越强就越活泼）。越往图左侧，表示越容易释放电子变为阳离子，也就越容易做电池的负极。越往右侧就表示越容易得到电子，越难于变为阳离子，也就越容易做电池的正极。另外，正负极金属的离子化倾向差别越大，就越有大量的电子同时移动，也就越能制造出电压很高的电池。只是，由于图左侧的锂、钠、钾活动性非常强，遇水会急剧反应产生氢。所以，它们在金属的状态下不能用于制造含有水分的电池。

干电池的发明

电池的历史可以追溯到1800年发明的伏打电池。后来，1888年德国的查理·加斯纳（Karl Gassner）发明了干电池。自此，电池才广泛应用。在此之前，电池中使用液体电解质，携带十分不便。加斯纳把石膏的粉末混入液体之中，这样液体就流不出来了。另外，据说在加斯纳之前的1885年，日本的屋井先藏研发了干的电池，并将这种干的电池命名为“干电池”。

现在，我们常见的干电池就是锌锰干电池和碱性干电池。这两种电池的相同之处在于它们的电极都使用了锌和二氧化锰。因此，这两种电池无论哪种，电压都是1.5V。但是，碱性干电池将负极上的锌加工成了糊状，这样就大大地增加了负极的表面积，可进行大电流放电，从而提高了电池的性能。另外，碱性干电池的电解液里使用的是比较容易导电的碱性溶液，所以，相比锌锰干电池来说，它的特征就是可以高效地产生电流，并且电压下降比较缓慢。这样一来，即使两种电池使用的是同一种材料，它们的性能也会随着电极形状和配置的不同而有很大的差别。

镍镉电池和镍氢电池

可充电电池（二次电池）开始于1959年法国物理学家加斯顿·普兰特（Gaston Plante）发明的铅酸蓄电池。随后，二次电池中的镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池相继开发出来。

特别是无线化以来，可以携带的手机得到普及，这就更少不了二次电池的应用。举个例子，在手机诞生之际，手机里装载的是镍镉电池，之后被镍氢电池取代，现在所有的手机都已换成了锂离子电池。可以说伴随着电池的进步，手机也同步实现了机体的小型化和使用时间的延长。

镍镉电池的电压在1.2V左右，由于它能够实现大电流放电，所以通常使用于短时间使用的充电式剃须刀和电动牙刷等。随后出现的镍氢电池的电压与镍镉电池一样都是1.2V，容量（关于容量稍后会做详细说明）却是镍镉电池的2倍。因此，镍氢电池的出现对当时电器设备的小型化做出了很大的贡献。另外，再加上镍镉电池中使用的镉毒性很强，所以现在大都被镍氢电池所替代。

在售的镍氢电池有多种品牌，是我们周围最常见的二次电池之一。因其现售型号与干电池几乎相同，所以，越来越多地替代碱性干电池和锌锰干电池。

图2. 我们常见的电池的结构：碱性干电池和镍氢电池

左图：电子从容易释放电子的锌（负极）一侧流向容易获得电子的二氧化锰（正极）一侧，这样就产生了电流。负极：Zn+4OH^-→［Zn(OH)₄］^2-+2e^-，正极：2MnO₂＋2H₂O+2e^-→2MnOOH+2OH^-。

右图：氢离子在负极（储氢合金）和正极（碱式氧化镍）之间转移，就能够进行充放电。负极：MH+OH^-→ M+H₂O+e^-，正极：NiOOH＋H₂O+e^- → Ni(OH)₂+OH^-。

（本文发表于《科学世界》2016年第4期）