一则高中化学课外阅读材料——锌空气电池

李文雅　王明召

摘要 为配合新课标高中化学原电池内容的教学，编写这篇学生阅读材料，介绍一种绿色电池——锌空气电池的结构特征、工作原理，以及加入添加剂十二烷基苯磺酸钠提高电池容量的机理，以拓展学生的视野。

关键词 高中化学；锌空气电池；十二烷基苯磺酸钠；原理

中图分类号：TM911.3 文献标识码：A 文章编号：1671-489X（2009）09-0032-02

A Reading Material for High School Chemistry: Zinc Air Battery//Li Wenya, Wang Mingzhao

Abstract One reading material about one kind of green battery, zinc air battery, was constructed in order to facilitate the teaching of galvanic battery in the high school chemistry.

Key words high school chemistry；zinc air battery；lauryl benzene sulfonic acid sodium；principle

Authors address College of Chemistry，Beijing Normal University，Beijing 100875

随着各种便携式电子产品的大量普及，发展高比能量、清洁、安全的化学电源成为社会发展的重要需求［1］。锌空气电池（又称锌空电池）是以锌为阳极活性物质，以KOH溶液为电解质，空气中的氧气为阴极活性物质的电池。这种电池具有放电性能稳定、安全、零污染等特点，同时摒弃传统电池中铅、汞、镉、镍等化学元素，既降低成本，又解决传统电池所存在的污染问题，优点众多。近年由于移动通讯的快速发展和可持续发展的环保要求，锌空气电池在实用化研究方面取得巨大进展，逐渐呈现出取代传统电池的势态［2］。

1 锌空气电池的结构特 征和工作原理

锌空气电池的结构如图1所示，包括空气电极（阴极）、锌电极（阳极）和电解液。阴极材料通常是活性碳，阳极材料为锌。在碱性介质中，阴极活性物质氧气沿电极表面扩散到电极内部，在催化剂的作用下发生还原反应生成OH-，与此同时，锌阳极发生氧化反应生成Zn2+，结果在外电路产生电流。生成的Zn2+与OH-反应生成Zn(OH)2，Zn(OH)2失水变成ZnO［3］。有关反应为：

阴极反应：O2+2H₂O+4e-→ 4OH^-E＝0.401 V

阳极反应：2Zn→2Zn2++4e^-

2Zn2++4OH-→2Zn(OH)₂→2ZnO+2H₂OE＝-1.245 V

电池反应：2Zn+O₂→2ZnOE＝1.646 V

一般电池的能量储藏在两个电极内，而锌空气电池则不同，只有阳极锌储存能量，阴极空气电极并不消耗，只是转变能量的工具［5］。锌空气电池的高比容量是通过增加锌阳极的量实现的。阳极决定电池的输出容量，阴极决定电池的输出功率。因此，锌空气电池可以说既是贮能工具又是燃料电池。另外，由于空气随时可取，不占用电池空间，在相同体积、相同重量下，锌空气电池可以贮存更多的反应原料，因此具有比能量更高，成本更低，无污染等强大优势［6］。

2 十二烷基苯磺酸钠添加剂的缓蚀作用

虽然锌空气电池具有其他电池无法比拟的优势，但由于是开放体系，在使用过程中存在许多问题。例如，碱性锌空气电池存在以下问题：1）溶解在电解液中的氧气会加速锌的腐蚀；2）大气中CO2通过透气膜与电解液中的KOH作用，生成碳酸钾或碳酸氢钾；3）空气湿度严重影响电池寿命。空气湿度低于60%时电池失去水分，电解液浓度增大，造成电解液不足，电池失效；而湿度大于60%时，电解液变稀，导电率降低［7］。目前人们通过各种方法改进锌空气电池，包括使用添加剂，这主要用到锌阳极添加剂、空气电极催化剂和电解液添加剂。以下用一种电解液添加剂——十二烷基苯磺酸钠为例，介绍该添加剂使锌电极放电容量提高的原理。

2.1 一种电解液添加剂——十二烷基苯磺酸钠锌电极存在的问题主要是自腐蚀和钝化，在电解液中加入添加剂是为了抑制锌电极腐蚀，起到缓蚀的作用，并防止钝化。目前研究较多的添加剂有十二烷基苯磺酸钠、吐温-20、溴化十六烷三甲基、四丁基溴化铵、季铵盐性有机表面活性剂。对于一次性锌空气电池，添加剂十二烷基苯磺酸钠比其他缓蚀剂的抑制腐蚀效果好，缓蚀效率高［8］。

十二烷基苯磺酸钠（SDBS）化学式C12H25C6H4SO3Na，常为黄色油体，纯化后可以形成六角形或斜方形薄片状结晶。分子由亲油性烷基、离子性亲水磺酸基、连接基团亲油性苯环三部分组成。如图2所示。

十二烷基苯磺酸钠溶于水后呈中性，对水的硬度较敏感，不易发生酸、碱水解反应，不易氧化。其合成工艺成熟，成本低，表面活性主要表现为起泡能力和去污能力强，应用领域广泛［9］。

2.2 十二烷基苯磺酸钠对锌电极反应的影响十二烷基苯磺酸钠加入电解液，可以同时抑制锌电极的腐蚀过程和钝化过程，从而提高电池的放电容量。

1）对析氢反应的影响。锌在热力学上处于不稳定状态，在碱性溶液中发生电化学腐蚀。

阳极反应：Zn+2OH-→ZnO+H₂O+2e^-

阴极反应：2H₂O+2e-→2OH-+H₂↑

电池反应：Zn+H₂O →H₂↑+ZnO

加入添加剂十二烷基苯磺酸钠后，该分子比水分子优先吸附到锌电极表面阴极反应的活性位置，烷基吸附在锌电极表面，伸向电解液的亲水基发生水化作用，形成水化壳层。这种水化壳层的物理屏障作用阻挡水分子与锌电极表面接触，从而抑制析氢反应［9］。

2）对锌电极钝化的影响。在碱液中，锌电极发生阳极反应：Zn+4OH-→Zn(OH)42-+2e-

产物四羟基合锌酸根离子不能很快在电解液中扩散，积累在电极表面，积累到一定程度时在电极表面转化为多孔松散的Ⅰ型ZnO膜沉积下来，反应为：Zn(OH)42-→ZnO+2OH-+H2O

这个过程生成OH-，同时外部的OH-向电极迁移，推动电极反应进行。随着反应继续进行，ZnO膜逐渐变密，OH-在ZnO膜中的传递速率逐渐降低。当OH-的传递速率降到不能满足四羟基合锌酸根的形成时，Ⅱ型致密ZnO膜直接在电极表面沉积出来，发生的反应是：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-

当电极表面完全被Ⅱ型ZnO膜所覆盖时，锌电极完全钝化。加入十二烷基苯磺酸钠后，由于其在电极表面的吸附，使阳极溶解过程中所生成的ZnO以多孔松散的Ⅰ型ZnO为主，因此对钝化起到抑制作用［10］。

参考文献

[1]Yang H X, Cao Y L, Ai P X.Improved discharge capacity and suppressed surface passivation of zinc anodein dilute alkaline solution using surfactant additives[J].J.Power Sources, 2004(128):97-101

[2]褚有群,马淳安,张文魁.碱性锌空气电池的研究进展[J].电池,2002(32):591-594

[3]吴宇平,张汉平.绿色电源材料[M].北京:化学工业出版社,2008

[4]冯晶,陈敬超,肖冰.金属空气电池技术研究发展[J].材料导报,2005(19):59-62

[5]清华大学锌空气电池研究组.锌空气（氧）电池进展[M].北京:科学出版社,1975

[6]程新群.化学电源[M].北京:化学工业出版社,2008

[7]邓润容,谭慧珠.锌空气电池的应用和技术现状[J].电池工业,2007(12)53-56

[8]粱广川,张辉,李玉洁.碱性锌/空气电池阳极（锌电极）材料研究进展[J].材料导报,2005(19):34-45

[9]卜雪涛,蒋巍,梁广川.表面活性剂对锌电极电化学性能的影响[J].电源技术,2006(130):290-293

[10]Goldstein J, Koretz B.New developments in the Electric Fuel Ltd. Zinc-air system[J].J.Power Sources,1999(80):171-179