電池解密：「電」從何來？
作者： 偉文
最後更新： 06/12/2016
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電是現代都市生活中不可缺少的東西，我們每日每夜都有很多用具需要有電才能運作。為了方便攜帶，很多小型電器如電腦、手機、電筒等都能使用預先充電的電池或乾電池。
電池與我們的生活息息相關，到底它的內部構造是怎樣的？它又是如何「發電」的？
逃跑的自由電子
最常見的電池材料都是用金屬造的，因為金屬能夠導電。金屬含有可「自由走動」的電子，在特定的情況下，電子還會從金屬中「逃出來」，就如金屬在「放電」。
「放電」的金屬
有些金屬的電子十分活躍，一旦情況許可，就會立即逃跑，這些金屬具有較強的放電傾向。也有些金屬的電子比較文靜，不會怎麼逃跑。
金屬原本是不帶電荷的，因為它內部有相同數目的正電和負電荷粒子，彼此電荷會互相抵消。但當帶負電荷的電子逃走後，金屬整體的負電荷便會減少，使整體帶正電荷。同樣，電子逃到另一邊的金屬後，會令該金屬的負電荷增加，使它整體帶負電荷。
金屬間的電流
相同電荷會互相排斥，相異會互相吸引。因此電子會愈來愈難離開帶正電荷的金屬，也愈來愈難進入帶負電荷的另一金屬。於是，電流很快便會停止。所以，如果就這樣把兩種金屬連接起來，是不會產生電流的。
金屬間的電流很快會停止
引導電流產生
若我們利用鹽水，可使金屬間產生電流。當把兩片浸在鹽水中的電極（不同的金屬片）連接電路，電子較活躍的一方便會放電。電子沿電線走向另一端電極，並為途經的裝置（例如馬達或燈泡）提供電力。
利用電解質使金屬間產生電流
當金屬片因放電而變成正電荷，帶負電荷的自由離子（負離子）便會被它吸引而在電極上聚集，如此一來，電極的正電荷便被抵消了。同樣，另一邊因吸收電子而帶負電荷的電極會吸引正離子，把負電荷抵消。因此在電種離子的抵消作用下，兩邊電極便能保持中性，電子便可以繼續流動，提供穩定的電力。
鹽水能導電，因當中包含大量帶電荷的自由離子，例如由食鹽分解而來、帶負電荷的氯離子和帶正電荷的鈉離子。像鹽水這種以用自由離子來導電的物質，稱為「電解質」。
解構乾電池
日常使用的乾電池，其實原理與利用鹽水導電是相同的。
電池的正極和負極是兩種具不同放電傾向的物質（不一定是金屬），放電傾向較強的會作為負極。兩極之間沒有直接接觸，以電解質溶液分隔。電解液的成分視乎電極物質而定。電池外側會以絕緣物質密封，以防電解液滲漏或乾涸。由於電池中的電解液已經過特製成為糊狀／粉狀而非液態，因此稱作「乾電池」。
鹼性乾電池內部結構圖
乾電池的發電原理：
鋅負極放出的電子經碳棒逃到外部電路。
電子流經電力裝置（如燈泡），提供電能。
電子流到正極，並被正極物質吸收。
電解質中的離子移到兩極，平衡電荷。
五花八門的電池
電池和電力實在為人們帶來很多的便利，歷史上一代又一代的科學家不斷投入精力和時間，期望研發效果更佳的電池。今時今日的電池已經發展得相當多元化啦。
鹼性電池
最常見的乾電池，1950年代由一位加拿大化學工程師發明。輸出電壓1.5伏特，不可充電再用。因使用鹼性的氫氧化納作電解液而得名。
蓄電池
可反覆充電再用，種類繁多，材料、電壓和形狀亦大有不同。目前較流行的是鎳氫電池和鋰離子電池，前者多為AA型號充電池，後者則多用於相機等器材。
燃料電池
以外加燃料及氧氣的化學反應來製造電力，只要燃料不耗盡，就可以一直穩定供電。目前最常使用的燃料是氫。電壓只有0.7伏特左右，但可透過串聯來提高。
由於效率高、污染低，相信會成為未來環保能源的重點。
空氣電池
利用空氣中的氧作正電極，負極則一般使用鋅、鋰、鋁或鎂，每一種的電壓也不同，從1.2至3伏特不等。空氣電池能在較小體積中儲起更多電力，而且成本不高，但充電再用的效率很低。
木頭電池
美國馬里蘭大學幾年前曾發表了利用極薄木片製作電池的研究。由於木纖維能保存含豐富礦物的水分（電解質），加上能抵受超過400次充電且能保特完整，因此非常適合用於電池中。
本文由《兒童的科學》提供。 |
