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Aisaka's Blog, School of Aoi, Aisaka University

生活知识-碳性电池和碱性电池

简介

在日常生活中,我们都会用到电池无论是电视遥控器还是挂钟,这些都需要电池,这其中还分碳性电池和碱性电池。

碳性电池和碱性电池都是干电池,只是按照材质的不同而分的两种类别。

1、碳性电池的全称应该是碳锌电池,一般正极是碳棒,负极是锌皮,也称为锌锰电池。锌锰电池是目前最普遍的干电池,它有价格低廉和使用安全可靠的特点。

2、碱性电池也称为碱性干电池或碱性锌锰干电池,适用于需放电量大及长时间使用的仪器,碱性电池内阻较低,因此产生的电流较一般锌锰电池大。

碳性电池(左)和碱性电池(右)


碳性电池

介绍

碳性电池,学名是中性锌-二氧化锰干电池(zinc-manganese dry battery),最简单的识别方法:电池皮上型号为R6+后缀(五号)/R03+后缀(七号),就是此类电池,后缀S表示普通,P表示高功率,C表示高容量等等。

碳性电池放电功率很低,放电容量也很小,所以只适合用于低耗电电器,如钟表、遥控器等。另外,碳性电池的负极就是电池外壳,放电完毕后常常由于外壳破裂而发生电解液泄露,损坏用电设备。最大的优点是价钱便宜,市面上单价常常低于一元,甚至有低于5角的。

结构原理

正极材料:MnO₂、石墨棒
负极材料:锌片
电解质:NH₄Cl、ZnCl₂及淀粉糊状物
电池符号可表示为:(-)Zn|ZnCl₂、NH₄Cl(糊状) ‖ MnO₂|C(石墨)(+)
负极:Zn - 2e⁻ = Zn²⁺
正极:2MnO₂ + 2NH₄⁺ + 2e⁻ = Mn₂O₃ + 2NH₃↑ + H₂O
总反应:2Zn + 2MnO₂ + 2NH₄⁺ = 2Zn₂⁺ + Mn₂O₃ + 2NH₃ + H₂O

锌锰碳性电池的电动势为1.5V。因产生的NH₃气被MnO₂吸附,引起电动势下降较快。如果用高导电的糊状KOH代替NH₄Cl,正极材料改用钢筒,MnO₂层紧靠钢筒,就构成碱性锌锰干电池,由于电池反应没有气体产生,内电阻较低,电动势为1.5V,比较稳定。

碳性电池属于化学电源中的原电池,是一种一次性电池,它以二氧化锰为正极,以锌筒为负极,把化学能转变为电能供给外电路。在化学反应中由于锌比锰活泼,锌失去电子被氧化,锰得到电子被还原。


碱性电池

介绍

碱性电池亦称为碱性干电池、碱性锌锰电池、碱锰电池,是目前商品化的锌锰干电池系列中性能最好的品种。碱性电池的型号是LR6(五号)/LR03(七号),前缀L代表碱性(a”L”kaline)。当然可能在数字后面还有后缀,但是不常见。

碱性电池采用电解二氧化锰制作环形正极,锌粉和添加剂配置的锌膏作为负极。由于电解液导电性强,正负极材料表面积大大优于碳性电池,以及强碱性条件下对锌-锰体系电化学反应的促进作用,使碱性电池的输出功率和容量都远胜于碳性电池。碱性电池相比于碳性电池更适合于较大功率的用电器,不过随着数码技术的发展,很多用电器堪称电老虎,比如高亮度LED手电筒、闪光灯等。这些用电器电流动辄就上1500mA的,一般碱性电池恐怕也难堪大任。

碳性和碱性电池的漏液问题一直是消费者头疼的问题。碳性电池自不必说,用放电过程不断消耗的负极锌兼做外壳,就决定了放电后期外壳很可能破裂漏液,毕竟反应嘛,不一定那么均匀的发生。虽然碱性电池采用了密封的电池结构,但是碱液有个特点,叫做浸润性,对金属表面吸附能力特强。这造成所谓爬碱现象。在家也能做做模拟实验,找个不锈钢筷子之类的,垂直插入较浓的纯碱水溶液。结果纯碱固体会沿着金属筷子一路向上爬。这个现象实际上是由于吸附在金属表面,处于液面以上的纯碱溶液水分蒸发造成浓度梯度,而使下面的纯碱溶液被“吸”上来蒸发掉。这在碱性电池里头也时有发生,也就是我们常说的的电池漏液现象,漏液并不可怕,主要是怕电解液泄漏腐蚀到昂贵的用电器。

此外,碱性电池过度放电下负极产生氢气,电池内压升高,为了避免电池爆炸,位于负极泄压阀会打开,排气同时当然也就漏液了。电池漏液轻则腐蚀电极影响接触,重则腐蚀电路板昂贵用电器报废。所以一直以来,电池的一个重要的改进目标就是没有漏液。

常见的有南孚、金霸王、超霸等。

结构原理

正极为阴极反应:
MnO₂ + H₂O + e⁻ = MnO(OH) + OH⁻
MnO(OH)在碱性溶液中有一定的溶解度
MnO(OH) + H₂O + OH⁻ = Mn(OH)₄⁻
Mn(OH)₄⁻ + e⁻ = Mn(OH)₄²⁻

负极为阳极反应:
Zn + 2OH⁻ = Zn(OH)₂ + 2e⁻
Zn(OH)₂ + 2OH⁻ = Zn(OH)₄²⁻

总的电池反应为:
Zn + MnO₂ + 2H₂O + 4OH⁻ = Mn(OH)₄²⁻ + Zn(OH)₄²⁻


锂铁电池

介绍

锂铁干电池,全称锂-二硫化铁干电池。由于这种电池采用了全新的内部材料,具备多种特性,常常被业界称为第三代干电池。

相较于1949年就有的碱性电池而言,锂铁电池的出现确实十分新颖。正极二硫化铁在放电中发生的反应可逆性较窄,因此这种特殊电池用于开发成为充电电池并不适当,而搭配使用不利于充电但容量较高的锂金属作为负极,便可提高可用容量。这使得这种电池十分适用于一次性电池应用,是碳性电池和碱性电池后的最佳替代方案。由于锂和水会产生剧烈反应的缘故,锂铁电池电解液采用的是含锂盐的有机溶剂而非水溶液,相对于碳性电池和碱性电池而言,这种新型的锂铁电池就从材料上杜绝了漏液的风险。同尺寸锂-二硫化铁电池的重量只有碱性电池一半,而放电总能量却比碱性电池高出25%以上。具有明显放电电压平台(大约1.45V),因此相比碱性电池而言锂铁电池放电电压更稳定。放电功率显著高于碱性电池。特别适合在重负载场合使用,如闪光灯、电动工具、电动牙刷、成人玩具、儿童玩具的使用中。同时相比于碱性电池,其漏液率和自放电都更低,因此用于低功率的用电器同样具有一定的优势,但是制约其普及的最大因素是制作成本较高,电池单价可高出碱性电池100%以上。

锂铁电池除了在内部材料上跟碳性、碱性电池有着本质区别,在生产工艺上也完全不同,耐时锂铁电池的内部也是卷绕式的结构。

这三类电池,可谓各有优势,较第一代碳性和第二代碱性电池而言,第三代锂铁电池优势更为明显。其中最为突出的性能优势:能够完全兼容1.5V用电平台设备;特别适用于大电流放电;电量充足,其实际放电容量超过市面上在售的所有民用一次电池;温度范围比其他一次电池宽广得多,低温性能优异,可用在-40℃至60℃环境下;体积小、重量轻、防漏液;自放电低,可贮存长达10年;不含对环境有害的材料,无汞无铬从原材料上实现真正的零污染。正是基于以上优点,锂铁电池常常被业内称为继碳性电池、碱性电池后的第三代一次电池,是目前一次性电池最理想的替代方案,更成为众多国家地震和战时应急包里的必备品。

结构原理

电池一般包括:正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、材料、安全阀、圈密封圈、TC(正温度控制端子)、电池壳等。

锂铁电池工作时,原理如下:
负极被氧化:Li = Li⁺ + e⁻
正极被还原:FeS₂ + 4e⁻ = Fe + 2S²⁻
总放电反应:FeS₂ + 4Li = Fe + 2Li₂S

碳性电池和碱性电池的区别

用途不同

碳性电池一般用在所需电流量比较小的器件,碳性电池很适合在手电筒、半导体收音机、收录机、照相机、电子钟、电子玩具、科研、电信、航海、航空、医学等国民经济中的许多领域。

碱性电池适用于闪光灯、剃须刀、电动玩具、CD机、大功率遥控器、无线鼠标以及键盘等这类生活用品上。

电量不同

从最基本的电量上来看,碱性电池比碳性电池性价比要高一些。

碱性电池的容量会因为输出电流的增加而变小。

例如:同样的一枚电池可以在低输出电流时有3000mAh的容量,但用在取1A电流的负载时,容量就只有700mAh,小于原来容量的1/4。

环保程度不同

碳性电池的全称应该是碳锌电池(因为它一般正级是炭棒,负极是锌皮),也称为锌锰电池,是最普遍之干电池,它有价格低廉和使用安全可靠的特点,基于环保因素的考量,由于仍含有镉之成份,因此必须回收,以免对地球环境造成破坏。

碱性电池还有一个名称是:碱性干电池或碱性锌锰干电池。导电是铜棒,外壳是钢壳,安全可靠,无须回收,碱性电池内阻比碳性电池要低,而环保型碱性电池含汞量只有0.025%,是不需要回收的。因此,碱性电池比碳性电池要环保很多。


注意问题

时钟用碱性电池可能会漏液,因为碱性电池的电流会随电量多少而变化。满电的时候,电流大,对石英钟这种电流敏感的电器会不好;低电的时候,因为石英钟电流低也能跑,电池没电了还剩一点点也还能用,会导致腐蚀外壳内液流出发生漏液。


总结

碳性电池碱性电池
便宜但电量少,工作电流小,里面有重金属有污染,用完得回收不能乱扔贵一点但电量多性价比高,电流大一点,没什么污染,可当生活垃圾丢弃