为什么电池的电压是1.5V?

一直很困惑为什么我们平时用的5号电池和1号电池电压是一样的都是1.5V。或者说同样的反应,规模不同,为什么电压是个不变量。电池的电压是由什么决定的呢?在和枪老师,沈老师,空老师和奔老师讨论以后,有了一些理解。

  • 假如我们先看一个最简单的情况,往铜离子溶液(比如硫酸铜)里面插个锌棒。因为铜抢电子能力更强,所以会把锌的外层电子抢过来,变成铜单质。同时锌变成锌离子溶解到电解液里面去。这个过程发生了正电荷的转移(从铜离子液体的身上转移到了固体锌棒的身上),所以固体锌棒会带上正电。而铜离子也是带正电的,二者相斥。所以随着反应进行,铜离子从锌棒上面抢电子的难度会越来越大。直到达到平衡。在一定温度和电解液下铜离子从锌单质上抢电子的能力是固定的,因此这个反应平衡的时候锌棒上带的电荷/电压也是固定的——它产生的电势差正好能阻止铜离子从锌单质继续抢电子(准确的说是达到动态平衡)。因为每一种电池的正负极材料是确定的,所以不论大小,在标准条件下电池的电压是固定的。
  • 那么电池的电压是怎么算出来的呢?为了方便计算,人们用氢气做了个标准电极(实际操作的时候是往铂上面吹氢气泡泡),叫氢电极,定义它的电势为0。然后在概念上把铜离子从锌单质上抢电子的过程分解成铜离子先从氢身上抢电子,然后氢再从锌身上抢电子。这样每种物质就都有了一个绝对的电动势。电池的电压(电势差)就可以方便的把正极物质的电动势减掉负极物质的电动势得到。比如我们常用的锌锰电池在理想电解液下的电压是0.5V(二氧化锰正极)-(-0.76V)(锌负极),也就是1.26V。
  • 但实际环境并不是标准条件。直观上想象这个电动势和温度相关(温度越高铜离子跑得更快更容易突破电荷屏障),也和电解液相关( 铜离子围攻锌棒浓度越大越容易突破电荷屏障)。实际上也是这样的,所以电池的电压不是固定的,而是可以调节的。物质在具体条件下的电势可以用能斯特方程来计算。而在室温下,厂家给的电解液浓度下,我们用的干电池的电压就是1.5V。(这里还有个问题,我想象的是温度越高,浓度越高,电动势应该越低。但能斯特方程似乎给了相反的结论?)
  • 这也引出了一个问题,用什么物质做电池电压最高?单纯从标准电势的角度来看,最牛逼的正极是氟气/氟化氪,达到+3V左右。最牛逼的负极是锶,达到-4.10V。但氟气太活泼(你看它把惰性气体都给做了),锶太少。所以现在比较流行的负极就是锂了,标准电动势达到-3.04V,密度还低。这也是为什么从来看不到3V以下的锂电池的原因——它光负极电势就3V了。(更正:也是有1.5V的锂电池的,比如二硫化亚铁电池,它主要是利用锂轻和放电电流大的优势)

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