Transcript 自製電池科展海報

摘要：
我們想要探究電極種類、電極棒之間距離、電解質種類、電解質濃度、電
解質酸鹼性對電池的電壓有何影響。所以選擇理化實驗室現有的電極棒包括鋅
棒、銅棒與石墨棒，以及電解質包括硫酸銅(CuSO4)、硫酸鈉(Na2SO4)、碳酸
氫鈉(NaHCO3)、碳酸鈉(Na2CO3)、醋酸鈉(CH3COONa)、氯化鈉(NaCl)、碘
化鉀(KI)等，交叉的組合並利用三用電表偵測其在六分鐘內電壓值的變化量並
記錄之。依據我們測試的結果顯示，利用石墨棒與鋅棒為正負電極相距離3公
分時，在溶液體積莫耳濃度為1M的碳酸鈉(Na2CO3)[俗稱 蘇打 ]水溶液中能得
到最佳的輸出電壓。
壹、研究動機：
西元1800年義大利科學家 伏打(Alessandro Volta， 1745 ~ 1827)製造出
了第一個電池。最近學校恰巧在舉辦廢棄乾電池的回收比賽，因此手邊便有許
多的廢棄乾電池。在老師的帶領下我們便動手將乾電池拆開，看看裡面的構造
如何。我們發現電池中除了有石墨棒和鋅片兩種不同的導電物質當電極外，還
有黑黑的電解質存在，利用雙氧水(H2O2)檢驗證實乾電池電解質中含有二氧化
錳(MnO2)的成分，而二氧化錳(MnO2)會造成嚴重的重金屬汙染，因此我們嘗
試利用理化實驗現有的材料來自製電池並測試電壓的變化。
貳、研究目的：
一、 研究電極金屬的種類對電池電壓的影響。
二、 研究電極的距離對電池電壓的影響。
三、 研究電解質溶液的種類對電池電壓的影響。
四、研究電解質溶液體積莫耳濃度對電池電壓的影響。
五、研究電解質溶液酸鹼性對電池電壓的影響。
六、設計出更環保簡便的充液式電池
叄、研究器材及藥品：
100ml玻璃燒杯、石墨棒、銅棒、鋅棒、挖好洞的塑膠杯蓋、鱷魚夾、鐵
架、鐵夾、電線、三用電表、碼錶、上皿天平、砝碼、刮勺、秤量紙、玻棒、
100ml量筒、98%濃硫酸、37%濃鹽酸、蒸餾水、清洗瓶、滴管、硫酸銅
(CuSO4)、硫酸鈉(Na2SO4)、碳酸氫鈉(NaHCO3)、碳酸鈉(Na2CO3)、醋酸鈉
(CH3COONa)、氯化鈉[食用鹽](NaCl)、碘化鉀(KI)
肆、研究裝置及方法：
一、建置自製電池及測量電壓的裝置
1. 如圖(一)所示，在100ml的玻璃燒杯中我們將兩種電極棒擺在兩側，再
套上挖好洞的塑膠杯蓋以固定電極棒的距離為三公分，接著以鱷魚夾電線連接
電極棒與三用電表。
2. 以100ml量筒量取配製好固定溶液體積莫耳濃度的電解質水溶液80ml，
將其注入裝置的玻璃燒杯中。
3. 馬上按下碼錶測量並記錄每分鐘電壓的變化量，連續記錄六分鐘。
圖(一) 石墨-鋅 自製電池裝置圖：
圖中正(+)極為石墨棒，負(-)極可為
鋅棒或銅棒(此圖為鋅棒)，以挖好洞的
塑膠杯蓋以固定電極棒的距離為三公分，
再以鱷魚夾連接導線與三用電表相連接，
杯中注入各種電解質即可偵測電壓值。
伍、實驗步驟與結果：
一、實驗流程圖
操
縱
變
因
電極的
種類
石墨-鋅
石墨-銅
電極的
距離
電解質
的濃度
3cm、
2cm、
1cm
應變變因
CM：
1M、
0.5M、
0.25M
電解質
的種類
硫酸銅(CuSO4)、
硫酸鈉(Na2SO4)、
碳酸氫鈉
(NaHCO3)、
碳酸鈉(Na2CO3)、
醋酸鈉
(CH3COONa)、
氯化鈉(NaCl)、
碘化鉀(KI)
電解質
的酸鹼
+NaOH
or
+HCl
對自製電池
電壓的影響
二、不同電極對電池電壓會有影響
以石墨-鋅 與 石墨-銅兩種不同組合的電極分別在各種電解質測試電壓，發
現在碳酸鈉(Na2CO3)電解質溶液中對電壓的影響最大，差距高達1.04伏特(V)
。而在硫酸銅(CuSO4)中對電壓的影響最小，僅0.03伏特(V) 。
圖(二) 1M碳酸鈉(Na2CO3)電解質溶液
於石墨-鋅Vs.石墨-銅電池之電壓-時間
的關係圖：
圖(三) 1M硫酸銅(CuSO4)電解質溶液於
石墨-鋅Vs.石墨-銅電池之電壓-時間的
關係圖：
三、電極棒距離對電池電壓的影響
根據實驗結果顯示，兩電極相隔為3公分時有最好的平均電壓為1.86伏特
(V)，相隔為2公分時平均電壓為1.56伏特(V)，相隔為1公分時平均電壓為1.53伏
特(V)，距離為3公分、2公分及1公分重複3次實驗的平均誤差範圍分別為
0.05(V)、0.10(V)及0.04(V)。
圖(四) 石墨棒與鋅棒距離為3公分、2
公分及1公分時，在1M碳酸鈉(Na2CO3)
電解質溶液中之電壓-時間的關係圖：
四、不同種類電解質溶液對電池的電壓會有顯著的影響
比較1M的各種電解質對石墨-鋅電池來說當電解質為碳酸鈉(Na2CO3)時能
有1.42伏特(V)的較好電壓表現若將電解質換為硫酸銅(CuSO4)則平均電壓僅能
達到0.33伏特(V)。
五、不同電解質溶液濃度對電池電壓的影響不顯著
以三種濃度的碳酸鈉(Na2CO3)電解質溶液在石墨-鋅電池中電壓的表現來看
，當濃度為1M時平均電壓為1.42伏特(V)，0.5M時為1.41伏特(V)，0.25M時為
1.40伏特(V)，最大差距僅0.02伏特(V) 。
圖(五) 各種類1M的電解質溶液於石墨鋅電池之電壓-時間的關係圖：
圖(六) 不同濃度的碳酸鈉(Na2CO3)電
解質溶液於石墨-鋅電池之電壓-時間的
關係圖：
三、電解質加酸或加鹼對電池電壓的影響
(一)、於1M碳酸鈉(Na2CO3)電解質溶液加入比例不同的1M氫氧化鈉
(NaOH) 溶液偵測電壓的變化電壓-時間的關係圖如下：
根據實驗結果顯示，隨著鹼性的增加電池電壓會下降，4種比例平均電壓分別為
1.86伏特(V)、1.65伏特(V)、1.55伏特(V)、1.53伏特(V) ，最大平均電壓差距為
0.33伏特(V)。
(二)、石墨-鋅 自製電池於1M碳酸鈉(Na2CO3)電解質溶液加入比例不同的
1M鹽酸(HCl) 溶液偵測電壓變化的關係圖如下：
根據實驗結果顯示，隨著酸性的增加電池電壓會下降，4種比例平均電壓分別為
1.86伏特(V)、1.16伏特(V)、1.04伏特(V)、1.07伏特(V)，最大平均電壓差距為
0.79伏特(V)。
圖(七) 1M碳酸鈉(Na2CO3)電解質溶液
加入比例不同的1M氫氧化鈉(NaOH) 溶
液偵測石墨-鋅 自製電池的繪製之電壓時間的關係圖：
圖(八) 1M碳酸鈉(Na2CO3)電解質溶液
加入比例不同的1M鹽酸(HCl) 溶液偵測
石墨-鋅 自製電池的繪製之電壓-時間的
關係圖：
陸、結果討論與未來展望：
一、由實驗結果可看出電解質溶液的種類與電極的種類對電池的電壓有較大的
影響，而電解質的濃度對電壓的影響就很小。
二、電極棒的距離及電解質的酸鹼性對電池的電壓也有影響，我們測定石墨棒
與鋅棒最短距離相距為3公分時有最好的電壓表現。電解質加酸或加鹼對電池電
壓也有影響，實驗結果顯示在鹼性的碳酸鈉(Na2CO3)中電壓表現較好。
三、電極使用後會受電解質汙染，因此實驗後須以鹽酸洗淨液或98%濃硫酸浸
泡3分鐘，再以清水、蒸餾水洗淨殘酸以防止電解質的交互汙染。
四、由上述實驗中我們也發現以平常家中都具備的食鹽即氯化鈉(NaCl)或蘇打
即碳酸鈉(Na2CO3)當電解質溶液在以石墨-鋅為電極的電池便可產生1或1.5伏特
(V)的平均電壓，若稍加改良自製電池的設計，相信可以發展出實用、便宜且方
便的充液式電池以供一般家庭使用。
柒、參考資料：
(一)、翰林版自然與生活科技3下第一章1-4節 電池
(二)、康軒版自然與生活科技2下第二章2-1節 認識電解質