電池的正負極材料需要具備什麼特殊性質?

Question

電池的發明為人類提供了活動能源,使人類活動力增強,對經濟有很大的貢獻.電池的正負極材料卻多是簡單的氧化劑和還原劑,但是雖然天然界裡氧化劑和還原劑不計其數,能作為電池的正負極材料的卻寥寥可數.是什麼特性使這些材料適合做電池?電池的正負極材料需要具備什麼特殊性質?

謝謝剛上國中的girl的回答,這些都了解,但重點在二氧化錳跟其他氧化物比有什麼特殊的地方?如果換二氧化鈦行不行?三氧化二鐵呢?為什麼?

我接觸過的電池材料不下二三十種,也因此有這個問題.譬如說同樣是氧化物,例如氧化銀,為何在一個系統裡(鹼液)好好的,在其他系統裡(例如鋰系統)就無作用?
王子提到的二氧化錳為去極化劑,那是七十年代的觀念,現在應該不這樣想了吧?

Answer 1

構成電池的四個主要部分分別是正極、負極、電解液以及隔離物，就一般的電池正極所使用的材料多為金屬氧化物或鹽類及氧（ 對燃料電池而言 ）等化合物；而對負極材料而言，常見的則為鋰或鋅等金屬。但在這些活性物質之外，在某些情況下尚需有支撐此類活性物質的存在，像是作為集電棒的碳，或是燃料電池中的催化劑等。


　　而在電極之外，電解質 、隔離物及包裝電池等部分亦有許多的元素被使用，以下簡述部分材料。


二氧化錳
　　主要使用於錳乾電池與鹼乾電池中作為正極的活性物質之用，在製造方法上則有下述三者：取自天然二氧化錳 ( NMD )、化學合成 ( CMD )、電解方式取得 ( EMD： 將錳礦物溶於硫酸中製成硫酸錳溶液後，再以電解的方式取得二氧化錳 )


　　在NMD部分，主要產自墨西哥、希臘、巴西、紐西蘭以及非洲等地。但若考量到純度的問題，直接使用 NMD 為材料並不妥，可是因為 NMD 具有價格上的優勢；故亦有部分錳乾電池是以 NMD、EMD 兩者混和作為材料。


　　利用化學合成 ( CMD ) 所得到的二氧化錳因為其重負荷特性較EMD來得差，所以多與 NMD 或 EMD 混合使用。



鋅與鋰

　　此兩種金屬因為具有較容易變成離子的趨勢，主要用於負極材料上。在價格上，鋅較鋰便宜；但鋰是最輕的金屬元素，其比重只有 0.534，也因此每單位重量的電流密度在所有金屬中為最大。較值得注意的是，鋰與鈉都會與水發生反應。所以在使用的電解液中，就不能採用水溶液。


鈣


汞

　　與鎳鎘電池所使用的鎘相同，汞與鎘都是具有危險性且對環境造成污染的元素，但汞因具有能形成優異耐蝕性膜的特性，故於電池領域中有著極重要的地位。主要的用途為：一為用於汞極電池上；一為以汞合金態 ( amalgam ) 用於負極作為防止鋅腐蝕之用。於鹼乾電池中，汞與中心處的鋅合金化，並造成防止鋅表面腐蝕的效果。而汞合金中汞的用量約為鋅重量的 9~10%，但隨著技術的進步此比例已逐年下降。


　　汞約略可分為汞合金中的金屬汞，氧化汞之類的無機汞以及為有機化合物的有機汞數類。隨著存在型態上的不同，所造成的污染與毒性亦不同；其中，金屬汞與無機汞除了直接進入人體外，大致上並無太大的問題。 但有機汞則具有很強的毒性，加上不易自人體排除，因此在使用與回收上要相當的注意。


電解液(質)

http://www.nsc.gov.tw/dept/acro/version01/battery/electric/basictheory/compound.htm
http://www.nsc.gov.tw/dept/acro/version01/battery/database/basictheory/kinds.htm

Answer 2

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Answer 4

具備的特殊性質其實要看電池的反應而定，如你的問題，碳鋅電池其實在反應過程中會產生氫氣，這將會非常危險。所以加入二氧化錳，因為他會行這個反應：2MnO2+H2→MN2O3+H2O，可以藉由這個反應將氫去除，這個反應稱為去極反應，所以二氧化錳也稱為去極劑。有興趣的話去查一些資料，了解不同性質的化學反應，在看看裡面物質的化學性質，必可獲益良多。