電化學的應用領域
因為電化學涉及電子傳遞的化學反應,所以應用領域十分廣泛。以下簡述幾種主要的應用。
電鍍
電鍍是在制品的外表上產生一層均勻金屬薄膜的技術,其原理是將鍍件當成陰極,浸于含欲鍍金屬離子的電解液中,另一端置適當陽極,而施加直流電,當鍍件表面偏壓至較負的電位時,金屬離子便會還原成金屬原子而沉積在物體表面上。
電鍍可以增加物品的光澤,達到美觀的效果兼防止銹蝕,如餐具、汽機車的零件等?;蛑挥脕矸乐逛P蝕,如馬口鐵、鍍鋅的纜線繩索等。也可鍍硬鉻以提高表面硬度,增加耐磨耗性。
電鍍技術中,銅電沉積是近年內工業(yè)界最重要的技術之一。目前,銅沉積層用在許多領域,如印刷電路板材料電解銅箔、超大規(guī)模集成電路里銅金屬化制程、印刷電路板穿孔電鍍與銅金屬凸塊制程等。
銅金屬薄膜有許多沉積技術,如電鍍法、物理氣相沉積、雷射退火回流法以及化學氣相沉積法等。其中,電鍍法(電沉積銅)具有低成本、高產率、高質量的銅膜、良好的孔洞填溝能力等,優(yōu)點最多。
無電電鍍是沉積薄膜金屬層的另一種電化學方法。就是在無需外加電壓的情形下,把溶液中的金屬離子藉由自動催化的化學反應方式,沉積在固體表面上。這種反應程序與電鍍極為類似,不同的是反應發(fā)生時,電子傳遞并不經由外部導線,而是藉由溶液中的物質在固體表面上發(fā)生反應的同時,直接進行傳遞。
無電電鍍的基本原理,乃是利用與金屬離子與共同存在于鍍液中的還原劑,在固體表面上,藉由化學反應將金屬離子還原成固態(tài)金屬,而逐層沉積于固體表面上。由于此氧化還原反應僅在具有活性物質的固態(tài)表面上發(fā)生,故無電電鍍的施行,并不會因為鍍件的表面形狀、大小或是否導電等因素而受到限制。因此,若想要在非導體如硅晶圓或塑料等的表面上沉積金屬層,利用無電電鍍是一種兼具便利與效率的方法。
電池
電池是一種將化學能轉換成電能的裝置,因具有可攜帶、多種組合、高能量密度,以及無排放噪音與廢氣的優(yōu)點,所以應用范圍很廣。
伏特電池可以說是今日電池的起源,其后的一個重要發(fā)展則是丹尼爾以鋅(負極)浸于稀酸電解質與銅(正極)浸于硫酸銅溶液所形成的丹尼爾電池,改善了原本電池電流遞減的缺點,增進連續(xù)放電時的性能。
后來,電池性能不斷地改進,在一八六四年時,勒克朗舍提出了勒克朗舍電池,并幾經改良,成了現今一般干電池工業(yè)的主軸與一次電池工業(yè)的基礎。然而一次電池受限于放電后即無法再使用的困擾,可反復使用的二次電池因而誕生。二次電池始于一八五九年普朗特所發(fā)明的鉛酸蓄電池,因技術的開發(fā)與改進,又陸陸續(xù)續(xù)有鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池等的出現。
今日,電池的改進與新式電池的發(fā)明仍然持續(xù)進行中,像是鋰離子電池、高分子鋰電池、燃料電池、太陽能電池等,隨時因應不同時代人們的需求。
關于電池的分類,可以透過電池本身的充放電特性與工作性質大致區(qū)分為一次電池、二次電池與燃料電池。
一次電池僅能使用一次,無法透過充電的方式再補充已被轉化掉的化學能。此類電池常見的有干電池、水銀電池與堿性電池等。一次電池的應用最早也最廣泛,市面上販賣的不可充電電池幾乎皆屬此類。
二次電池所指的就是可以重復使用的電池,透過充電的過程,使得電池內的活性物質再度回復到原來的狀態(tài),因而能再度提供電力。這類電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池,以及鋰離子電池和高分子鋰電池等。
燃料電池與前述兩者有相當大的不同,又稱為連續(xù)電池。它的特色是陰、陽兩極并無活性物質,而是透過外部的系統(tǒng)提供,所以只要持續(xù)地提供活性物質,電池就可以持續(xù)地放電。在陽極部分,真正進行氧化反應的是空氣或氧氣;而陰極部分則是以氫或煤氣等為主。此類電池尚在發(fā)展中,且受限于體積較大,主要用在發(fā)電機組上或作為備用能源。近來由于技術的提升,有逐漸小型化的趨勢,并運用于電動車輛等領域。
此外,若以電池中電解液的酸堿度來區(qū)分,則電池的種類又可以分為堿性、酸性以及中性電池。上面所提及的都是將化學能轉換成電能的電池,如果我們所使用的是太陽能轉換成電能的電池,那就是太陽能電池了。
電池的發(fā)展導因于我們對生活的需求,因此,隨著各種科技產品與各式攜帶型電子產品等的開發(fā),以及對環(huán)境保護的要求,現有電池的生態(tài)勢將產生極大的改變。
電雙層電容器
當我們在二電極施加一電壓時,在電極和電解質二者接觸的界面極小厚度內,正負電荷會呈現相對排列,而形成雙電荷層現象,此時二電極間的系統(tǒng)類似于二次電池的充電過程。而當二電極所施加的電壓去除時,雙電荷層中原先所累積的電荷便會往溶液中移動,產生電荷中和,并釋放出能量,此時二電極間的系統(tǒng)類似于二次電池的放電過程。
上述系統(tǒng)因為具有利用電雙層原理來儲存預備的能量,故稱為電雙層電容器。又因為此類電容器具高放電能力、充電時間快且比傳統(tǒng)電容器高出數百倍的電容量等特性,所以也稱為超高電容器。它的發(fā)展源于一九九○年代,是一種新型的儲能組件,具有介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的特性。
這種超高電容器與二次電池相比,因為在充放電時,只是將溶液中的電荷吸附在電極表面上,并無任何伴隨的化學反應發(fā)生,所以可以用大電流進行急速充放電。目前,電雙層電容器不僅能作為電流1安培以下的供電組件,也可以作為電流1安培以上大的供電組件。超高電容器在很寬的溫度范圍內,表現出穩(wěn)定的充放電特性,并不會像電池有嚴苛的溫度限制;與電池相比,也較不容易起火,危險性很??;另外,對環(huán)境也不會產生污染。
電雙層電容器的發(fā)展,目前正逐漸使其在某些情況下,能代替電池或者是將電雙層電容器和電池組合應用,以便用于需要大功率、大電流的產品上,如家電、計算機、汽車、自動控制、航空、太空等。
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