化学电池的调查研究(张婵)

化学电池的调查研究班级：高二（8）班
姓名：张婵
组长：张婵
组员：邱家妮、王琪、余意、王俊雄、付宏坤
指导老师：胡蓉
相关科目：化学
研究背景：
在科技发达的现代社会，电池已成为我们生活中密不可分的一部分。

电池具有广大的消费市场以及广阔的应用领域,如：极为普通的手电筒,手机,随身听,燃气灶到距寻常生活较远的航空航天飞行器,宇宙空间站的太阳能电池板电池等，它们无不发挥着重大的作用。

由于电池消耗量大,对环境的负面影响不可忽略的。

研究目的：
1、了解什么是化学电池（包括种类、名称、用途等）。

2、知道化学电池对环境的破坏。

3、对化学电池的回收利用。

研究过程：
1、收集阶段：包括网上收集、实地考察等。

2、整合阶段：分析选择，进行信息整理。

3、编写阶段：把信息用报告的形式表现出来。

研究方法：
1、网上收集资料。

2、实地调查研究。

3、查阅图书资料。

报告成果：
前言
电池的历史非常悠久，世界上最古老的电池起源于大约2000年前，而这个被叫做“巴格达电池”的电池，现在还保存在伊拉克首都的博物馆内。

1791年，意大利物理学家贾法尼发现了以金属片接触青蛙肌肉时有收缩肌肉的现象发生。

当时贾法尼误以为此现象为青蛙肌肉所产生的动物电流所致。

在1800年，意大利物理学家伏特发明了伏特电池。

他透过不同的金属间以一液体相接所形成的伏特电流，说明了青蛙肌肉的收缩实际上是因为不同金属片间的电位差透过青蛙肌肉作为电解液而产生的电流所致。

伏特电池可以说是今日电池的起源。

其后由大卫与法拉第等科学家的努力，树立了电化学与电池的基础，并带动电池的研究与发展。

如果说伏特电池为人类电子科技事业开创了一个崭新的里程碑，那么几十年后的新型电池的应用将成为电子信息时代新的转折点。

陆续地，电池的性能不断的改良与增进，在1864年勒克朗社提出了“勒克朗社电池”。

以此为基础，勒克朗社型电池屡经改良，成为了现今干电池工业的主轴与一次性电池工业的基础。

化学电源又称电池，是利用氧化还原反应将化学能转换为电能的装置。

它在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用。

各种电池成分各不相同。

最常见的干电池有普通的碳锌电池和碱性锌锰电池。

这两种电池的组成，我们的了解有这些：纸、铜帽、碳棒、塑料垫圈、淀粉、石墨粉锌皮、锌粉、铁皮、锰粉氢氧化钾、氯化铵、某些金属成分。

化学电池使用面广，品种繁多，按照其使用性质可分为二类：干电池、蓄电池、燃料电池。

按电池中电解质性质分为：碱性电池、酸性电池、中性电池。

化学电池在用途广泛的同时对自然环境也充满了威胁，因此，它的发展前景也有待研究。

一、化学电池的分类
1、干电池
干电池也称为一次电池，即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。

常用的有锌锰干电池、锌汞电池、镁锰干电池等。

锌锰干电池是日常生活中常用的干电池，其结构如右图所示：
正极材料：MnO 2、石墨棒
负极材料：锌片
电解质：NH 4Cl 、ZnCl 2及淀粉糊状物
电池符号可表示为：
（－） Zn ｜ZnCl 2、NH 4Cl （糊状）‖MnO 2｜C （石墨） （＋）
负极： Zn-2e -＝Zn 2+ （氧化反应）
正极：2MnO 2＋2NH 4+＋2e -＝Mn 2O 3＋2NH 3 ＋H 2O （还原反应）
总反应：Zn ＋2MnO 2＋2NH 4＋＝2Zn 2＋＋Mn 2O 3＋2NH 3 ＋H 2O
锌锰干电池的电压为1.5V 。

因产生的NH 3气被石墨吸附，引起电压下降较快。

如果用高导
电的糊状KOH 代替NH 4Cl ，正极材料改用钢筒，MnO 2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，电压为1.5V ，比较稳定。

它的优点是便于日常生活的使用。

2、蓄电池
蓄电池是可反复使用（优点）、放电后可以充电使活性物质复原、以便再重新放电的电池，也称二次电池。

其广泛用于汽车、发电站、火箭等部门。

由所用电解质的酸碱性质不同分为酸性蓄电池和碱性蓄电池。

① 酸性铅蓄电池
铅蓄电池由一组充满海绵状金属铅的铅锑合金格板做负极，由另一组充满二氧化铝的铅锑合金格板做正极，两组格板相间浸泡在电解质稀硫酸中，放电时，电极反应为：
负极： Pb ＋SO 42－-2e -＝PbSO 4 （氧化反应）
正极： PbO 2＋SO 42－十4H ＋＋2e -＝PbSO 4＋2H 2O （还原反应）
总反应： Pb ＋PbO 2＋2H 2SO 4＝2PbSO 4十2H 2O
放电后，正负极板上都沉积有一层PbSO 4，放电到一定程度之后又必须进行充电，充电时用
一个电压略高于蓄电池电压的直流电源与蓄电池相接，将负极上的PbSO 4还原成Pb ，而将正极
上的PbSO 4氧化成PbO 2，充电时发生放电时的逆反应：
阴极：PbSO 4+2e -＝Pb ＋SO 42－
阳极：PbSO 4＋2H 2O-2e -＝PbO 2＋SO 42－＋4H ＋
总反应：Pb ＋PbO 2＋2H 2SO 4＝2PbSO 4＋2H 2O
正常情况下，铅蓄电池的电压是2.1V ，随着电池放电生成水，H 2SO 4的浓度要降低，故可以
通过测量H 2SO 4的密度来检查蓄电池的放电情况。

铅蓄电池具有充放电可逆性好、放电电流大、
稳定可靠、价格便宜等优点，缺点是笨重，常用作汽车和柴油机车的启动电源，坑道、矿山和潜艇的动力电源，以及变电站的备用电源。

② 碱性蓄电池
日常生活中用的充电电池就属于这类。

它的体积、电压都和干电池差不多，携带方便，使用寿命比铅蓄电池长得多，使用适当可以反复充放电上千次，但价格比较贵。

商品电池中有镍－镉（Ni －Cd ）和镍一铁（Ni －Fe ）两类，它们的电池反应是：
Cd ＋2NiO(OH)2＋2H 2O=2Ni(OH)2＋Cd(OH)2
Fe ＋2NaO(OH)2＋2H 2O=2Ni(OH)2＋Fe(OH)2
反应是在碱性条件下进行的，所以叫碱性蓄电池。

3、新型燃料电池
燃料电池与前两类电池的主要差别在于：它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池。

燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置，能量转化率高，可达80%以上，而一般火电站热机效率仅在30％～40％之间。

燃料电池的优点：具有节约燃料、污染小的特点。

燃料电池以还原剂（氢气、煤气、天然气、甲醇等）为负极反应物，以氧化剂（氧气、空气等）为正极反应物，电解质则有碱性、酸性、熔融盐和固体电解质等数种，电极材料多采用多孔碳、多孔镍、铂、钯等贵重金属以及聚四氟乙烯。

以碱性氢氧燃料电池为例，它的燃料极常用多孔性金属镍，
用它来吸附氢气。

空气极常用多孔性金属银，用它吸附空气。

电解质则由浸有KOH 溶液的多孔性塑料制成，其电池符号表示
为：
Ni ｜H 2｜KOH （30％）｜O 2｜Ag
负极反应：2H 2＋4OH －-4e -＝4H 2O （氧化反应）
正极反应：O 2＋2H 2O ＋4e -＝4OH － （还原反应）
总反应：2H 2＋O 2＝2H 2O
电池的工作原理是：当向燃料极供给氢气时，氢气被吸附
并与催化剂作用，放出电子而生成H ＋，而电子经过外电路流向
空气极，电子在空气极使氧还原为OH －，H ＋和OH －在电解质溶液中结合成H 2O 。

氢氧燃料电池的
标准电压为1.229V 。

氢氧燃料电池目前已应用于航天、军事通讯、电视中继站等领域，随着成本的下降和技术的提高，可望得到进一步的商业化作用。

4、海洋电池
1991年，我国首创以铝－空气－海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。

它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源。

海洋电池，是以铝合金为电池负极，金属（Pt 、Fe ）网为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。

科学家把正极制成仿鱼鳃的网状结构，增大表面积，吸收海水中的微量溶解氧。

这些氧在海水电解液作用下与铝反应，源源不断地产生电能。

两极反应为：
负极：（Al ）：4Al －12e -＝4Al 3＋
正极：（Pt 或Fe 等）：3O 2＋6H 2O 十12e -＝12OH －
总反应式：4Al ＋3O 2十6H 2O ＝4Al(OH)3↓
海洋电池本身不含电解质溶液和正极活性物质，不放入海洋时，铝极就不会在空气中被氧化，可以长期储存。

用时，把电池放入海水中，便可供电，其能量比干电池高20～50倍。

海洋电池没有怕压部件，在海洋下任何深度都可以正常工作。

海洋电池的优点：以海水为电解质溶液，不存在污染，是海洋用电设施的能源新秀。

5、高能电池
具有高“比能量”和高“比功率”的电池称为高能电池。

所谓“比能量”和“比功率”是指控电池的单位质量或单位体积计算电池所能提供的电能和功率。

高能电池发展快、种类多。

① 银—锌电池
电子手表、液晶显示的计算器或一个小型的助听器等所需电流是微安或毫
安级的，它们所用的电池体积很小，有“纽扣”电池之称。

它们的电极材料是
Ag 2O 2和Zn ，所以叫银—锌电池。

它具有质量轻、体积小等优点。

这类电池已
用于宇航、火箭、潜艇等方面。

② 锂—二氧化锰非水电解质电池
以锂为负极的非水电解质电池有几十种，其中性能最好、最有发展前途的是锂—二氧化锰非水电解质电池，这种电池以片状金属极为负极，电解活性MnO
2
作正极，高氯酸及溶于碳酸丙烯酯和二甲氧基乙烷的混合有机溶剂作为电解质溶液，以聚丙烯为隔膜，电池符号可表示为：
Li｜LiClO
4｜MnO
2
｜C（石墨）
该种电池重量轻、体积小、电压高、比能量大，充电1000次后仍能维持其能力的90％，贮存性能好。

高能电池的优点：体积小，广泛用于电子计算机、手机、无线电设备等。

以上就是电池的分类。

这五种电池都有它们各自的作用与优点，而市面上卖的主要是用于日常生活的碱性锌锰干电池、镍镉充电电池、手机电池。

据我们调查它们的价格主要在1.5-1000元不等。

如：1号锌－锰干电池:1.5-3.0元／个，2号锌－锰干电池:1.0-2.0元／个，
5号锌－锰干电池:0.5-1.0元／个；1号镍镉充电电池:40-70元／个，
5号镍镉充电电池:9-20元／个；镍氢手机电池:80-200元／个，锂电池手机电源:90-300元／个，
镍镉手机电池:200-1000元／个。

碱性锌锰干电池在生活中应用最为广泛，目前是市面上销售最多的电池，甚至有些商铺都只销售这类型的电池。

“纽扣”电池在市面上也有销售，但由于“纽扣”电池在生活中多用于手表，所以销售量比较少，价格多在5-20之间。

通过以上对电池分类的分析，我们知道了电池的分类标准、电池的构成原理以及它的销售情况。

电池是由多种的化学药品与金属材料构成的，是利用氧化还原反应将化学能转换为电能的一种装置。

正因为如此，用完的电池不妥善处理就会造成电池内部的化学材料泄露，从而对大自然造成严重的化学污染。

所以，对废旧电池进行回收处理是势在必行。

那么，废旧电池对自然环境以及生物的影响有哪些方面呢？废旧电池应该如何妥善处理？有着严重污染的电池，它的发展前景又会如何？下面我们将对这些问题进行了研究分析。

二、电池的污染与回收：
1、废旧电池的污染
①电池污染主要的因素：
电池中的有害物质主要包括大量的重金属和酸、碱等电解质溶液。

重金属主要有汞、镉、铅、镍、锌等，汞、镉、铅对环境和人体健康有较大危害，锌、镍虽然在一定浓度范围内是有益物质，但在环境中超过一定数量也将对于人体健康构成危害。

废酸、废碱等电解液可能污染土壤，使土壤酸化或碱性化。

如果含有废酸、废碱和其他成分废电解液的废电池（如废铅酸电池和废镉镍电池）管理或处理不当，可能引起环境污染，包括重金属污染和废电解液造成的环境污染，这种污染既有短期的，也可能是长期的。

②废电池污染转移规律：
废电池在收集、运输、贮存、再生利用和处理处置过程中，可能由于电池包壳的机械破损或化学腐蚀作用，导致其中的化学物质进入环境中。

废电池中化学物质的释放在包壳破损前较为稳定，可认为包壳是废电池污染环境的一种天然屏障。

普通家用干电池中的污染物质大多呈固态，从电池内部迁移到环境中需要一定的时间。

随着电池产品的更新换代，包壳越来越坚固，电池的贮存期延长，其污染物释放到环境需要的时间也会延长。

被直接丢弃到环境中的废电池，即使电池的包壳较好，在环境中也会因长期腐蚀作用，电池内的重金属与酸碱等会逐渐泄露到环境中。

直接集中堆放在环境中的废电池，电池发生腐蚀后，由于电化学腐蚀的微电池作用，还可加剧其它废电池包壳的腐蚀和污染物的泄露。

因此，
集中堆放时污染物释放量相对较大，对环境的危害性更为严重。

人为将废铅酸电池和大型镉镍电池中的废酸、废碱以及其他废电解液直接倒入环境，会引起即时性的重金属和电解液污染。

如受到随意抛弃铅酸废电池废酸污染的土壤平均含铅量在1-50g/kg土壤，严重超过土壤中铅含量的本底值。

废镉镍电池的污染与铅酸电池类似。

③电池对环境与人类的影响：
经过调查及查阅相关资料得知，目前我国每年有将近300亿节的废旧电池被遗弃在祖国960多万平方公里的土地上，极为严重地污染着我们的生存环境。

而众人对于废旧电池的危害知识甚少，对于废旧的一次性电池多是往垃圾堆中一丢了之！因此可以看出多数人并没有深刻地了解废旧电池的危害，对于废旧电池的回收工作更是没有得到人们足够的重视！据相关资料报导，有些城市每年消耗的一次性电池高达十几千吨，而回收的仅有百吨！相比之下，这比率还不足2%，实在太低了！在我国，人口有13亿！然而只有少数人有着环境保护的意识，这对于我国电池的污染问题无疑是一大打击！
其实废旧电池对于环境的污染是很大的！仅仅一节废旧电池，它换来的却是1㎡土地50年的寸草不生，这是多么巨大的代价呀！要知道，自古以来土地就是百姓赖以生存的全部！除此之外，众所周知，电池中含有许多有害的重金属化合物（汞化物、铅化物、锌化物等）都严重地危害着人类健康！例如锌，人们总念叨着要“补锌”。

的确，锌是人体所必需的微量元素之一，每天都必须摄入一定量，才能提供和维持身体各成份的平衡。

但若摄取过多，引起的后果也不堪设想！它会引起胃炎等各种病症，甚至可能导致休克和死亡！还有一些有毒物质通过各种途径进入人体内，长期积蓄难以排除，损害神经系统、造血功能和骨骼，甚至可以致癌。

铅：神经系统(神经衰弱、手足麻木)、消化系统(消化不良、腹部绞痛)、血液中毒和其他的病变。

汞：精神状态改变是汞中毒的一大症状。

脉搏加快，肌肉颤动，口腔和消化系统病变。

镉、锰：主要危害神经系统，镉能引起高血压、神经痛、骨质松软、肾炎和内分泌失调等症。

日本曾发生过骇人听闻的“骨痛病”就是镉中毒。

据我们调查，许多家庭都把费旧电池和生活垃圾一起丢掉，无分类地丢掉费旧电池造成了电池无法及时回收，从而导致费旧电池对环境的污染；一些学校，他们会在校内设置分类垃圾筒（可回收和不可回收），环保意识比较强的学生会把电池带到学校扔进分类垃圾筒，但学校会不会把垃圾分类处理就不得而知了。

总之，不管是家庭还是学校，对电池的回收都是很不足的。

据我们所知，在北京的某所大学，学生自发组织了费旧电池的收集活动，在学校进行大范围的收集，并且取得了良好的成果，提高了学生的环保意识；还有一些个人，他们也收集到了大量的费旧电池，从而可以看出老百姓们环保意识还是很强的。

但是，他们都有一个烦恼，他们不知道收集到的电池该如何处理，不知道该送到国家的哪个部门进行回收。

从以上例子可以看出，国家在对费旧电池的回收管理力度还不够。

2、废旧电池的回收利用及电池的发展前景：
⑴废干电池处理方法：
①物理化学（湿法冶炼）处理：
可处理含汞及不含汞废干电池。

处理程序包括：
分解破碎、选别、碱/酸液处理、过滤、萃取、沉淀或
离子交换等。

所得的资源化产品主要为铁、锌、锰、
非铁金属、塑胶及汞。

荷兰、德国、奥地利等国主要
采用湿法冶金工艺处理和综合回收有价成分。

湿法具
有投资少、成本低、建厂速度快、利润高、工艺灵活
等优势。

②热裂解处理：
可处理含汞及不含汞废干电池。

处理程序包括：
热裂解、粉碎选别热处理、汞蒸汽冷凝回收。

所得的资源化产品主要为铁、锌、非铁金属、汞
及油。

目前，瑞土、日本、瑞典、美国等国主要采用火法冶金工艺，火法具有回收利用效率高，
无二次污染的优点，但是一次性投资大，技术要求及运行成本都比较高。

③电弧炉处理：处理不含重金属废锰锌及碱锰电池。

所得的资源化产品主要为铁及锌。

④人工处理：
1.收集铜帽：取下废电池盖，用小刀除去沥青，用钳子慢慢把碳棒拔出，取下铜帽集存，可做为实验或生产硫酸铜等化工产品的原料。

2.提纯氯化铵（NH
4
Cl）：用小刀把废电池外壳剥开，取出里边的黑色物质（它是由二氧化锰、炭粉、氯化铵、氯化锌等组成的混合物），然后加水（每节电池的黑色物质加水约50毫升），搅拌溶解，澄清后，进行过滤。

把滤液加热蒸发，至滤液中有晶体出现时，改用小火加热，
并不断搅拌（以防局部过热致使氯化铵分解）。

待容器中剩下少量氯化锌（ZnCl
2
），如欲获得
较纯的NH
4Cl，可利用NH
4
Cl在350℃时升华的性质，把它和ZnCl
2
分开。

3.提纯二氧化锰：把在过滤时所剩余的黑色沉淀物，用水冲洗5-6次后放入铁瓢中。

先用小火烘干，再在搅拌下用强火灼烧，以除去其中所含炭粉和有机物。

到不冒火星时，再灼烧5-10分钟，冷却后即得MnO
2。

4.制取锌粒：把从废电池剥下的铁壳，用水浸，洗去浆糊状物质。

然后把锌壳敲扁。

集中放在铁瓢中，加热至500℃左右（锌的熔点为419.4℃)，锌即熔化，氧化物等杂质浮在表面，用铁丝把它刮去后，迅速地倒在一个打有许多小孔的铁瓢中，并不断地来回振摇铁瓢。

液锌穿过铁瓢小孔，流入盛有冷水的缸内冷却，立即形成光亮的锌粒，并沉积在缸底。

取出晒干，装备用或出售。

⑵化学电池发展的前景：
面对着如此急迫的形式，人们开始寻求对策……要知道，在日常生活中，目前一般使用的碳锌电池是没有回收的。

但在实验中，废旧电池的各部分构造，都有回收再利用的价值，如碳棒可做电极等。

它们是试药的最好代替品，真正符合环保。

同时，人们也在努力地往另一个方向研究，试图寻找代替品或提高科技含量以减少污染！
于是，许多新型的电池被开发了出来！例如，燃料电池、太阳能电池、锂电池、无汞电池等等！尤其是目前已广泛应用，并利用太阳能进行光电转换的太阳能电池最受人们的关注和期盼。

其实，太阳能电池使用的历史相对也比较长！远在1960年，它就已经被用在太空中了。

到后来19世纪70年代，能源危机的出现，促进了人们对太阳能电池的使用，人们开始将太阳能应用到地面上来！如今，太阳能电池更广泛地用在多个领域，如计算机、手表、汽车、飞机……可以说是使用电池的地方，都可以考虑用太阳能取代！这也足见它的发展潜力！另外，太阳能电池还有着许多其它电池无法比拟的优点！比如，它是取之不尽，用这不竭的清洁能源！使用太阳能电池还可省掉更换电池的麻烦，既方便，又经济。

比起用化石燃料来发电更安全！……
除此之外，还有各种各样新型的绿色环保电池被逐渐地发明出来！
三、收获体会
通过这次的研究性报告的学习，使我们充分认识到电池对我们现代生活的重要性和电池的多方面知识。

电池在我们的生活中扮演非常重要的角色，几乎没有一件事不用到它，小到我们手上的手表，大到大型机械都离不开电池。

但是它给我们的环境也带来不小的危害，土壤、水源和重金属的污染也让我们付出了不小的代价。

对此，我们应当采取一定的措施，在发展经济的时候也应想到我们赖以生存的环境。

同时废电池的环境管理也是一项复杂的系统工程，需要有更多更专业的人才的参与。

为此，作为一名有社会责任感的青少年，更应该学习更多的化学等方面的知识，为成为国家需要的人才而努力。

完成这个报告后，我们学习到了许多课外的化学知识，使我们对化学这门学科更加的感兴趣，探索世界上各种物质的奥秘，揭开它神秘的面纱，让大家知道真相。

我们在课堂中学习的
在生活中也有非常大的用处。

感谢老师对我们的精心指导！感谢学校为我们提供了良好的学习探索的平台！
四、教师评价
本研究课题选择的是化学电池的研究，化学电池在我们日常生活中应用广泛，发展日新月异，很有研究的价值。

研究组成员能够通过上网和查阅图书的方法收集大量关于化学电池的分类、性质用途及环保等文字资料，并通过实地调查研究现在市面上化学电池的种类、优缺点以及销售情况，进一步反映化学电池在日常生活中的广泛应用，知道化学离我们很近，化学就在我们身边。

总之，选题好，内容丰富，研究思路贴切，也体现了小组成员的合作精神。

以后,还可以对化学电池的回收利用等关于环境保护的问题作进一步的研究.。