2.3　化学电源的工作原理及组成

2.3.1　化学电源的工作原理

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。电池中的正负极由不同的材料制成，插入同一电解液的正负极均将建立自己的电极电势。此时，电池中的电势分布如图2-1中折线A、B、C、D所示（点划线和电极之间的空间表示双电层）。由正负极平衡电极电势之差构成了电池的电动势E。当正、负极与负载接通时，正极物质得到电子发生还原反应，产生阴极极化使正极电势下降；负极物质失去电子发生氧化反应，产生阳极极化使负极电势上升。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。电池工作时，电势的分布如A'B'C'D'折线所示。

图2-1　化学电源的工作原理

上述的一系列过程构成了一个闭合通路，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。电池工作时电极上进行的产生电能的电化学反应称为成流反应，参加电化学反应的物质叫活性物质。

电池充电时，情况与放电时相反，正极上进行氧化反应，负极上进行还原反应，溶液中离子的迁移方向与放电时相反，充电电压高于电动势。

化学电源在实现将化学能直接转换成电能的过程中，必须具备两个必要的条件。

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。这说明化学电源与电化学腐蚀过程的微电池不同。

放电时，电池的负极上总是发生氧化反应，此时是阳极，电池的正极总是发生还原反应，此时是阴极；充电时进行的反应正好与此相反，负极进行还原反应，正极进行氧化反应。

2.3.2　化学电源的组成

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。

（1）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。对活性物质的基本要求是：①正极活性物质的电极电势尽可能正，负极活性物质的电极电势尽可能负，组成电池的电动势就高；②电化学活性高，即自发进行反应的能力强；电化学活性与活性物质的结构、组成有很大关系；③重量比容量和体积比容量大；④在电解液中的化学稳定性好；其自溶速度应尽可能小；⑤具有高的电子导电性；⑥资源丰富，价格便宜；⑦环境友好。要完全满足以上要求是很难做到的，必须要综合考虑。目前，广泛使用的正极活性物质大多是金属的氧化物，例如二氧化铅、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，例如锌、铅、镉、铁、锂、钠等。

导电骨架的作用是能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。

（2）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。电池中的电解质应该满足：①化学稳定性好，使储存期间电解质与活性物质界面不发生速度可观的电化学反应，从而减小电池的自放电；②电导率高，则电池工作时溶液的欧姆电压降较小。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。

（3）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。对隔离物的具体要求是：①应是电子的良好绝缘体，以防止电池内部短路；②隔膜对电解质离子迁移的阻力小，则电池内阻就相应减小，电池在大电流放电时的能量损耗就减小；③应具有良好的化学稳定性，能够耐受电解液的腐蚀和电极活性物质的氧化与还原作用；④具有一定的机械强度及抗弯曲能力，并能阻挡枝晶的生长和防止活性物质微粒的穿透；⑤材料来源丰富，价格低廉。常用的隔离物有棉纸、浆层纸、微孔塑料、微孔橡胶、水化纤维素、尼龙布、玻璃纤维等。

（4）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。