平面微型電化學電池的設計與應用 ∕ 廖旭茂

星期一 , 2, 9 月 2019 Leave a comment

平面微型電化學電池的設計與應用

廖旭茂

台中市立大甲高中

教育部高中化學學科中心
nacl880626@hotmail.com

n  影片觀賞

本實驗影片由國立大甲高級中學提供,方型電化學電池的製作與使用介紹。

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影片網址:https://youtu.be/4f_kGVioDjI,YouTube.

n  簡介

國高中的電化學實驗課程中,電化學電池(electrochemical cell)涉及有毒重金屬鹽類的使用,以及廢液的排放,加上傳統實驗燒杯器皿容積過大、擔任鹽橋的U形玻璃管容易打破、難以進行電化學電池活性序列的調查,以及電位變因探究等諸因素,造成實驗教學不易進行的刻板印象。在108新課綱中,高一的基礎化學也取消電化學電池的實驗課程。

課綱取消電化學電池的緣由難以探究,不過電化學電池概念牽涉綠色化學、能源永續等前瞻思維的養成;新的電池科技也蘊含著龐大商機,其重要性與未來性無庸置疑。如何透過創新設計,改善傳統電化學電池使用上的諸多缺點,並遵循綠色化學原則,減少實驗藥品用量、有效降低有毒廢棄物排放,讓中學的老師們願意帶學生進實驗室,著實是一件重要的工程。

20年前芬蘭手機大廠一句有名的slogan-“Human  Technology”(在台灣翻譯為科技始終來自人性,此意與原文可能不完全一樣),其強調所有科技創新除了功能性取向外,還必須要考慮人機介面的親和性、直覺性與需求性等,“User side thinking”漸漸取代”Supply side thinking”。筆者之前在本刊1以及科學研習月刊2發表過創客版的微型電化學電池模組,歷經1年多來老師們教學使用後的回饋與建議,決定針對設計造成的不便性,進行修改。藉此減輕中學老師的負擔,提高進行實驗的意願。

新型的電化學電池模組,利用雷射切割機來進行製作開發,外觀上依舊是將電化學電池平面化,涉及電子轉移的氧化還原反應不在燒杯中進行,而在壓克力雷射切割出的方形凹槽裡;以硝酸鉀溶液沾濕的濾紙作為鹽橋,濾紙形狀為方便加工,由圓弧形改為長方形;為改善接觸不良問題,金屬片電極由抽取式改為固著式,放置於同形狀的凹槽內,並由不鏽鋼螺絲固定接觸;金屬片電極的面積加大,方便更換,且降低內阻。下圖為兩種微型電化學實驗模組的比較。

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1:圖左為舊款的微型電化學電池,圖右為改良後的微型電化電池

期盼透過本實驗模組的分享,能啟發並鼓勵中小學的教師們「自己的教具,自己做」外,真正願意帶學生進實驗室做實驗,讓中小學的化學實驗能真正達到減量、減廢,並符合綠色化學原則;進而培養富行動力、責任心,以及綠色思維的現代公民,落實永續教育的經營目標。

n  器材與藥品

1.      功率80 W的雷射切割機。

2.      透明壓克力板60 cm × 40 cm,厚度8 mm5 mm各一塊

3.      螺絲攻牙器1組,以及固定虎鉗【購自五金材料行】

4.      鑽孔機1(含鑽頭)

5.      手擰螺絲Φ6 mm,長12 mm)數個【購自五金材料行】

6.      平頭一字螺絲(Φ4 mm,長12 mm)數個【購自五金材料行】

7.      鎂合金、鋅、鐵、銅金屬片數片(尺寸為2.5× 2.5cm,厚0.5 mm

8.      0.5 cm碳纖維片(單支尺寸為100.0×2.5 cm,以美工刀裁成2.5 × 2.5 cm

9.      紅光LED燈、藍光LED燈各1個。

10.  LED母插頭連接線,線長20公分,

11.  紅、黑鱷魚夾1組,綠色鱷魚夾導線1(兩頭夾,線長約10公分)

12.  光膠筆1

13.  濾紙(單張尺寸為40× 40 cm,以美工刀裁成2.5 × 5.0 cm

14.  2.0硝酸鉀(Potassiumnitrate, KNO3)溶液、1.0 M硫酸銅(Copper(II) sulfate, CuSO4)溶液、1.0 M硫酸鋅(Zinc sulfate, ZnSO4)溶液、1.0 M硫酸亞鐵(Ferrous sulfate, FeSO4)溶液、1.0 M硫酸鎂(Magnesium sulfate, MgSO4)溶液各10 mL,盛裝在點滴瓶內。

n  微型電化學電池裝置的製作與使用

一、   發想設計優化流程

1.      發想:延續綠色化學原則,減量、減廢的考量,在線路接觸穩定、電極片方便使用、耗材濾紙容易裁剪,以及可重複使用的原則下,優化前的設計思考有幾個方向:

(1)  如何在方形的空間,進行一組或多組的電化學電池實驗。

(2)  金屬片的形狀、擺放位置的安排,以及如何其他電極的金屬片連接。

(3)  鹽橋的形狀簡單,方便老師自行剪裁。

(4)  Led燈座的設計,改善線路接觸不良的狀況。

2.      Adobe CS3 Illustrator繪圖軟體,依設計原稿尺寸7260 mm繪出數位的ai圖檔。下圖為軟體輸出的數位設計圖。

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2:微型電池的底座(左)、上蓋(中)以及燈座(右)

3.      電池底座與Led燈座的雷射加工:因電池底座與燈座都是使用8mm的壓克力板,所以一併切割。在雷切軟體Rdworks中,導入ai設計檔,然後依圖層依序填色,並調整雷射切割的速率與功率。藍色的區域是利用雷射掃描雕刻,刮除方形區塊,造成1.5~2.0 mm深的凹陷;紅色的區域是利用雷射切割,完成切除直徑5mm的圓洞,方便螺絲攻製作M6的螺孔;中間長條黑色外框是雷射切割,將功率調低,在壓克力板上描畫出一個長方形;最後,最外面黑色方形框線是利用雷射切割,將功率調到最高,完整切割出一塊長72 mm,寬60 mm,厚8mm的電池底座。下圖為底座與大、中、小三個圓板燈座完成圖。

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3:微型電池的底座雷射完成圖

4.      電池上蓋雷射加工:電池上蓋是使用5mm的壓克力板,所以與底座分開切割。黑色的文字是利用雷射掃描雕刻,刮除文字區塊,造成類似印章陰刻效果;最中間紅色的圓圈區域是利用雷射切割,完成切除直徑6 mm的圓洞;另外四個紅色小圓圈是利用雷射切割,完成切除直徑3.3mm的圓洞,方便螺絲攻製作M4的螺孔;最後,最外面黑色方形框線是利用雷射切割,將功率調到最高,完整切割出一塊長72 mm,寬60 mm,厚5mm的電池上蓋。下圖為上蓋完成圖。

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4:微型電池的上蓋雷射加工完成圖

5.      螺孔攻牙:以虎鉗將方形的壓克力底座穩地的固定住,接著取一支螺絲攻板手,安裝M6攻牙器後,雙手穩握住板手,與壓克力圓盤保持垂直,隨後順時針方向旋轉,在預先雷切的中心孔位(直徑5mm)緩慢地攻出一個直徑6mm,深8mm的螺牙。取下M6攻牙器後,重新安裝M4攻牙器,隨後順時針方向旋轉,在5mm壓克力上蓋預先雷切的中心孔位(直徑3.3 mm)緩慢地攻出一個直徑4mm,深5 mm的螺牙,下圖為攻牙的過程。

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5:圖左螺絲功牙過程,圖右為壓克力底座攻好的螺牙

6.      電化學電池組合:取4M4平頭的螺絲旋入4個螺孔取出切好的壓克力上蓋,螺柱朝上;再取一長12
mm
6 mm的手擰螺絲(預先旋入一個M6的透明塑膠墊片),穿越上蓋並旋緊底座固定。下圖為方形電化學電池的完成圖。

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6:微型電池底座(左)及其上蓋(右)

7.      Led燈座的製作:取雷切的中、小兩個圓板,將兩個圓板置中疊合,再取LED母插頭連接線的長方形插座從中型的圓板掃描的凹洞處插入,將兩個中、小圓板貫穿,隨即在兩個圓板接觸處擠入少量透明光膠;打開光膠筆另一端紫光led的開關,以紫光led燈照射塗抹光膠處約20秒,待乾。將插頭紅、黑兩條連接線塞入中型圓板的雷切溝槽,再與雷切的大型圓板緊壓堆疊,隨即在兩個圓板接觸處擠入少量透明光膠;再以光膠筆的紫光led照射塗抹光膠處約20秒,待乾。下圖為Led燈座的製作過程。 

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圖7:燈座的製作過程

二、平面微型電化學電池的使用

1.      取出微型電化學電池,鬆開螺絲,底座上有標誌1, 2, 3,4的四個方框,打開上蓋將長方形濾紙橫跨標示12兩個正方形方框,放置在底座的相對位置,並滴加數滴硝酸鉀溶液濕潤濾紙作為鹽橋。下圖為濾紙鹽橋的位置。

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8:方形濾紙鹽橋的位置

2.      在長方形濾紙的一邊滴入1滴的硫酸鋅溶液,隨即將一方形的鋅片放置在紙片上方(方框1);在濾紙的另一邊滴入1滴的硫酸銅溶液,隨即將一方形的銅片放置在紙片上(方框2),蓋上上蓋將螺絲旋緊,完成一組鋅銅電池。鋅銅電池如下圖所示。

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9:鋅銅電池的使用

3.      單個電池電位差的測量:取一個三用電表,將旋扭轉至DCV,刻度2000mV,隨即以紅、黑鱷魚夾導線的一端分別連接銅、鋅兩極的螺絲,讀取三用電表的數字,即為鋅/銅電池的電位差。下圖為鋅銅電池的測量圖(鋅銅電池的標準電位差為1.10V)。

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10:以三用電表測量Zn/Cu電化學電池的電位

【動動腦1】此鋅/銅電池何者為正極?______,何者為負極?_______

【動動腦2】請問方框1內發生了甚麼反應?______反應(填入氧化或還原),其反應式為_____________________________________;方框2內發生了甚麼反應?______反應(填入氧化或還原),其反應式為  _____________________________________

4.      串聯電池的電壓測量:取另一長方形濾紙橫跨放置在標示34的兩個正方形方框內,並滴加數滴硝酸鉀溶液作為鹽橋。於長方形濾紙的一邊滴入1滴的硫酸鋅溶液,隨即將一方形的鋅片放置在紙片上方(方框3);在濾紙的另一邊滴入1滴的硫酸銅溶液,隨即將一方形的銅片放置在紙片上(方框4),蓋上上蓋將螺絲旋緊,完成另一組鋅/銅電池。

5.      順向串聯:老師提供綠色的雙頭鱷魚夾導線作為兩個鋅/銅電化電池的連結之用,若將綠色鱷魚夾兩頭連接方框2螺絲與方框3螺絲,隨即以三用電表的黑色鱷魚夾連接方框1的螺絲(鋅電極),而紅色的鱷魚夾線連接方框4的螺絲電極(銅電極),測量串連後的電壓值為多少伏特?________。並請在下圖的四個空白方框標示正負極。(+, –表示)

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11:順向串聯接法與電壓的測量

6.      逆向串聯:老師提供綠色的雙頭鱷魚夾導線作為兩個鋅/銅電化電池的連結之用,若將鱷魚夾兩頭連接方框2螺絲與方框4螺絲,隨即以三用電表的黑色鱷魚夾連接方框1的螺絲(鋅電極),而紅色的鱷魚夾線連接方框3的螺絲電極(鋅電極),測量串連後的電壓值為多少伏特?________。並請在下圖的四個空白方框標示正負極。(+, –表示)

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12:逆向串聯接法與電壓的測量

 

n 教學應用

1.      初階版:測定電化學電池電位差1:(提供給一般食譜式教學的參考)

MgZnFeCu、碳纖維片(因銀片過於昂貴,價格較低廉,導電性佳的碳纖維可取代銀金屬)五種不同的電極,及對應的鹽類溶液分別為硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硫酸銅以及硝酸銀五種溶液。電化學電池組合操作步驟與上述「方形微型電化學電池的使用」步驟1~3相同,以三用電表的黑色、紅色鱷魚夾線連接螺絲電極1、電極2,測量任何兩組電化學電池的電位差,並將測量結果填入下列表格,並與標準電位差互相比較,並嘗試說明偏差產生的原因。

1:不同電極組合下電位差。[]:電極1接三用電表負極,電極2接三用電表正極


電極2(+)
電極1(-)

 


Mg

 


Zn

 


Fe

 


Cu

 


CAg

 


Mg

 


 

 


 

 


 

 


 

 


 

 


Zn

 


 

 


 

 


 

 


 

 


 

 


Fe

 


 

 


 

 


 

 


 

 


 

 


Cu

 


 

 


 

 


 

 


 

 


 

 


C

 


 

 


 

 


 

 


 

 


 

 


【動動腦3】請問哪一種電極組合電池的電位差最大?______,此時電壓的______伏特,此時負極為______,發生的陽極的半反應為__________________________________________  正極為_______,發生的陰極半反應為_____________________________________________

2.      進階版:

(1)  「如何串聯製造高效能電池?」以上五種不同電極組合(可重複使用),如何串聯可產生最高的電位差,並點藍光LED(點亮藍光LED約需3.0 V的電壓,點亮紅光約需2.0
V
的電壓)。

做法:承上,由老師提供的金屬片,同學們經討論,向老師領取所需材料,自行經串聯組合成最大的電位差。同學可以跟串聯實驗結果填入下方簡圖中,說明正、負極位置,如何串聯,以及三用電表的使用。

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13:如何串聯製造高效能電池的簡圖

(2)   「看誰最來電?」判斷金屬活性的大小、並決定未知金屬身分(引導式探究學習)

做法:任取A~E五種大小相同的未知金屬片,以硝酸鉀為鹽橋溶液,讓學生由電子的流動方向和電池電位差高低,來判斷這五種未知金屬的活性大小。建議步驟如下:

a.  取出方形微型電化學電池,鬆開螺絲,打開上蓋將長方形濾紙橫跨標示12兩個正方形方框,並滴加數滴硝酸鉀溶液作為鹽橋。

b.  在電極區1, 2分別置入AB兩金屬片,以三用電表的紅黑兩鱷魚夾測量兩金屬間的電位差,並藉由電子的流動方向,判斷AB兩金屬的活性大小。

c.   A金屬片不變,將B金屬抽換成C金屬,以三用電表的紅黑兩鱷魚夾測量兩金屬間的電位差,並藉由電子的流動方向,依此結果判斷AC兩金屬的活性大小。

d.  承上,A金屬片不變,將C金屬抽換成DE金屬,以三用電表的紅黑兩鱷魚夾測量兩金屬間的電位差,並藉由電子的流動方向,依此結果判斷ADAE兩金屬的活性大小。

e.  根據三用電表的測量結果,作圖繪出各金屬片的氧化電位高低,並藉此說明五種金屬的活性大小

f.     揭開謎底,公布五種金屬的名稱,讓學生比對實驗結果,並指出A~E最後身分。

g.  想想看,除了電化學的方法外,還有甚麼方法可以驗證五種金屬的活性。

n 原理與概念

方形電化學電池教具改良自傳統國高中課本提供鋅銅電池實驗,電子自鋅銅電池中活性較大的鋅片流出,經導線流入活性小的銅片電極,並以平面型的「濾紙鹽橋」取代玻璃U形管,保持兩極溶液的電中性。標準電極電位Eo,分為標準還原電位Eo red (一般教科書多以還原電位來表示),與標準氧化電位Eoox。標準還原電位越高,代表物質越容易得到電子,為越強的氧化劑;標準氧化電位越高,代表物質越容易失去電子,為越強還原劑。電池電位差的計算,以鋅銅電池反應為例:

陽極(負極,氧化反應):Zn(s) → Zn2+(aq) +2eEoox= +0.76 V

陰極(正極,還原反應):Cu2+(aq) + 2e→ Cu(s)   Eored= +0.34 V

電池的電位差Eocell = 陽極的氧化電位Eoox+ 陰極的還原電位Eored

= 陽極的氧化電位Eoox陰極的氧化電位Eoox

=陰極的還原電位Eored陽極的還原電位Eored = 1.10 V

五種電極的電池組合中,共可產生十組不同電位差的電池。本實驗的MgZnFeCuCAg)五種電極所組成的自製微型電池與課本提供的兩種電化學電池的標準電壓大小,如表1所示:

2:各種電化學電池電位差大小及其比較


電壓電池組合


標準電位差(V1


微型電池電位差(V2


ΔV=V1-V2


Mg-Zn


1.61


0.59


1.02


Mg–Fe


1.93


0.92


1.01


Mg–Cu


2.71


1.43


1.38


Mg–CAg


3.17


1.88


1.29


Zn-Fe


0.32


0.35


0.03


Zn-Cu


1.10


1.01


0.09


Zn-CAg


1.56


1.37


0.19


Fe-Cu


0.78


0.62


0.16


Fe–CAg


1.24


1.03


0.21


Cu–CAg


0.46


0.38


0.08

 

從結果來看,活性大的金屬鎂當陽極時 ,與其他金屬所組成的電化電池與理論值的偏差ΔV較大,電位差比標準值來的低約1.0~1.3V,據文獻探討[3]推測是活性大的鎂金屬在中性與酸性的溶液中會發生氧化,生成鎂離子(或氫氧化鎂),以及與水發生還原反應產生的氫氣。產生的氫氣吸附鎂電極的表面,造成電極的極化現象,加上鎂電極的表面生成難溶於水的氫氧化鎂,限制了鎂金屬的腐蝕速率,導致增大電池的內電阻,電化學電池的電壓因而下降。相關反應如下式所示:

擷取金屬活性大者作為負極,活性小者作為正極。當兩組電池串聯時,串聯符號為負、正、負、正,此為順向接法,兩組電池的電位差相加;當兩組電池串聯時,串聯符號為負、正、正、負,則為逆向接法,兩組電池的電位差相減。電池組合中以鎂/碳電池的電位差最大,單組鎂/碳電池約為1.88V,兩組鎂銅電池的串聯電壓可達3.74V左右,可點亮藍光LEDLED燈插入燈座時須注意,燈腳長者為正極,與紅線相連;短者為負極,與黑線相連,切勿混淆),下圖為鎂碳電池串聯圖。

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14:兩組鎂/碳電池串聯點亮藍光LED

在中學教學上,老師習慣用氧化電位來進行電池電動勢的教學:「活性大的金屬,屬於高氧化電位,活性小的金屬氧化電位低,兩者間有電位差,造成電子由高氧化電位電極流向低氧化電位電極流動;電子流可比喻為水流一樣,水在不同高度存在位能差,因此水由高處流向低處。所以電池的電動勢(電位差),即為兩者的氧化電位之差。」

n 安全注意及廢棄物處理

一、本次實驗所用的CO2雷射切割機,波長為1064nm,為高能灼熱的熱線,眼睛不可直視,切割加工過程切勿離開現場,以免起火燃燒,引發火災;產生的氣體與粉末可能對健康有害,加工前後,務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

二、每次實驗後,應以自來水清洗壓克力,並以砂紙磨去金屬片上的氧化物,擦乾置入封口袋保存;紙鹽橋可用擦拭用的不織布取代,水洗後可回收重複使用。

三、放電一段時間或長時間未使用,水分會蒸發,內電阻會加大,電壓會下降,使用者可滴加1~2滴純水即可恢復。

n  參考資料

1.          廖旭茂,綠色化學實驗模組的設計與應用-1:電化學模組。台灣化學教育電子期刊,201811),期28http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2174.

2.          廖旭茂,綠色創客:微量電化學電池的設計與應用。科學研習月刊,2017,卷56,期11,頁54~62

3.          Tianran Zhang,ZhanliangTaoa and Jun Chen (2014). Magnesium–air batteries: from principle to application. Mater. Horiz., 2014,1, 196-206.

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