電子學/電池

電解涉及電場和電子在液體中的運動。

電解是使用電分解某些物質的過程。可以被分解的物質型別是離子物質。這僅僅意味著它們是由帶電離子而不是中性原子組成的。{記住離子只是一個帶正電或負電的原子}。氯化鈉（食鹽）就是一個離子物質的例子。鈉離子帶正電，氯離子帶負電。它通常寫成Na⁺Cl^-。

Q1) 在元素週期表中查詢，鈉的符號是 Na 還是 Cl？

正如你可能已經從金屬模組中瞭解到的那樣，鹽是由酸和鹼反應生成的任何物質。酸、鹼以及因此所有鹽都是離子物質。

Q2) 以下哪種物質可以被電分解：氯化鈉、硫酸鐵、硝酸銅？

基本實驗裝置

液體電解質連線到
電池或電源。
電極不能接觸！

大多數離子化合物在室溫下不是液體。這是一個問題，因為離子需要能夠移動才能使電流流動。可以透過熔化來實現。請看右側顯示的電氣裝置。電極只是連線到電池的兩個碳棒。連線到正極的電極稱為陽極。連線到負極的電極稱為陰極。

例如，考慮溴化鉛。這種化合物在室溫下是固體，但在本生燈火焰上可以熔化。因此，你需要將一些溴化鉛放入燒杯中。將燒杯放在三腳架上，並在下面放一個本生燈。將溴化鉛熔化，然後放入電極，並將電源設定為 2V。你會看到陽極上形成一層銀色的純鉛塗層，而在陰極上形成溴。電流將繼續流動，直到所有溴化鉛都被轉化為鉛和溴。

Q3) 分解溴化鉛等化合物需要能量。這種能量來自哪裡？

Q4) 預測如果電解質是氯化銅，你將在陽極和陰極得到哪些產物。

陽極發生了什麼

溴原子（藍色）
將 2 個電子（綠色）分別釋放給陽極。

陽極是正極。它吸引帶負電的離子，因為異性相吸。溴離子穿過熔體移動，直到到達陽極。到達那裡後，它們會釋放出它們多餘的兩個電子，變為溴原子。

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

電子向上流經陽極到達電池的正極。

陰極發生了什麼

陰極是負極。它吸引帶正電的離子。金屬離子總是帶正電，因此鉛離子穿過熔體，直到到達陰極。到達那裡後，它們會從陰極吸收兩個電子。電子從電池的負極向下流經陰極，到達鉛離子。

Pb²⁺ + 2e^- --> Pb

Q5) 固體離子物質不導電，也不會被電分解。你認為這是為什麼？

數量計算（僅限高階）

在溴化鉛實驗中，你看到了鉛在陰極上沉積。如果你實際進行實驗，你會看到鉛覆蓋了陰極。在本節中，我們將研究在給定時間內有多少金屬會覆蓋陰極。

一位科學家進行了以下實驗。

仔細清潔一個銅陰極並準確稱重。
將其與一個陽極一起放置在硫酸銅溶液中。
透過一個電流表連線到一個可變電源。
讓電流透過一段時間，然後取出陰極並重新稱重。

他的結果是

電流 /A	時間 /s	沉積的銅質量 /g
1	3000	1.0
2	3000	2.0
2	1500	1.0
1	1500	1.0

從結果中可以看出，沉積的總銅量取決於電流和電流透過的時間。這是因為可以由離子產生的銅原子數量取決於流過的總電荷量。電荷的單位是庫侖。

一庫侖是 1 安培電流流動 1 秒時的電荷量（參見初中科學/測量電

Q6) 檢視上面的結果表。當 1A 電流透過 3000 秒時，沉積了多少銅？

Q7) 你預測如果 1A 電流透過 6000 秒，會沉積多少銅？

Q8) 如果 2A 電流透過 12000 秒，會沉積多少銅？

水溶液電解（高階）

在學習本節之前，請諮詢你的老師，看看你是否需要.

在本模組的前面，您已經瞭解到離子必須能夠移動才能使電解起作用。如果離子被固定住，例如在固體中，它們就無法移動，電流也無法流動。我們已經瞭解瞭如何透過熔化電解質來釋放離子。另一種實現這一目標的方法是將電解質溶解在水中。這種方法的問題在於，會有不止一種型別的離子存在。

水會部分分解成離子，這就是為什麼它是離子化合物的良好溶劑。它分解成氫離子和氫氧根離子。

H₂O --> H⁺ +OH^-

因此，在陰極上會有兩種離子存在：金屬離子以及來自水的氫離子。實際上在陰極上產生哪種元素取決於金屬的反應性。如果金屬非常活潑，例如鉀或鈉，那麼就會產生氫。如果金屬不活潑，例如銀，那麼就會產生金屬。我希望您在小學學過置換反應。為了確定是金屬離子還是氫離子占主導地位，請在活潑性順序中比較它們的活潑性。最活潑的離子**不會**在陰極上產生。

在陽極上也會發生類似的情況。來自水的氫氧根離子通常在陽極上放電，最終產生氧氣。

OH^- --> OH + e^-

4OH --> 2H₂O + O₂.

這對大多數物質都是正確的，但如果離子是溴、氯或氟（即鹵素），那麼就會產生鹵素。（您不太需要記住這一點，只需理解它即可）。

Q9) 將氯化鈉溶解在水中並進行電解。解釋您在每個電極上觀察到的現象。

總結

只有離子物質可以透過電解分解。

離子化合物需要被熔化或溶解在水中，以便離子能夠移動。

正離子被吸引到陰極，在那裡它們從電極上獲取電子。

負離子被吸引到陽極，在那裡它們向電極提供電子。

答案 | <<高階靜電 | 電路>>

燃料電池是一種類似於電池的電化學裝置，但與電池不同的是，它被設計用於持續補充消耗的反應物；也就是說，它從外部燃料供應產生電力，而不是像電池那樣依賴有限的內部能量儲存能力。

典型的反應物是陽極側的氫和陰極側的氧。相比之下，傳統的電池消耗固體反應物，一旦這些反應物耗盡，就必須將其丟棄、透過反向化學反應用電重新充電，或者理論上至少可以更換其電極。在燃料電池中，反應物流入，反應產物流出，只要這些流動得到維持，就可以實現持續的長期執行。

燃料電池在某些應用中也具有吸引力，因為它們效率高、汙染少。一些建議的應用包括

基荷電力系統
應急備用電源
離網儲能
行動式電子裝置，以及
電動汽車。

燃料電池型別

一般來說，燃料電池有五種型別，其中兩種是目前研究的重點。

PEM

PEM燃料電池的縮寫存在爭議，可以是質子交換膜或聚合物電解質膜，這兩者實際上都是很好的描述。在這種燃料電池中，氫在膜表面被分解成質子，質子透過膜移動，電子則透過外部電路移動，並提供電力。氫離子透過膜中夾帶的水移動到另一側，在那裡它們與氧結合形成水。不幸的是，雖然氫分子分解相對容易，但分解更強的氧分子則更加困難，這會導致大量的損失，從而導致燃料電池效能急劇下降。由於其緊湊性，PEM燃料電池是各種尺寸的車輛和其他移動應用的理想選擇，包括行動電話。然而，夾帶水的膜對於效能至關重要：水過多會導致膜被淹沒，水過少會導致膜乾燥；在這兩種情況下，功率輸出都會下降；水管理是PEM燃料電池中的一個非常困難的問題。此外，膜上的鉑催化劑很容易被CO中毒。

有人提出使用重整甲醇的PEM系統，如戴姆勒克萊斯勒的Necar 5；然而，重整甲醇，即使其發生反應以獲得氫，是一個非常複雜的過程，它還需要從反應產生的CO中進行淨化。由於一些CO不可避免地會到達膜，因此需要使用鉑釕催化劑。其含量不應超過百萬分之十。

DMFC

PEM的一個子類別是DMFC或直接甲醇燃料電池；在這種情況下，甲醇沒有被重整，而是直接被送入燃料電池。人們不需要複雜的重整，並且甲醇的儲存比氫更容易。然而，由於甲醇透過膜的滲透率高，因此效率很低，動態行為也比較遲緩。

PEM的主要製造商是加拿大溫哥華的巴拉德動力系統公司。PEM的效率在40%-50%的範圍內。

SOFC

固體氧化物燃料電池或SOFC主要用於固定式應用（發電廠）。它們在非常高的溫度下工作（有些在1000°C），並且它們排出的廢氣可以用來點燃二次燃氣輪機，以提高效率。在這些混合系統中，效率可以達到70%。這一次，是氧氣在高溫下透過固體氧化物傳輸，與另一側的氫發生反應。SOFC的工作溫度很高，因此可以（經過一些改造）使用天然氣作為燃料，天然氣會在燃料電池本身內發生反應生成氫氣。SOFC對中毒具有很強的抵抗力，實際上可以用CO執行，而CO是PEM的毒物。

由於SOFC是由陶瓷材料製成的，因此它們往往很脆；因此，它們不適合移動應用。此外，熱膨脹要求啟動時進行均勻緩慢的加熱過程，這會導致非常長的啟動時間：通常需要8個小時。目前的研究方向是低溫SOFC（600°C），這將使得使用具有更好機械效能和熱導率的金屬材料成為可能。

MCFC

熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）也是高溫的，但工作溫度在600°C左右。它們的主要問題是腐蝕，以及需要操作高溫液體而不是像SOFC那樣操作固體。

PAFC

磷酸燃料電池（PAFC）是一種成熟的技術，已實現商業化。不幸的是，磷酸在40°C以下會凝固，這使得啟動變得非常困難。它們已被用於固定式應用，效率約為40%，許多人認為它們在進一步發展方面沒有太多潛力。

AFC

鹼性燃料電池（AFC）是將人類送上月球的電池。它被用於阿波羅系列任務和太空梭，它是一種非常好的燃料電池，但它會被CO₂中毒。這意味著電池需要純氧，或者至少需要淨化後的空氣。由於這個過程相對昂貴，因此AFC並沒有得到太多發展。美國宇航局已經決定，他們將在下一代太空梭中轉向PEM。

科學

燃料電池是電化學裝置，因此不受最大熱效率（卡諾效率）的限制，而內燃機則受此限制。因此，它們在將化學能轉換為電能方面的效率非常高。

在典型的氫/氧聚合物電解質膜 (PEM) 燃料電池示例中，一個質子傳導聚合物膜將陽極（“燃料”）側和陰極側隔開。每一側都有一個電極，通常是塗有鉑催化劑的碳紙。

在陽極側，氫氣擴散到陽極催化劑，在那裡它分解成質子和電子。質子透過膜傳導到陰極，但電子被迫在外部電路中流動（提供能量），因為膜是電子絕緣的。

在陰極催化劑上，氧分子與電子（透過外部電路流動）和質子反應形成水。

在這個例子中，唯一的廢物是水蒸氣。

此外，燃料電池有可能在家庭中使用，以低廉的非高峰時段電價儲存能量，並在高峰時段使用。它甚至可能有利可圖地將部分能量回售給電力公司，就像他們對風力發電一樣。高峰電力生產達到正常水平的兩倍，這意味著非常昂貴的電廠容量是根據短時間內使用的水平來確定的。此外，發電廠在只有一個生產率時效率最高，而在非高峰時段，其效率會大幅下降。

歷史

第一個燃料電池是由英國科學家威廉·格羅夫爵士在 19 世紀發明的。1843 年發表了一份草圖。但燃料電池直到 20 世紀 60 年代才得到實際應用，當時它們被用於美國太空計劃，為電力和飲用水供電（氫氣和氧氣很容易從航天器油箱中獲得）。使用了非常昂貴的材料，並且燃料電池需要非常純淨的氫氣和氧氣。早期的燃料電池往往需要不便的高工作溫度，這對許多應用來說是一個問題。

20 世紀 80 年代和 90 年代的進一步技術進步，例如使用 Nafion 作為電解質，以及減少了所需的昂貴鉑催化劑的用量，使得燃料電池在汽車等消費類應用中的前景更加現實。

燃料電池行業

巴拉德動力系統是燃料電池的主要製造商，在汽車燃料電池技術方面處於世界領先地位。福特汽車公司和克萊斯勒是巴拉德的主要投資者。截至 2003 年，唯一積極進行汽車燃料電池內部研發的主要汽車公司是通用汽車和豐田；大多數其他公司都是巴拉德的客戶。

聯合技術公司 (UTX) 是大型固定式燃料電池的主要製造商，這些燃料電池用作醫院和大型辦公樓的熱電聯產電廠。該公司還開發了由燃料電池驅動的公交車隊。

燃料電池在各種應用中的利弊

它們在某些應用中的使用存在爭議。通常用作燃料的氫氣不是主要能源。它通常只是一種儲存能源，必須使用來自其他來源的能量來製造。一些批評目前技術階段的人認為，製造燃料所需的能量可能會將系統的最終能量效率降低到低於高效汽油內燃機的水平；如果氫氣是透過電解水用電力產生的，情況尤其如此。另一方面，氫氣可以透過甲烷（天然氣的主要成分）產生，效率約為 80%。然而，甲烷轉化方法會釋放溫室氣體，理想的環境系統將是使用可再生能源透過電解產生氫氣。其他型別的燃料電池則不存在這個問題。例如，生物燃料電池從食物殘渣中獲取葡萄糖和甲醇，並將其轉化為氫氣和細菌的食物。

還有一些實際問題需要克服。雖然在不久的將來使用燃料電池進行消費品生產是有可能的，但目前大多數設計如果倒置則無法正常工作。它們目前無法縮放到行動式裝置（如手機）所需的小尺寸。目前的設計需要通風，因此無法在水下運作。由於存在燃料洩漏的風險，它們可能無法在飛機上使用。用於安全為消費者燃料電池加油的技術尚未到位。

氫氣使用中的爭議包括：首先，生產氫氣所用的能量與氫氣中的能量相當，因此效率低下，成本過高。如果使用傳統發電廠來生產氫氣，充其量也只能與目前的汙染率持平。其次，一些人建議這是一種“障眼法”，目的是讓核能重新出現，而核能可能是生產氫氣並減少汙染的唯一商業上可行的途徑。最後，需要提供非常長、昂貴且脆弱的數千英里的天然氣管道，這使得氫氣在沒有政府幫助的情況下成本過高。

氫氣也有幾個優點。太陽能和風能等清潔的可再生能源在一天中的時間是不連續的，不可靠的。因此，來自這些來源的能量並不總是可以在需要的時候提供。太陽能電池板或風力發電機產生的電力可以儲存在大型電池群中，但這可能很昂貴，而且電池的儲存容量和壽命有限。然而，如果使用電力來生產氫氣，那麼能量可以更容易地儲存起來。氫氣作為一種氣體，很容易儲存，直到需要時再使用。

外部連結

2004-02-16，ScienceDaily：新型反應堆使可再生燃料生產氫氣成為可能引用：“...第一個能夠從可再生燃料源（乙醇）有效地生產氫氣，使其具有經濟潛力的反應堆已經發明瞭...”
燃料電池氫氣技術新聞和活動
BBC 新聞，2000 年 6 月 16 日：燃料電池變得更加酷
PhysicsWorld：燃料電池
PhysicsWorld：燃料電池：未來的動力引用：“... 燃料電池的高效率，可以從 40% 到 70% 不等，以及使用熱電聯產 (CHP) 設計提高此類系統整體效率的可能性，將大大減少排放...”
連線雜誌：氫氣如何拯救美國

電鍍

什麼是電池？

電路中的電池

串聯電池可以增加或減少總電壓。

例如，玩具使用電池，從相關的圖紙中要注意將電池插入玩具的方向，因為它們的電壓可能會加或減，具體情況可能有所不同。為了增加電壓，一個電池的 + 極連線到下一個電池的 - 極。反向插入電池可能會造成損壞。

電池通常不併聯使用；在給定的額定電壓下，每個電池只能提供一定的最大電流，但為了增加最大可用輸出電流，可以將幾個電池並聯連線，這意味著將所有 + 極連線在一起，以及將所有 - 極連線在一起。

電池的壽命大約取決於（電流乘以時間）的值，但所涉及的化學物質可以使電池在似乎已完成其壽命後恢復部分壽命，在化學物質能夠完成其工作後。

存在許多不同型別的電池。它們用於不同的目的，使用不同的材料、尺寸和額定電壓。

另請參閱

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

電池型別

可逆的，可充電的，不可逆的。

鹼性 = 基礎

AA
AAA
C
D
9V
除 9V 電池外，所有電池均為 1.5V。隨著鹼性電池電量耗盡，或者用通俗的說法，"電量"耗盡，輸出的電壓會慢慢降低。這就是手電筒變暗，遙控器在使用電池剩餘電量時失去效果的原因。

可充電的

鋰

鋰電池有可充電和“普通”兩種形式。可充電鋰離子電池通常用於小型到中型電子裝置，例如筆記型電腦、音樂播放器、一些無線滑鼠等。鋰電池的記憶效應沒有/很少有經驗證據。鋰電池也以一次性放電電池的形式存在。這些電池被宣傳為使用鋰來延長使用壽命，但在經濟效益上與標準鹼性電池相比優勢很小/沒有優勢。

鎳鎘 (NiCd)

鎳鎘電池目前一般不再使用，但曾是除了電池之外，第一種容易獲得的廉價可充電電池之一。鎳鎘 (又稱 NiCd) 電池通常可以在遙控汽車、舊的可充電“標準”電池 (AA、AAA 等)、一些無線滑鼠以及許多其他應用中找到。有一種說法是鎳鎘電池有記憶效應，即如果在電池還有電量的情況下充電，電池容量會下降。實驗室研究已經證明這種說法在現代電池中是錯誤的 (在舊的 (1950 年以前) 燒結板 NiCd 中，在一定程度上確實會發生這種情況)。NiCd 會出現電壓下降現象，這與記憶效應類似，但僅在電池過充的情況下才會發生。

鎳氫 (NiMH)

NiMH 電池可以看作是 NiCd 電池的升級版。NiMH 電池通常用於與 NiCd 電池相同的應用中。但是，它們的使用壽命更長，並且電壓下降現象不如 NiCd 電池嚴重。

鉛酸

汽車和船用電池是最常見的鉛酸電池形式。它們在兩種用途中的額定電壓通常為 12V。它們具有高電流輸出，如果發生短路，可能會對人造成嚴重傷害。

記憶效應

記憶效應是一種說法，即電池在完全充電之前就被再次充電，它的容量就會下降，它“忘記”了它有這種容量。這種說法還指出，記憶效應有時可以透過使用電池修復器來逆轉。電池修復器幾乎可以完全放電電池 (對於 NiCd 而言，放電至 1 伏)，它們的設計目的是為了逆轉電壓下降，而不是記憶效應。記憶效應除了在非常舊的 (1950 年或更早) 燒結板 NiCd 中存在外，不存在於其他任何電池中。對於任何電池，都沒有必要使用電池修復器來逆轉記憶效應。

進一步閱讀

維基百科有更多關於該主題的資訊

電池 (電力)