原電池發現

原電池的發明歷史可追溯到18世紀末期，當時意大利生物學家伽伐尼正在進行著名的青蛙實驗，當用金屬手術刀接觸蛙腿時，發現蛙腿會抽搐。大名鼎鼎的伏特認為這是金屬與蛙腿組織液（電解質溶液）之間產生的電流刺激造成的。1800年，伏特據此設計出了被稱為伏打電堆的裝置，鋅為負極，銀為正極，用鹽水作電解質溶液。1836年，丹尼爾發明了世界上第一個實用電池，并用于早期鐵路信號燈。

原電池工作原理

原電池反應屬于放熱的反應，一般是氧化還原反應，但區別于一般的氧化還原反應的是，電子轉移不是通過氧化劑和還原劑之間的有效碰撞完成的，而是還原劑在負極上失電子發生氧化反應，電子通過外電路輸送到正極上，氧化劑在正極上得電子發生還原反應，從而完成還原劑和氧化劑之間電子的轉移。兩極之間溶液中離子的定向移動和外部導線中電子的定向移動構成了閉合回路，使兩個電極反應不斷進行，發生有序的電子轉移過程，產生電流，實現化學能向電能的轉化。

但是，需要注意，非氧化還原反應一樣可以設計成原電池。從能量轉化角度看，原電池是將化學能轉化為電能的裝置；從化學反應角度看，原電池的原理是氧化還原反應中的還原劑失去的電子經外接導線傳遞給氧化劑，使氧化還原反應分別在兩個電極上進行。

原電池形成條件

1.電極材料由兩種金屬活潑性不同的金屬或由金屬與其他導電的材料（非金屬或某些氧化物等）組成。

2.電解質存在。

3.兩電極之間有導線連接，形成閉合回路。

4.發生的反應是自發的氧化還原反應。

只要具備前三個條件就可構成原電池。而化學電源因為要求可以提供持續而穩定的電流，所以除了必須具備原電池的三個構成條件之外，還要求有自發進行的化學反應。也就是說，化學電源必須是原電池，但原電池不一定都能做化學電池。

形成前提：總反應為自發的化學反應。

原電池常見電極

a. 活潑性不同的金屬：如鋅銅原電池，鋅作負極，銅作正極；

b. 金屬和非金屬（非金屬必須能導電）：如鋅錳干電池，鋅作負極，石墨作正極；

c. 金屬與化合物如：鉛蓄電池，鉛板作負極，二氧化鉛作正極；

d. 惰性電極如：氫氧燃料電池，電極均為鉑。

原電池電極判斷

負極：電子流出的一極（負極定義）；化合價升高的一極；發生氧化反應的一極；活潑性相對較強（有時候也要考慮到電解質溶液對兩極的影響）金屬的一極。（僅適用于原電池）

正極：電子流入的一極（正極定義）；化合價降低的一極；發生還原反應的一極；相對不活潑（有時候也要考慮到電解質溶液對兩極的影響）的金屬或其它導體的一極。（僅適用于原電池）

陽極：發生氧化反應的電極（陽極定義）

陰極：發生還原反應的電極（陰極定義）

在原電池中，外電路為電子導電，電解質溶液中為離子導電。

1、直接轉換成電能輸出的裝置。又稱化學電池。由于各種型號的原電池氧化還原反應的可逆性很差，放完電后，不能重復使用，故又稱一次電池。它通常由正電極、負電極、電解質、隔離物和殼體構成，可制成各種形狀和不同尺寸，使用方便。廣泛用于工農業、國防工業和通信、照明、醫療等部門，并成為日常生活中收音機、錄音機、照相機、計算器、電子表、玩具、助聽器等常用電器的電源。原電池一般按負極活性物質（如鋅、鎘、鎂、鋰等）和正極活性物質（如錳、汞、二氧化硫等）分為鋅錳電池、鋅空氣電池、鋅銀電池、鋅汞電池、鎂錳電池、鋰氟化碳電池、鋰二氧化硫電池等。鋅錳電池產量最大，常按電解質分為氯化銨型和氯化鋅型，并按其隔離層分為糊式電池和低極電池。以氫氧化鉀為電解質的鋅錳電池，由于其負極(鋅)的構造與其他鋅錳電池不同而習慣上另作一類，稱為堿性鋅錳電池，簡稱堿錳電池，俗稱堿性電池。

2、金屬的腐蝕與防護

①改變金屬內部結構（如把鋼中加Cr、Ni制成不銹鋼）

②在金屬表面覆蓋保護層

a、在鋼鐵表面涂礦物性油脂、油漆或覆蓋搪瓷、塑料等物質。

b、用電鍍、熱鍍、噴鍍的方法，在鋼鐵表面鍍上一層不易被腐蝕的金屬。

c、用化學方法使鋼鐵表面生成一層致密而穩定的氧化膜。（表面鈍化）

③電化學保護法

a、外加電流的陰極保護法（把被保護的設備與外接電源的負極相連）

b、犧牲陽極的陰極保護法（被保護的設備與活潑的金屬相連接）

3、判斷金屬的活潑性

4、加快反應速率

原電池鋅錳干電池

鋅－錳電池具有原材料來源豐富、工藝簡單，價格便宜、使用方便等優點，成為人們使用最多、最廣泛的電池品種。鋅－錳電池以鋅為負極，以二氧化錳為正極。按照基本結構，鋅－錳電池可制成圓筒形、扣式和扁形，扁形電池不能單個使用，可組合疊層電池（組）。按照所用電解液的差別將鋅－錳電池分為三個類型：

(1)銨型鋅－錳電池：電解質以氯化銨為主，含少量氯化鋅。

電池符號:(-) Zn│NH₄Cl·ZnCl₂│MnO₂ │C（石墨）( )

總電池反應： Zn 2NH₄Cl 2MnO₂=[Zn(NH₃)₂]Cl₂ Mn₂O₃ H₂O

(2) 鋅型鋅－錳電池：又稱高功率鋅－錳電池，電解質為氯化鋅，具有防漏性能好，能大功率放電及能量密度較高等優點，是鋅－錳電池的第二代產品，20世紀70年代初首先由德國推出。與銨型電池相比鋅型電池長時間放電不產生水，因此電池不易漏液。

電池符號：(-) Zn│ZnCl₂│MnO₂ ( )

總電池反應（長時間放電）：

Zn 2Zn(OH)Cl 6MnO(OH)=ZnCl₂·2ZnO·4H₂O 2Mn₃O₄

(3) 堿性鋅－錳電池：這是鋅－錳電池的第三代產品，具有大功率放電性能好、能量密度高和低溫性能好等優點。

電池符號：(-) Zn│KOH│MnO₂ ( )

總電池反應： Zn 2H₂O MnO₂=Mn(OH)₂ Zn(OH)₂

鋅－錳電池額定開路電壓為1.5V，實際開路電壓1.5-1.8V ，其工作電壓與放電負荷有關，負荷越重或放電電阻越小，閉路電壓越低。用于手電筒照明時，典型終止電壓為0.9V，某些收音機允許電壓降至0.75V。

原電池鋰原電池

又稱鋰電池，是以金屬鋰為負極的電池總稱。鋰的電極電勢最負相對分子質量最小，導電性良好，可制成一系列貯存壽命長，工作溫度范圍寬的高能電池。根據電解液和正極物質的物理狀態，鋰電池有三種不同的類型，即：固體正極—有機電解質電池、液體正極—液體電解質電池、固體正極—固體電解質電池。Li-(CF)_n的開路電壓為3.3V，比能量為480W·h·L^-1，工作溫度在-55~70℃間，在20℃下可貯存10年之久。主要用于軍事、空間技術等特殊領域，在心臟起搏器等微、小功率場合也有應用。

鋰電池與鋰離子電池不同。前者是一次電池，后者可反復充電。

原電池蓄電池

蓄電池在放電過程中屬于原電池反應。這類電極反應都有電解質溶液參與，如果能分析清楚電解質溶液是否參與電極反應，那么負極的電極反應式和正極的電極反應式的書寫就可迎刃而解了。

現以鉛酸蓄電池為例來分析電極反應式的書寫方法。

鉛酸蓄電池的總反應為：Pb PbO₂ 2H₂SO₄=2PbSO₄ 2H₂O

根據原電池的工作原理分析，負極失去電子發生氧化反應，可知：Pb–2e^-=Pb² ①，生成的Pb² 進入電解質溶液中，Pb² 與溶液中的SO₄^2-不能共存，要繼續反應生成PbSO₄，即：Pb² SO₄^2-=PbSO₄②，因此在原電池的負極反應式為① ②即：Pb–2e^- SO₄^2-=PbSO₄；正極是得電子發生還原反應的一極，則有：PbO₂ 2e^-=Pb² 2O^2-①，Pb² 和O^2-進入溶液中，由于電解質溶液是H₂SO₄溶液，O^2-在酸性環境中，不能單獨存在，可供O^2-結合的微粒有H 和H₂O，O^2-在酸性環境中優先結合H 生成H₂O，這樣在正極發生的反應有：4H 2O^2-=2H₂O②；Pb² SO₄^2-=PbSO₄③根據以上分析可知正極反應式為① ② ③即：PbO₂ 2e^- SO₄^2- 4H =PbSO₄ 2H₂O。（注意：在電極反應式中應遵循電荷守恒和質量守恒；在負極反應式與正極反應式相加求總反應時要注意得失電子數要相等。）

再如：Ag-Zn高能電池（鈕扣電池）由Ag₂O、Zn及KOH溶液組成。總反應為：Zn Ag₂O H₂O=Zn(OH)₂ 2Ag

根據原電池原理可知：Zn做負，Ag₂O做正極，電解質溶液為KOH溶液。負極極失去電子發生氧化反應，則負極反應為：Zn–2e^-=Zn² ，Zn² 進入溶液后又與溶液中的OH^-反應Zn² 2OH^-=Zn(OH)₂。

所以負極反應為：Zn–2e^- 2OH^-=Zn(OH)₂;

正極為Ag₂O得到電子發生還原反應，即Ag₂O 2e^-=2Ag O^2-;

O^2-在中性或堿性環境中也不能單獨存在，只能結合H₂O生成OH^-，故在中性或堿性條件下O^2- H₂O=2OH^-，所以正極反應式為：Ag₂O 2e^- H₂O=2Ag 2OH^-。

離子交換膜電池

離子交換膜燃料電池是氫離子交換膜的低溫型水介質氫/氧燃料電池。

原電池腐蝕亦稱電偶腐蝕或雙金屬腐蝕，是由相互接觸的兩種不同金屬材料與周圍導電溶液組成原電池而引起的電化學腐蝕。其中作為陽極的金屬發生溶解，造成蝕損; 作為陰極的金屬，則往往得到保護。海洋開發中的機械設備和各種構筑物經常是用不同金屬材料制造的，周圍海水又是導電性良好的電解質溶液，所以，原電池腐蝕頗為常見。原電池腐蝕與不同金屬材料在海水中的自然電勢之差，以及它們的相對面積之比和距離有關。電勢相差越大，陰極面積越大，陽極極化越小，回路電阻越小，則陽極腐蝕情況越嚴重; 反之亦然。在海洋大氣帶，原電池腐蝕一般只局限在不同金屬連接處附近，屬于局部原電池腐蝕。在海水全浸條件下，原電池作用可以遠至百米，例如青銅螺旋槳和船體裸露鋼板之間，可以構成大型原電池而造成船體腐蝕。

控制或減輕原電池腐蝕的措施有：

1、在設計和施工中盡量避免或消除形成原電池的可能因素，例如選用相同材料或自然電勢相近的材料制做整體結構；

2、避免不同金屬材料，特別是自然電勢相差較大的材料直接接觸，必要時應使兩者之間保持良好的絕緣；

3、盡量減小陰極區的相對面積，包括在陰極區面上涂漆覆蓋；

4、設計陽極區部件時可考慮便于更換或加大余量；

5、適當選用緩蝕劑；

6、施加陰極保護等。

為書寫簡便，原電池的裝置常用方便而科學的符號來表示。其寫法習慣上遵循如下幾點規定：

1. 一般把負極（如Zn棒與Zn² 離子溶液）寫在電池符號表示式的左邊，正極（如Cu棒與Cu² 離子溶液）寫在電池符號表示式的右邊。

2. 以化學式表示電池中各物質的組成，溶液要標上活度或濃度（mol/L），若為氣體物質應注明其分壓(Pa)，還應標明當時的溫度。如不寫出，則溫度為298.15K，氣體分壓為101.325kPa，溶液濃度為1mol/L。

3. 以符號“∣”表示不同物相之間的接界，用“‖”表示鹽橋。同一相中的不同物質之間用“，”隔開。

4. 非金屬或氣體不導電，因此非金屬元素在不同氧化值時構成的氧化還原電對作半電池時，需外加惰性導體（如鉑或石墨等）做電極導體。其中，惰性導體不參與電極反應，只起導電（輸送或接送電子）的作用，故稱為“惰性”電極。

按上述規定，Cu－Zn原電池可用如下電池符號表示：

理論上，任何氧化還原反應都可以設計成原電池，例如反應：

Cl₂ 2I^- =2Cl^- I₂此反應可分解為兩個半電池反應：

負極：2I^- = I₂ 2e^-（氧化反應）

正極：Cl₂ 2e^- =2Cl^-（還原反應）

該原電池的符號為：

負極：活潑金屬失電子，看陽離子能否在電解液中大量存在。如果金屬陽離子不能與電解液中的離子共存，則進行進一步的反應。例：甲烷燃料電池中，電解液為KOH，負極甲烷失8個電子生成CO₂和H₂O，但CO₂不能與OH^-共存，要進一步反應生成碳酸根。

正極：①當負極材料能與電解液直接反應時，溶液中的陽離子得電子。例：鋅銅原電池中，電解液為HCl，正極H 得電子生成H₂。②當負極材料不能與電解液反應時，溶解在電解液中的O₂得電子。如果電解液呈酸性，O₂ 4e^- 4H =2H₂O；如果電解液呈中性或堿性，O₂ 4e^- 2H₂O==4OH^-。

特殊情況：Mg-Al-NaOH，極。負極：Al-3e^- 4OH^-=AlO₂^- 2H₂O；正極：2H₂O 2e^-=H₂↑ 2OH^-

Cu-Al-HNO₃，Cu作負極。

注意：Fe作負極時，氧化產物是Fe² 而不可能是Fe³ ；肼（N₂H₄）和NH₃的電池反應產物是H₂O和N₂

無論是總反應，還是電極反應，都必須滿足電子守恒、電荷守恒、質量守恒。

pH變化規律

電極周圍：消耗OH^-(H )，則電極周圍溶液的pH減小（增大）；反應生成OH^-(H )，則電極周圍溶液的pH增大（減小）。切記，電極周圍只要消耗OH^-，PH就減小，不會受“原電池中OH^-（陰離子）向負極移動”的影響。

溶液：若總反應的結果是消耗OH^-(H )，則溶液的pH減小（增大）；若總反應的結果是生成OH^-(H )，則溶液的pH增大（減小）；若總反應消耗和生成OH^-(H )的物質的量相等，則溶液的pH由溶液的酸堿性決定，溶液呈堿性則pH增大，溶液呈酸性則pH減小，溶液呈中性則pH不變。

1．Cu─H₂SO₄─Zn原電池

正極：2H 2e^- →H₂↑

負極：Zn-2e^- →Zn²

總反應式：Zn 2H →Zn² H₂↑

2．Cu─FeCl₃─C原電池

正極：2Fe³ 2e^- →2Fe²

負極：Cu-2e^- →Cu²

總反應式：2Fe³ Cu→2Fe² Cu²

3．鋼鐵在潮濕的空氣中發生吸氧腐蝕

正極：O₂ 2H₂O 4e^- →4OH^-

負極：2Fe-4e^-→2Fe²

總反應式：2Fe O₂ 2H₂O→2Fe(OH)₂

4．氫氧燃料電池（堿性介質）

正極：O₂ 2H₂O 4e^- →4OH^-

負極：2H₂-4e^- 4OH^- →4H₂O

總反應式：2H₂ O₂→2H₂O

5．氫氧燃料電池（酸性介質）

正極：O₂ 4H 4e^-→2H₂O

負極：2H₂-4e^- →4H

總反應式：2H₂ O₂→2H₂O

6．氫氧燃料電池（中性介質）

正極：O₂ 2H₂O 4e^- → 4OH^-

負極：2H₂-4e^- →4H

總反應式：2H₂ O₂→2H₂O

7．鉛蓄電池（放電）

正極 (PbO₂) ：PbO₂ 2e^- SO₄^2- 4H →PbSO₄ 2H₂O

負極 (Pb) ：Pb-2e^- SO₄^2- →PbSO₄

總反應式：Pb PbO₂ 4H 2SO₄^2-=2PbSO₄ 2H₂O

8．Al─NaOH─Mg原電池

正極：6H₂O 6e^- →3H₂↑ 6OH^-

負極：2Al-6e^- 8OH^- →2AlO₂^- 4H₂O

總反應式：2Al 2OH^- 2H₂O=2AlO₂^- 3H₂↑

9．甲烷燃料電池（堿性介質）

正極：2O₂ 4H₂O 8e^- →8OH^-

負極：CH₄-8e^- 10OH^- →CO₃^2- 7H₂O

總反應式：CH₄ 2O₂ 2OH^-=CO₃^2- 3H₂O

10．熔融碳酸鹽燃料電池（Li₂CO₃和Na₂CO₃熔融鹽作電解液，CO作燃料）

正極：O₂ 2CO₂ 4e^- →2CO₃^2-(持續補充CO₂氣體)

負極：2CO 2CO₃^2--4e^- →4CO₂

總反應式：2CO O₂=2CO₂

11．銀鋅紐扣電池（堿性介質）

正極（Ag₂O)：Ag₂O H₂O 2e^- →2Ag 2OH^-

負極（Zn）：Zn 2OH^--2e^- →ZnO H2O

總反應式：Zn Ag₂O = ZnO 2Ag

12． 堿性鋅錳電池（KOH介質）

正極（MnO₂）：2MnO₂ 2H₂O 2e^- →2MnOOH 2OH^-

負極（Zn）：Zn 2OH^--2e^- →Zn(OH)₂

總反應式：Zn 2MnO₂ 2H₂O→2MnOOH Zn(OH)₂

為安全使用和處理原電池，2009年4月29日，中國國家標準化管理委員會（SAC）發布了國家強制性標準《民用原電池安全通用要求》GB 24462-2009。 本標準規定了民用原電池的分類、安全性能要求、標志、電池選購、使用、更換和處理指南、電器具的電池艙安全設計指南。

本標準適用于民用的各類水溶液電解質原電池（堿性和非堿性鋅-二氧化錳電池、鋅-氧化銀電池、鋅-羥基氧化鎳電池、堿性和中性鋅-空氣電池）以及各類鋰原電池（鋰-氟化碳電池、鋰-二氧化錳電池、鋰-亞硫酰氯電池、鋰-二硫化鐵電池、鋰-二氧化硫和鋰-氧化銅電池等）的生產、檢測和驗收。

2021年國家發布了3項標準，2021年11月1日實行，完全代替GB/T 8897-2013。

GB/T 8897.1-2021 原電池 第1部分：總則，代替GB/T 8897.1-2013；

GB/T 8897.2-2021 原電池 第2部分：外形尺寸和電性能，代替GB/T 8897.2-2013；

GB/T 8897.3-2021 原電池 第3部分：手表電池，代替GB/T 8897.3-2013。

特性

又稱短路原電池(s}c}rl Circuitcell)。一種金屬或合金浸在電解質溶液中時，由于種種原因(如金屬中存有雜質，同一材料的變形程度、溫度、介質濃度不同等)導致金屬表面的物理和化學性質存在差別， 它的結構和作用原理與一般原電池并無本質差別，但也是一種短路的電池」工作時雖然也產生電流，但電能不能利用，而只是以熱能形式散失，工作的直接結果則是加速了金屬的腐蝕。

也稱為一次鋰電池，負極為鋰，且被設計為不可充電的電池。包括單體鋰原電池和鋰原電池組。