2018年4月6日 星期五

鹼性電池的構造

要不要用鹼性電池?
沒想到這麼多人有相同的困擾~~
很多東西的用途不是越貴越好
而是用在甚麼地方的問題
碳鋅電池與鹼性電池是個例子
白熾燈泡與省電燈泡(或LED燈泡)也是個例子(這個後續再說)

碳鋅電池很好拆
主要封裝的地方是在正極
用一支尖嘴鉗就可以搞定
上面只用了一個塑膠套,再加上一些瀝青(黑黑黏黏的東東,我猜的)封住而已
非常的不牢靠
打開就可以看到正極的碳棒(不參與反應)
整個外殼就是負極的反應物,金屬鋅




拆解下來的東東來可以做很多實驗
可以參考這篇,不過已經十幾年了,有些東西就請自行調整

因此,如果碳鋅電池漏液(坦白說,真的比較少)
主要就會從正極的地方流出來(負極是密封的)


或者是因為當作外殼的鋅金屬整個都反應完了
當然也會漏出電解液

 一般說來要讓鋅金屬完全用完,通常是比較不容易發生的(因為人家還要當作容器啊)
但如果是回收再製的電池,就非常容易發生
許多大陸的二線電池就是利用回收的電池直接填充二氧化錳等反應物封裝成的
因此成本最高的鋅外殼和碳棒完全都省下來了
但鋅金屬因為已經用過一輪,質量不夠的情況下
就容易因為反應完使得內部的電解液流出



但如果是大品牌的碳鋅電池
通常這種情況就比較少見
從封裝的方式也可以看出一二
大品牌電池的外殼通常是一片鐵殼,鋅金屬還用塑膠膜包著
但大陸二線電池就只有用塑膠膜包著鋅金屬而已


再看看鹼性電池(不建議自行拆解!!不建議自行拆解!!不建議自行拆解!!)
就只有用一層塑膠膜包著而已(品牌電池也是如此)
仔細觀察會發現如果有漏液
幾乎都是從負極出來的
反而這時正極是密封的


把碳鋅電池和鹼性電池放在一起比較就更明顯了


因為鹼性電池的封裝是從負極,正極完全是密閉的狀態
負極的封裝方式遠遠比碳鋅電池來得"厚工",至少封了兩層
慢慢拆開會發現負極的屁股插了一根釘子
拔出釘子,幾乎都會噴出電解液(這步驟很危險),第三張照片就可以看到
即使已經沒電,且放很久的電池也一樣



但碳鋅電池如果沒電且放了一段時間,內部電解液幾乎都是乾的(乾是相對的稱呼,不是像沙子一樣乾喔)
仔細觀察一下釘子
這不是一般的鐵釘(磁鐵吸不起來),外觀呈現灰白色

從化學反應的角度來看
負極的反應物為鋅金屬,若要讓反應單純化
負極的電極最好就是使用鋅(或氧化鋅)的合金
當然這只是猜測,需要進一步檢驗

再繼續打開第二層蓋子
裡面用半透膜的隔離紙將電池分成內層和外層
內層可以看出來是銀白色的溶液狀粉末,這就是負極的反應物,鋅粉
外層主要就是二氧化錳
整個內部都是潮濕的狀態,電解質通常都是氫氧化鉀

慢慢挖出裡面的內容物
我最親愛的碳棒怎麼消失了!!
因為...鹼性電池根本沒有碳棒


整個外殼都當作正極來使用,但不參與反應
(碳鋅電池或鋰電池或鎳氫電池等,外殼都是負極)
用磁鐵可以將鹼性電池吸起來
因此外殼應該是含有鐵的工業用不鏽鋼製品(有順磁性)

所以...鹼性電池絕對不可能因為外殼的關係發生漏液的情況
最主要漏液的原因還是因為電解質本身就是溶液狀態的原因
加上封裝時若負極的釘子產生些許空隙(可能是封裝的問題,也可能是使用時因為壓力使得空隙變大...很多原因)
液態的電解液就容易從負極流出

再者,鹼性電池的負極使用鋅粉
不用說,反應速率遠比用鋅殼來得快速許多
產生的電流當然也更大
內部少了碳棒佔據空間,反應物的量相對也可以增加
使用時間也就更長了

所以,鹼性電池基本上確實是比碳鋅電池容易漏液
但這是機率問題,不代表你拿到的鹼性電池一定會尿尿
用對地方就是個好東西
用錯地方又來怪人家...似乎就太不厚道了

不要用鹼性電池??

去五金行買東西結帳時聽到一段對話
「你要不要順便買電池?」店員問一個買電蚊拍的顧客
「喔~,那幫我拿兩個鹼性電池,可以用比較久」
「這個不建議用鹼性電池喔~,鹼性電池的電太強,電蚊拍容易壞」
「...」

這種對話很常聽見是不是?
我在旁邊聽到全身發癢,理化老師魂一直衝上腦門!!
首先,甚麼叫作電太強?

一般人的認知就是電壓
但化學電池的電壓是由反應物決定的
一般我們熟知的碳鋅電池
正極(陰極)主要反應物為二氧化錳和氯化銨
負極(陽極)反應物金屬鋅
電解液為了使用上的方便會利用澱粉調成糊狀
反應式如下

而鹼性電池的反應物
正極(陰極)主要反應物為二氧化錳
負極(陽極)反應物金屬鋅
電解液主要為氫氧化鉀溶液
反應式如下

雖然兩者的反應有一點點的不同
(其實化學反應通常都極為複雜,尤其到後期當內容物的種類越來越多時,就有更多無法預期的副反應發生,因此接下來會發生甚麼事,只有上帝知道了)
但基本上不會差太多
因此不管是碳鋅電池或鹼性電池
電壓原則上都在1.5V~1.7V之間(看副反應出現的量和封裝的品質)
所以這兩者的電壓其實可以看成是一樣的
就算真的有差,一般電器對於0.2V左右的電位差基本上也不會有太大的影響

再來就是電流
鹼性電池因為構造上的差異(這會用另一篇來說明)
可以產生的最大電流較大(電池的輸出功率較大)
但...這不代表輸入電器的電流也會比較大啊~~
基本上輸入電流的大小是由電器決定的
如果是小功率的電器,輸入電流可能只有數個到數十個毫安培
基本上就算你用鹼性電池
也不會讓電器產生更大的電流量
不然你把LED小夜燈插上家用的110V怎麼不會爆炸???

但如果是大功率的電器就不一樣了
假設你的電器輸入電流可以到2A以上(許多四驅車就可以到這樣的耗電)
碳鋅電池就無法達到如此的功率輸出
這時就要用鹼性電池才可以了

所以某些電器"不適合"(不是"不能")用鹼性電池的原因根本和電壓或電流無關
而這些電器清一色都是屬於低功率(低電流)的電器,如時鐘、遙控器、電蚊拍等


這些電器因為耗電量低
因此電池一放可能就是數個月或一年以上
此時就會發生另一件非常容易發生的事,那就是漏液

鹼性電池因為構造與內容物的問題(這也是另一篇再來說)
相對於碳鋅電池更容易漏出電解液
因此若鹼性電池長時間(可能一個月,甚至更長)放在遙控器中
就容易因漏出電解液(但也不代表每個鹼性電池百分之百都會漏液)而使得電器損壞
這才是"不適合"(不是"不能")使用鹼性電池最主要的原因
不是甚麼"電太強"啦~~

這只是我心裡的小劇場
結完帳就很孬的回家了...

後記
有一種情況比較特殊
有過一次經驗是大功率的LED手電筒,鹼性電池就是不能用
詢問廠商說是電路的保護裝置
若電器本身電阻小,碳鋅電池假設釋放出最大的電流為1A,手電筒是可以承受的
但若裝入鹼性電池,因為手電筒為小電阻,因此可能讓鹼性電池放出2A以上的電流
此時內部電路板啟動保護裝置就會切斷電流,反而鹼性電池就沒辦法用了。
這是廠商給我的說法,好像還滿合理的
但是否真的如此,我也不知道

電子元件的包裝袋秘密

很多電子模組都會用這種黑色半透明的包裝袋 為什麼要用這種特殊的包裝袋呢? 用一般的PE袋或PVC袋不行嗎? 這就要回到電子電路的工作原理來說了 傳統電路主要靠電流來控制電路 電子電路則是靠電壓來控制 (這麼粗略的說法一定會被罵,但無法在三千字內說清楚就乾脆不說了,有興趣研究的可以...