深入解析：【MCU控制 初级手札】2.9 电池 【电学基础】

作者：电控工程手札

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目录

• 1. 电池
• 2. “铜锌电池单元”示例
• • 2.1 构造
  • 2.2 发生的化学反应
  • 2.3 电池原理
  • 2.4 核心反应方程
  • 2.5 盐桥（隔膜）的作用
• 3. 电池的输出电压与容量
• • 3.1 电池的输出电压
  • 3.2 电池的容量
  • 3.3 电池的串联
  • 3.4 电池的并联

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1. 电池

电池是一种直流电压源，其将化学能直接转化为电能。

所有的电池都设计一种特殊的化学反应，为氧化还原反应（在前面【化学基础】一篇中详细介绍过）。

在此反应中，电子从一种化合物转移到另一种化合物。将这两种化合物分离，并用导体连接起来形成闭合回路，就有可能使电子在电池外部的电路中移动，产生电流。与此同时，电池内部由于离子运动也将产生电流，该电流与外部电流相等。

离子利用电池中的导电溶液（电解质）进行运动，只要电池外部也存在可供电子运动的路径，反应就能进行。将存储的化学能转化为电能。假如路径被破坏，反应就会停止，电池就处于平衡状态。

在电池中，发生氧化反应、向外电路提供电子的电极称为负极；发生还原反应、从外电路获得电子的电极称为正极。在放电状态下，负极的电势较低，正极的电势较高。

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2. “铜锌电池单元”示例

1836年，英国化学家约翰·丹尼尔（John Daniell）发明了铜锌电池，克服了早期伏打电池自放电的严重问题。因此也将铜锌电池 称为 丹尼尔电池（Daniell cell）。

2.1 构造

下图为不可充电的铜锌电池单元。

• 负电极：锌电极浸泡在硫酸锌（ZnSO₄）溶液中。

• 正电极：铜电极浸泡在硫酸铜（CuSO₄）溶液中。

• 电解质：硫酸铜和硫酸锌溶液，阻断了电子直接传递。硫酸铜和硫酸锌溶液被隔开，并用盐桥连接。

• 盐桥（或隔膜）：通常装有氯化钾（KCL）饱和溶液的琼脂。允许离子迁移。

• 外电路（回路）：由电流表将锌和铜连接起来，形成闭合回路。

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2.2 发生的化学反应

• 负极（锌）：发生氧化反应，锌失去电子溶解为锌离子（锌比铜更为活泼，更易失电子）。
  $$Zn\to Z{n}^{2+}+2e^{-}$$

• 正极（铜）：发生还原反应，铜离子得电子析出铜。
  $$C{u}^{2+}+2e^2\to Cu$$

• 总反应
  $$Zn+C{u}^{2+}\to Z{n}^{2+}+Cu$$

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2.3 电池原理

根据上面的氧化反应和还原反应可知，负极的锌原子失去电子，并将产生的电子借助外电路（电流表）流入正极，流入正极的电子与铜离子反应析出铜。

由此通过 电子定向移动将化学能→电能（放电）或电能→化学能（充电），这就是 电池原理。

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2.4 核心反应方程

放电（输出电能，氧化反应）
$$氧化剂+还原剂\to 氧化产物+还原产物+电能$$

充电（输入电能，还原反应）
$$氧化产物+还原产物+电能\to 氧化剂+还原剂$$

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2.5 盐桥（隔膜）的作用

盐桥是隔膜的一种。隔膜是一个广义概念，只要能完成 “分隔 + 离子传导” 的组件都可称为隔膜；而 盐桥是隔膜中一种结构和材料特定的类型（通常由琼脂 + 饱和电解质溶液组成）。盐桥主要用于小型实验原电池，成本低、易制备；隔膜主要用于长期稳定工作的电池，耐用性更强。

为了解决原电池的核心矛盾 ——“既需要分隔两个半电池的反应物（避免直接反应浪费能量），又需要允许离子通过（维持电荷平衡，保证电流持续）”。因此，两者的核心能力完全相同：就是盐桥和所有类型的隔膜，本质都

（1）平衡半电池电荷，维持电中性（核心作用）

铜锌电池工作时，发生的氧化还原反应会使和正极的负电荷积累而形成“反向电场”：负极的正电荷会阻碍 Zn²⁺继续进入溶液，正极的负电荷会阻碍 Cu²⁺ 继续得到电子，最终电子无法持续转移，电池很快停止工作。

而盐桥中的电解质（KCL）会解离出可自由移动的 K⁺ 和 Cl⁻，使 Cl⁻ 向负极移动， K⁺ 向正极移动，利用离子迁移维持电荷平衡。

（2）阻止电解质直接混合，避免“无效反应”

铜锌电池中，负极（Zn）若直接接触正极电解质（如 CuSO₄ 溶液），Zn 会直接与 Cu²⁺ 发生置换反应（Zn + Cu²⁺ = Zn²⁺ + Cu）—— 电子不经过外电路，直接在电极表面转移，无法产生电流（能量以热能浪费，而非电能）。

盐桥将两个半电池的电解质（如 ZnSO₄ 溶液和 CuSO₄ 溶液）隔开，仅允许离子通过（平衡电荷），但阻止两种电解质大量混合，避免了 Zn 与 Cu²⁺ 的直接反应，保证电子 “被迫” 通过外电路转移（产生电流）。

（3）减小液接电势（次要但重要的作用）

当两种不同电解质溶液接触时，界面处会因离子迁移速率不同产生电势差（液接电势），干扰电池电动势的稳定性。盐桥中通常使用 KCl（或 KNO₃），其中 K⁺和 Cl⁻的迁移速率接近相等，能最大限度抵消界面处的离子迁移差异，大幅减小液接电势，使电池电动势更稳定。

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3. 电池的输出电压与容量

3.1 电池的输出电压

单个电池单元有一定的固定电压，任何电池的电压都取决于电池的化学性质1.1V。在汽车上使用的铅酸电池单元电压为 2.1 V。镍镉电池段元为 1.2 V，锂电池电压高到 4 V。就是。在铜锌电池中，电压

碳锌电池的 5 倍。就是电池的化学特性也决定了电池的保质期和放电特性。例如锂二氧化锰电池的保质期通常

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3.2 电池的容量

可变的，取决于电池中反应物的数量。就是尽管电池的电压由其化学性质决定且固定，但其容量

（1）定义

电池的容量电池在特定条件下可释放的总电荷量，即就是指可以从电池中获得的电子数，并用一段时间内可以提供的电流来衡量。也可以说

$$Q=I\times t$$

Q 为每小时释放的电荷量，I 为释放的电流，t 为小时数。

（2）单位
安时，Ah，或 毫安时，mAh

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3.3 电池的串联

电池通常由其内部多个具有电气连接的电池单元组成，电池单元的连接方式和电池的类型决定了电池的电压和电容容量。

为了增加电池电压，如果一个电池单元的正极与另一个电池单元的负极相连接，以此类推，电池总电压就是单个电池电压的总和，称为电池的串联。如下图所示

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3.4 电池的并联

为了增加电池的容量，假设几个电池单元的正极连接在一起，所有的负极也连接在一起，电池的总容量就是所有单个电池的容量总和，称为电池的并联。

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