KOBA电池的工作原理

要点

• 电池是一种储存化学能并将其转化为电能的装置。
• 电池中的化学反应涉及电子通过外部电路从一种材料（电极）流向另一种材料。 
• 电子流提供可用于做功的电流。
• 为了平衡电子流，带电离子也流过与两个电极接触的电解质溶液。
• 不同的电极和电解质会产生不同的化学反应，这些化学反应会影响电池的工作方式、可存储的能量及其电压。 

想象一个没有电池的世界。我们如此依赖的所有那些便携式设备将是如此有限！我们只能将我们的笔记本电脑和手机带到电缆所能达到的范围内，这使得您刚刚下载到手机上的新运行应用程序变得毫无用处。

幸运的是，我们有电池。早在公元前 150 年的美索不达米亚，帕提亚文化就使用了一种称为巴格达电池的装置，该装置由铜和铁电极以及醋或柠檬酸制成。考古学家认为这些实际上并不是电池，而是主要用于宗教仪式。

我们所知道的电池的发明归功于意大利科学家亚历山德罗伏特，他组装了第一块电池以向另一位意大利科学家路易吉伽瓦尼证明一个观点。1780 年，加尔瓦尼 (Galvani) 证明挂在铁钩或黄铜钩上的青蛙的腿在用其他类型的金属探针接触时会抽动。他认为这是青蛙组织内部的电引起的，并称之为“动物电”。
沃尔特虽然最初对加尔瓦尼的发现印象深刻，但后来开始相信电流来自两种不同类型的金属（青蛙挂在上面的钩子和探针的不同金属）并且只是通过传输，而不是从中传输，青蛙的组织。他试验了银层和锌层的堆叠，布层或纸层散布在盐水中浸泡过的布层或纸层中，发现电流确实流过连接在层叠两端的电线。
Volta 还发现，通过在电堆中使用不同的金属，可以增加电压量。1800 年，他在给时任伦敦皇家学会会长约瑟夫班克斯的一封信中描述了他的发现。这是一件了不起的事情（拿破仑留下了深刻的印象！）他的发明为他赢得了持续的认可，以纪念“伏特” '（电势的量度）以他的名字命名。
 

在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。

正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。

当外电路断开时，两极之间虽然有电位差（开路电压），但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。

同时在电池内部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。电荷在电解质中的传递也要由离子的迁移来完成。

因此，电池内部正常的电荷传递和物质传递过程是保证正常输出电能的必要条件。充电时，电池内部的传电和传质过程的方向恰与放电相反；电极反应必须是可逆的，才能保证反方向传质与传电过程的正常进行。

因此，电极反应可逆是构成蓄电池的必要条件。G为吉布斯反应自由能增量（焦）；F为法拉第常数=96500库=26.8安·小时；n为电池反应的当量数。这是电池电动势与电池反应之间的基本热力学关系式，也是计算电池能量转换效率的基本热力学方程式。