堿性電池的反應(yīng)原理

1、 堿性電池的反應(yīng)原理 堿性電池(Alkaline Battery)就是使用堿性電解液的電池，如鋅/二氧化錳電池、鋅/氧化汞(水銀)電池等。因此堿性電池亦稱為堿性干電池、堿性鋅錳電池、堿錳電池，是鋅錳電池系列中性能最優(yōu)的品種，也是市面上最常見、用途最廣的電池。電池內(nèi)阻較低，因此產(chǎn)生之電流較一般錳電池為大，而環(huán)保型含汞量只有0.025%，無(wú)須回收。一般來(lái)說(shuō)，堿性電池所指的就是鋅-二氧化錳電池，該電池以二氧化錳為正極，鋅為負(fù)極，氫氧化鉀為電解液。其特性上較碳鋅電池來(lái)的優(yōu)異，電容量大。 鋅-二氧化錳電池有圓柱形與紐扣型，一般常見的以圓柱形為主。在組成上是由一個(gè)二氧化錳陰極與一個(gè)鋅陽(yáng)極再加上堿性電解質(zhì)構(gòu)

2、成，其中陰、陽(yáng)極是將活性物質(zhì)的粉末緊壓于極板上，而電解質(zhì)則是液態(tài)的氫氧化鉀水溶液。其結(jié)構(gòu)式與反應(yīng)如下：(-) ZnKOHMnO2 (+)正極反應(yīng)： 2MnO2+2H2O+2e2Mn(OH)2+2OH-負(fù)極反應(yīng)： Zn+2OH-ZnO+H2O+2e電池反應(yīng)： 2MnO2+Zn+H2OZnO+2Mn(OH)2(一)二氧化錳電極： MnO2為正極活性物質(zhì)，是決定電池性能的主要原材料之一。電解二氧化錳由電解硫酸錳溶液制得，二價(jià)錳離子在陽(yáng)極上氧化生成二氧化錳: Mn2+2H2OMnO2+4H+2e 電解錳粉純度高，有害雜質(zhì)少，電化學(xué)活性好，采用電解錳粉是提高鋅錳干電池電容量的有效方法。電池在放電的初期，

3、電壓的變化較大，這主要是由正極所決定的。因?yàn)槎趸i電極的電位在開始放電的一瞬間變化很快，稍后才是較為平穩(wěn)的下降，這是由于二氧化錳中加入了乙炔黑、石墨、氯化銨等混合物，至使電極的導(dǎo)電性增加了，但是電極反應(yīng)也變得更為復(fù)雜了。構(gòu)成了MnO2-C多電極體系。由于碳能吸附一定量的氧氣所以它實(shí)際上構(gòu)成了氧電極，當(dāng)正極進(jìn)入電路中時(shí)，由于石墨、乙炔黑的導(dǎo)電性大于二氧化錳，故最初參與放電的是氧電極：隨著反應(yīng)的進(jìn)行，因外部的氧氣向電極擴(kuò)散困難，使反應(yīng)的阻力變大，電極極化很大。因而使電極電位在一開始很快下降，并引起極化電流的重新分配，使部分電流通過(guò)與石墨緊密相連的二氧化錳表面，還原二氧化錳，隨著進(jìn)一步的極化，導(dǎo)致

4、電極反應(yīng)全部移至二氧化錳上。這時(shí)石墨、乙炔黑僅起導(dǎo)電作用。目前公認(rèn)二氧化錳電極反應(yīng)有兩個(gè)：MnO2+4H+Mn2+2H2O (1) MnO2+H2O+eMnOOH+OH- (2)其中(2)式是主要反應(yīng)。MnO2電極的電化學(xué)行為是產(chǎn)生了質(zhì)子-電子機(jī)理。質(zhì)子-電子機(jī)理的中心意思是：由于二氧化錳的溶解度極小，且具有一定的導(dǎo)電性(二氧化錳是一種半導(dǎo)體，在7×103kg/cm2壓力下，電阻率約為3777cm)所以二氧化錳放電時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)可以直接在二氧化錳顆粒表面進(jìn)行，并不需要把Mn4+溶解送入溶液，然后再在電極導(dǎo)電組分(石墨、乙炔黑)上進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)二氧化錳與電糊相接觸時(shí)，溶液中的H+便向二氧

5、化錳電極表面轉(zhuǎn)移，使二氧化錳電極表面?zhèn)犬a(chǎn)生H+過(guò)剩，電糊側(cè)產(chǎn)生OH-過(guò)剩。因而形成了一個(gè)雙電層，產(chǎn)生了一定的電位差。當(dāng)二氧化錳電極放電時(shí)，溶液中的H+便向二氧化錳晶格中轉(zhuǎn)移,與O2-結(jié)合生成OH-。與此同時(shí)二氧化錳接受外來(lái)的電子，即Mn4+還原成Mn3+ (MnOOH)。(A) MnO2陰極還原的初級(jí)過(guò)程(MnOOH的生成)： MnO2+H+eMnOOHMnO2表面進(jìn)行一次過(guò)程示意圖隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，MnO2電極表面層中的H+濃度不斷增加，O2-離子濃度不斷降低，與電極內(nèi)部產(chǎn)生了濃度梯度。由于這種濃度梯度的存在，H+由MnO2電極表面向內(nèi)層擴(kuò)散并與O2+結(jié)合。同時(shí)MnO2表面層的電子也向內(nèi)層

6、擴(kuò)散。這個(gè)過(guò)程就好像電極表面低價(jià)錳化合物MnOOH，不斷向電極深處轉(zhuǎn)移，而電極內(nèi)部的MnO2不斷向表面轉(zhuǎn)移。 (B) MnO2陰極還原的次級(jí)過(guò)程(MnOOH的轉(zhuǎn)移)：(1) 歧化反應(yīng)：2MnOOH+2H+MnO2+Mn2+2H2O(2) 固相質(zhì)子擴(kuò)散：由于固相MnO2中O2-離子濃度梯度而成的特殊的濃度極化，叫做“固相濃差極化”。(二)鋅負(fù)極鋅是電池的負(fù)極材料，在圓筒形電池中，還兼作電池的容器和負(fù)極的集電體。在鋅皮中含有少量的鎘 (0.20.3%)能提高其強(qiáng)度，含有少量的鉛 (0.30.5%)則能改善其延展性。鉛和鎘均能提高鋅電極上的析氫過(guò)電位，抑制電極在電解質(zhì)中的自放電反應(yīng)。鋅電極的陽(yáng)極過(guò)程

7、為 Zn2eZn2+在堿性介質(zhì)(KOH溶液)中： Zn2+2OH-ZnOH2O與正極MnO2相比，鋅負(fù)極的極化要小得多。正常放電情況下電化學(xué)極化是較小的，主要是濃差極化。在放電后期或低溫下放電，電極的表面狀態(tài)發(fā)生了變化，這時(shí)電化學(xué)極化就不能忽視了。鋅電極產(chǎn)生自放電的原因?yàn)椋?1)氫離子的陰極還原所引起的鋅的自放電(2)氧的陰極還原所引起的鋅電極的自放電(3)電解液中的雜質(zhì)所引起的鋅電極的自放電引起鋅電極自放電的主要原因是氫的陰極析出所引起的鋅的腐蝕，即吸氫腐蝕。以上就是鋅-二氧化錳堿性電池的反應(yīng)原理。堿性電池在結(jié)構(gòu)上采用于普通電池相反的電極結(jié)構(gòu)，增大了正負(fù)極間的相對(duì)面積，而且用高導(dǎo)電性的氫氧化鉀溶液替代了氯化銨、氯化鋅溶液，負(fù)極鋅也由片狀改變成粒狀，增大了負(fù)極的反應(yīng)面積，加之采用了高性能的電解錳粉，所以電性能得