水果電池的利用率探究綜述

當(dāng)今社會(huì)電池應(yīng)用的領(lǐng)域越來越廣泛，但廢電池的污染問題也接踵而至，于是五彩斑斕的水果電池的出現(xiàn)如星光燦爛夜空，閃爍著誘人的光芒。水果電池的應(yīng)用空間是非常廣闊的，但由于現(xiàn)在對(duì)水果電池研究的不深入，導(dǎo)致水果電池的利用率并不高。經(jīng)過試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)可以通過控制水果電池的用量來實(shí)現(xiàn)效率最高化。在未來資源短缺的情況下，水果電池不僅可以為我們提供電能，而且也可以克服普通化學(xué)電池對(duì)環(huán)境的污染，應(yīng)用前景光明。

一、知識(shí)準(zhǔn)備

1.原電池。

原電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。它利用兩個(gè)電極的電極電勢(shì)的不同，產(chǎn)生電勢(shì)差，從而使電子流動(dòng)，產(chǎn)生電流。原電池又稱非蓄電池，是電化學(xué)電池的一種。其電化學(xué)反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，即只能將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。簡(jiǎn)單說就是不能重新儲(chǔ)存電力，與蓄電池相對(duì)。

原電池的構(gòu)成條件有三個(gè)：（1）兩種電極材料活性不同；（2）兩電極必須浸泡在電解質(zhì)溶液中；（3）兩電極之間有導(dǎo)線連接，形成閉合回路。只要具備以上三個(gè)條件就可制成原電池。而化學(xué)電源因?yàn)橐罂梢蕴峁┏掷m(xù)而穩(wěn)定的電流，所以除了必須具備原電池的三個(gè)構(gòu)成條件之外，還要求有自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)。也就是說，化學(xué)電源必須是原電池，但原電池不一定都能是化學(xué)電池。

2.金屬活潑性順序。

鉀，鈣，鈉，鎂，鋁，鋅，鐵，錫，鉛，（氫）銅，汞，銀，鉑，金。鉀最活潑，金最穩(wěn)定。電極選擇氫之前和之后各一種金屬。（鎂沒用過，易爆炸，鈉爆炸劇烈。）

3.原電池應(yīng)用的必備條件。

（1）直接轉(zhuǎn)換成電能輸出的裝置；（2）金屬的腐蝕與防護(hù)；（3）判斷金屬的活潑性；（4）加快反應(yīng)速率。

4.原電池的種類。

一般按負(fù)極活性物質(zhì)（如鋅、鎘、鎂、鋰等）和正極活性物質(zhì)（如錳、汞、二氧化硫、氟化碳等）分為鋅錳電池、鋅空氣電池、鋅銀電池、鋅汞電池、鎂錳電池、鋰氟化碳電池、鋰二氧化硫電池等。鋅錳電池產(chǎn)量最大，常按電解質(zhì)分為氯化銨型和氯化鋅型，并按其隔離層分為糊式電池和低極電池。以氫氧化鉀為電解質(zhì)的鋅錳電池，由于其負(fù)極（鋅）的構(gòu)造與其他鋅錳電池不同而習(xí)慣上另作一類，稱為堿性鋅錳電池，簡(jiǎn)稱堿錳電池，俗稱堿性電池。

5.水果電池的研究背景。

以色列研究人員宣布已研制出一種利用煮熟的土豆發(fā)電的有機(jī)電池，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、可持續(xù)利用等特點(diǎn)。Yissum研究開發(fā)公司宣布，將推出一款基于土豆涂層的固體有機(jī)電池。這款簡(jiǎn)易的、可持續(xù)的和強(qiáng)大的設(shè)備能夠?yàn)槿蚝芏嚯娏?yīng)不足的國家?guī)砑磿r(shí)的、價(jià)格低廉的電力解決方案。這塊顯示出高效能的電池由鋅、銅電極和煮熟后的土豆片制成。土豆煮熟后的發(fā)電能力比煮熟前提高10倍左右，從而將供電時(shí)間延長(zhǎng)至數(shù)日甚至數(shù)周。另外，毋需置疑的是，土豆電池的成本也大大低于普通商用電池。這款新型電池來源于耶路撒冷希伯來大學(xué)的相關(guān)技術(shù)開發(fā)，研究人員發(fā)現(xiàn)提高土豆塊涂層的鹽橋能力后能夠通過多種方法產(chǎn)生電力。這種價(jià)格低廉、簡(jiǎn)易使用的綠色能源將提高近16億欠缺基礎(chǔ)電力設(shè)施的人民的生活。這種電能可支持照明、通信和信息傳輸?shù)氖褂?。根?jù)成本分析數(shù)據(jù)，這種新型的電池比現(xiàn)有的商業(yè)電池便宜很多，比如說，它比1.5 Volt D電池便宜5倍，比Energizer E91電池便宜50倍。這種原理的照明能源也比發(fā)展中國家常用的煤油燈節(jié)約至少6倍的金錢。

6.水果電池的發(fā)電原理。

兩種金屬片的電化學(xué)活性不一樣，其中更活潑的那邊的金屬片能置換出水果中的酸性物質(zhì)的氫離子，由于產(chǎn)生了正電荷，整個(gè)系統(tǒng)需要保持穩(wěn)定，所以在組成原電池的情況下，由電子從回路中保持系統(tǒng)的穩(wěn)定，這樣從理論上來說，電流大小是直接和果酸濃度相關(guān)的。

二、對(duì)水果電池利用率的探究

1.實(shí)驗(yàn)分析。

綜合以上知識(shí)，得出：探究水果電池的利用率實(shí)質(zhì)上是探究水果電池產(chǎn)生的電功率，即產(chǎn)生的電壓電流大小。

2.實(shí)驗(yàn)器材。

新鮮蘋果、橙子和檸檬、橙汁、鐵片、銅片、鋅片、200mL燒杯若干、靈敏電流計(jì)、電壓表、計(jì)算器、小燈泡、導(dǎo)線若干。

3.實(shí)驗(yàn)步驟。

（1）探究電極材料與電流及電壓大小的關(guān)系。①將鐵片、銅片插入橙子（相距大約2cm），用導(dǎo)線將銅片、鐵片分別與電流表或電壓表的正負(fù)極接線柱相連；②記錄電表讀數(shù)；③將鐵電極換成鋅片，重新測(cè)量，記錄讀數(shù)。

（2）探究電解質(zhì)與電流及電壓大小的關(guān)系。①將鋅片、銅片插入蘋果（相距大約2cm），用導(dǎo)線將銅片、鐵片分別與電流表或電壓表的正負(fù)極接線柱相連；②記錄電表讀數(shù)；③將蘋果換成檸檬，重新測(cè)量，記錄讀數(shù)；④將橙汁倒入燒杯中，將檸檬換成橙汁，重新測(cè)量，記錄讀數(shù)。

（3）探究串并聯(lián)與利用率大小的關(guān)系。①將鋅片、銅片按順序分別插入3杯橙汁（相距大約2cm，用細(xì)線固定，防止接觸），用導(dǎo)線將銅片、鐵片串聯(lián)，再分別與電流表的正負(fù)極接線柱相連；②記錄電表讀數(shù)，再將兩電極和電壓表正負(fù)極相連，記錄讀數(shù)；③將鋅片、銅片按順序分別插入3杯橙汁（相距大約2cm，用細(xì)線固定，防止接觸），用導(dǎo)線將銅片、鐵片并聯(lián)，再分別與電流表的正負(fù)極接線柱相連，重新測(cè)量，記錄讀數(shù)；④再將兩電極和電壓表正負(fù)極相連，記錄讀數(shù)。

（4）探究水果電池的利用前景：用水果電池點(diǎn)亮計(jì)算器。①檢查實(shí)驗(yàn)用的計(jì)算器的額定電壓為3V；②根據(jù)鋅、銅電極做成的橙汁電池能產(chǎn)生0.8V電壓，計(jì)算出計(jì)算器至少需要4杯橙汁串聯(lián)的電池4×0.8V=3.2V才能啟動(dòng)工作；③將4杯橙汁串聯(lián)成電池組，用電壓表測(cè)定電池組的實(shí)際電壓；④將電池組的電源接到計(jì)算器上；⑤如果上述電池組不能使計(jì)算器工作，再做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整（如：檢查電路是否連接完整，接觸是否良好，電壓是否足夠，串并聯(lián)是否正確等）。

三、探究結(jié)果及分析

1.對(duì)于電極材料與電流及電壓大小關(guān)系的分析。

水果電池是一個(gè)原電池，其兩電極存在金屬活動(dòng)性上的差異，理論上活動(dòng)性差異越大的電極作正負(fù)極產(chǎn)生的電流越大。實(shí)驗(yàn)表明，在常用的電極中，銅鋅原電池效果較好。

2.對(duì)于電解質(zhì)與電流及電壓大小關(guān)系的分析。

水果中含有的酸性物質(zhì)起到了電解質(zhì)的作用。往不同水果中插入電極產(chǎn)生的電流大小不同。實(shí)驗(yàn)表明，在常見的幾類水果中，橙子的效果較好，蘋果的效果相對(duì)較差。于是我們將橙子榨成了橙汁，重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，橙汁比橙子產(chǎn)生的效果更好。

下表為其他水果的有關(guān)數(shù)據(jù)。

3.對(duì)于串并聯(lián)與利用率大小關(guān)系的分析。

電池的連接可以分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種方式。單個(gè)水果電池產(chǎn)生的電壓一般較小，供電效果較差，通過多個(gè)水果電池串聯(lián)可以增大總電路中的電壓，從而增強(qiáng)其供電效果。

4.水果電池的利用前景：用水果電池點(diǎn)亮計(jì)算器實(shí)驗(yàn)的分析。

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，我們開始將4杯橙汁組成的電池組，用電壓表測(cè)定它的電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)實(shí)際電壓只有3.2V，于是我們逐漸增加橙汁電池的個(gè)數(shù)，當(dāng)6杯橙汁串聯(lián)時(shí)，實(shí)際電壓已達(dá)到4.7V。按照理論講此時(shí)計(jì)算器應(yīng)該可以工作了。我們把計(jì)算器與電池組接通后在顯示屏上開始出現(xiàn)啟動(dòng)畫面，但不能進(jìn)入工作狀態(tài)，只能在斷開連接的一瞬間顯示出工作畫面。于是我們又開始仔細(xì)檢查實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的漏洞，加強(qiáng)了接觸，最終計(jì)算器能夠正常工作。輸入“2014+12+18”可以計(jì)算出數(shù)值為2044，實(shí)驗(yàn)成功。但持續(xù)時(shí)間較短，產(chǎn)生的電流強(qiáng)度的數(shù)值不穩(wěn)定，無法提供像化學(xué)電池一樣持續(xù)不斷的電能。

根據(jù)公式I=U/R，電阻很大導(dǎo)致電流很小，這是第一次實(shí)驗(yàn)未能取得成功的關(guān)鍵因素。又根據(jù)串聯(lián)電路中電壓分配與內(nèi)阻的關(guān)系，當(dāng)內(nèi)阻很大時(shí)，實(shí)際上分配到外部的電壓較小，遠(yuǎn)小于電壓表所測(cè)值。根據(jù)并聯(lián)電路電阻特點(diǎn)，并聯(lián)越多，相當(dāng)于橫截面越大，電阻會(huì)越小。又根據(jù)電壓分配特點(diǎn)，電源如果并聯(lián)，內(nèi)阻就成倍減小，外部的電壓會(huì)變大，電流也會(huì)變大，電器可能會(huì)更快工作。但這與前述實(shí)驗(yàn)結(jié)論不符。我們?cè)儐柫宋锢砝蠋?，老師認(rèn)為這是由于實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致的。我們決定在以后的學(xué)習(xí)中再做更深層次的研究。

三、結(jié)論

水果電池能否做成功，與其選用的電極材料關(guān)系很大，在同一個(gè)水果中，使用不同材料的電極，其產(chǎn)生的電壓也會(huì)有很大的區(qū)別；所選用的正極材料與負(fù)極材料，其極性相差越大，所產(chǎn)生的電壓就越高。所選用的負(fù)極材料，其化學(xué)活潑性越強(qiáng)越好，正極材料的化學(xué)活潑性越穩(wěn)定越好。實(shí)驗(yàn)表明，這一規(guī)律是符合金屬活潑性順序原理的；同一種水果進(jìn)行串聯(lián)時(shí)，其產(chǎn)生的電壓基本上是成倍增加的，同一種水果或禽蛋進(jìn)行并聯(lián)時(shí)，電流不會(huì)因此而成倍提高；同一個(gè)水果或禽蛋所產(chǎn)生的電壓或電流不會(huì)因?yàn)檎麄€(gè)水果或半個(gè)水果而改變，同一種水果所產(chǎn)生的電壓或電流也不會(huì)因?yàn)閭€(gè)大或個(gè)小而改變；水果電池產(chǎn)生的電流強(qiáng)度的數(shù)值不穩(wěn)定，一直往下降。我們實(shí)驗(yàn)中所測(cè)定的電流強(qiáng)度的數(shù)據(jù)是測(cè)電表中第一次出現(xiàn)的最大的電流強(qiáng)度。

就目前我們所具備的設(shè)備條件和知識(shí)儲(chǔ)備而言，水果電池的應(yīng)用空間還有待進(jìn)一步開發(fā)，但根據(jù)電極材料的探究，我們認(rèn)為，如果有更好的電極，正確的連接方式，水果電池一定會(huì)有良好的表現(xiàn)。

隨著科技水平的提高，人們對(duì)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)也進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)工業(yè)中存在的缺點(diǎn)也日益暴露出來，水果電池等新興的環(huán)保產(chǎn)品逐漸受到人們的關(guān)注。雖然關(guān)于水果電池利用率的問題，目前無法得出明確的結(jié)論，但是我們應(yīng)該通過此類實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)發(fā)現(xiàn)問題，尋找解決方法，努力為科技的進(jìn)步做出自己的貢獻(xiàn)。