鋅碳電池與鹼性電池

鋅碳電池 (Zinc-carbon Battery) 與鹼性電池 (Alkaline Battery)
國立臺灣大學化學系黃俊誠博士/國立臺灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

鋅碳電池，又稱鋅碳乾電池、碳性電池、碳性電芯，外殼由鋅構成。第一個商用乾電池是由法國科學家勒克朗社（G. Leclanché, 1839-1882）所發明，電池的陽極是鋅罐。陰極是一支碳棒（石墨棒），碳棒是惰性電極，只作為電子的通路，本身沒有直接參與化學反應。兩電極之間填滿了氯化銨（NH₄Cl）為電解質、二氧化錳（MnO₂）和氯化鋅（ZnCl₂）的飽和溶液以及一些惰性漆料濕漿糊（圖1）。當電極被連接時，陽極的鋅即被氧化就失去電子(e^–)。失去的電子便經由電線跑到陰極，使NH₄Cl中解離出的NH₄⁺離子還原成NH₃，同時也形成氫氣。釋出的氫再被二氧化錳所氧化，而NH₃則被利用形成錯合物Zn(NH₃)2Cl₂。

陽電極上發生的氧化作用：

Zn(s) → Zn²⁺ (aq) + 2e^–

陰電極上發生的還原作用：

2NH₄⁺ (aq) + 2e^– → 2NH₃(aq)＋H₂(g) 2MnO₂(s) + H₂(g) → Mn₂O₃(s) + H₂O(l)

鋅離子則與氨反應，生成錯合物：

Zn²⁺ (aq) + 2NH₃(aq) + 2Cl^–(aq) → Zn(NH₃)2Cl₂

電池內的整體反應：

2MnO₂(s) + 2NH₄Cl(aq) + Zn(s) → Zn(NH₃)2Cl₂ + Mn₂O₃(s) + H₂O(l)

鋅碳電池的電壓為1.5 V，這種電池適用於只需少量電流的電器。此電池至少有兩個缺點，第一若電池放電太快便不能及時除去生成的氣體，令電壓減低，要暫停使用一會，電壓才能恢復到原來的水平；此外這種電池的壽命亦較短，這是因為除了鋅電極放電時會反應之外，電池在未使用時，酸性氯化銨也會與鋅電極發生作用。一段時間後鋅外殼會變薄，電池內的糊狀化學藥品便會泄出，因此在電池外常加上一層鋼製或膠製的外殼，防止與大氣作用，亦可防止糊狀化學藥品泄出。

當鋅碳電池的電能耗盡後，必須丟棄，難以再充電使用，其主要原因是鋅離子的標準還原電位比氫電極的標準還原電位還小(-0.76 V)之故，因此，若對鋅極充電，即施以負電壓時，氫離子會先於鋅離子接受電子而被還原成氫氣。由於氫氣是還原性氣體，若大量累積，可與MnO₂或Mn₂O₃引起下列激烈氧化還原反應：

2 MnO₂(s) + H₂(g) → Mn₂O₃(s) + H₂O(l) Mn₂O₃(s) + H₂(g) → 2 MnO(s) + H₂O(l)

因此，若冒然為鋅碳電池充電，將有爆炸之虞。有鑑於此一潛在危險性，電池製造商多於電池封皮加註警告標語以提醒用者。將鋅碳電池中的電解質氯化銨可以以氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）鹼性溶液取代之，此類電池統稱鹼性電池。在放電過程中，因為陽極消耗電解質中的氫氧根離子，陰極則放出氫氧根離子，氫氧根離子的濃度維持不變，可得到比較穩定的電流與電壓。鹼性電池的壽命比上述的鋅碳乾電池長，這是因為鋅碳電池中鋅在酸性中會與酸反應生成鋅離子與氫氣而使鋅變薄；而在鹼性電池中，並不會有這種狀況發生。

鹼性電池的內的氧化還原反應式如下：

陽極： Zn(s) + 2OH^–(aq) → ZnO(s) + H₂O(l) + 2e^–
陰極： 2e^– + 2MnO₂(s) + H₂O(l) → Mn₂O₃(s) + 2OH^–(aq)
總反應： Zn(s) + 2MnO₂(s)→ZnO(s) + Mn₂O₃(s)

參考資料
1. Zinc–carbon battery.http://en.wikipedia.org/wiki/Zinc-carbon_battery
2. 電池的電極反應。 http://host6.wcjhs.tyc.edu.tw/~ta530010 … 4/a6-4.htm
3. Alkaline battery. http://en.wikipedia.org/wiki/Alkaline_battery