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电化学的应用领域

2009年11月05日 09:24 www.elecfans.com 作者:佚名 用户评论(0

电化学的应用领域


因为电化学涉及电子传递的化学反应,所以应用领域十分广泛。以下简述几种主要的应用。
电镀
电镀是在制品的外表上产生一层均匀金属薄膜的技术,其原理是将镀件当成阴极,浸于含欲镀金属离子的电解液中,另一端置适当阳极,而施加直流电,当镀件表面偏压至较负的电位时,金属离子便会还原成金属原子而沉积在物体表面上。
电镀可以增加物品的光泽,达到美观的效果兼防止锈蚀,如餐具、汽机车的零件等。或只用来防止锈蚀,如马口铁、镀锌的缆线绳索等。也可镀硬铬以提高表面硬度,增加耐磨耗性。
电镀技术中,铜电沉积是近年内工业界最重要的技术之一。目前,铜沉积层用在许多领域,如印刷电路板材料电解铜箔、超大规模集成电路里铜金属化制程、印刷电路板穿孔电镀与铜金属凸块制程等。
铜金属薄膜有许多沉积技术,如电镀法、物理气相沉积、雷射退火回流法以及化学气相沉积法等。其中,电镀法(电沉积铜)具有低成本、高产率、高质量的铜膜、良好的孔洞填沟能力等,优点最多。
无电电镀是沉积薄膜金属层的另一种电化学方法。就是在无需外加电压的情形下,把溶液中的金属离子藉由自动催化的化学反应方式,沉积在固体表面上。这种反应程序与电镀极为类似,不同的是反应发生时,电子传递并不经由外部导线,而是藉由溶液中的物质在固体表面上发生反应的同时,直接进行传递。
无电电镀的基本原理,乃是利用与金属离子与共同存在于镀液中的还原剂,在固体表面上,藉由化学反应将金属离子还原成固态金属,而逐层沉积于固体表面上。由于此氧化还原反应仅在具有活性物质的固态表面上发生,故无电电镀的施行,并不会因为镀件的表面形状、大小或是否导电等因素而受到限制。因此,若想要在非导体如硅晶圆或塑料等的表面上沉积金属层,利用无电电镀是一种兼具便利与效率的方法。
电池
电池是一种将化学能转换成电能的装置,因具有可携带、多种组合、高能量密度,以及无排放噪音与废气的优点,所以应用范围很广。
伏特电池可以说是今日电池的起源,其后的一个重要发展则是丹尼尔以锌(负极)浸于稀酸电解质与铜(正极)浸于硫酸铜溶液所形成的丹尼尔电池,改善了原本电池电流递减的缺点,增进连续放电时的性能。
后来,电池性能不断地改进,在一八六四年时,勒克朗舍提出了勒克朗舍电池,并几经改良,成了现今一般干电池工业的主轴与一次电池工业的基础。然而一次电池受限于放电后即无法再使用的困扰,可反复使用的二次电池因而诞生。二次电池始于一八五九年普朗特所发明的铅酸蓄电池,因技术的开发与改进,又陆陆续续有镍镉、镍氢、锂离子电池等的出现。
今日,电池的改进与新式电池的发明仍然持续进行中,像是锂离子电池、高分子锂电池、燃料电池、太阳能电池等,随时因应不同时代人们的需求。
关于电池的分类,可以透过电池本身的充放电特性与工作性质大致区分为一次电池、二次电池与燃料电池。
一次电池仅能使用一次,无法透过充电的方式再补充已被转化掉的化学能。此类电池常见的有干电池、水银电池与碱性电池等。一次电池的应用最早也最广泛,市面上贩卖的不可充电电池几乎皆属此类。
二次电池所指的就是可以重复使用的电池,透过充电的过程,使得电池内的活性物质再度回复到原来的状态,因而能再度提供电力。这类电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池,以及锂离子电池和高分子锂电池等。
燃料电池与前述两者有相当大的不同,又称为连续电池。它的特色是阴、阳两极并无活性物质,而是透过外部的系统提供,所以只要持续地提供活性物质,电池就可以持续地放电。在阳极部分,真正进行氧化反应的是空气或氧气;而阴极部分则是以氢或煤气等为主。此类电池尚在发展中,且受限于体积较大,主要用在发电机组上或作为备用能源。近来由于技术的提升,有逐渐小型化的趋势,并运用于电动车辆等领域。
此外,若以电池中电解液的酸碱度来区分,则电池的种类又可以分为碱性、酸性以及中性电池。上面所提及的都是将化学能转换成电能的电池,如果我们所使用的是太阳能转换成电能的电池,那就是太阳能电池了。
电池的发展导因于我们对生活的需求,因此,随着各种科技产品与各式携带型电子产品等的开发,以及对环境保护的要求,现有电池的生态势将产生极大的改变。
电双层电容器
当我们在二电极施加一电压时,在电极和电解质二者接触的界面极小厚度内,正负电荷会呈现相对排列,而形成双电荷层现象,此时二电极间的系统类似于二次电池的充电过程。而当二电极所施加的电压去除时,双电荷层中原先所累积的电荷便会往溶液中移动,产生电荷中和,并释放出能量,此时二电极间的系统类似于二次电池的放电过程。
上述系统因为具有利用电双层原理来储存预备的能量,故称为电双层电容器。又因为此类电容器具高放电能力、充电时间快且比传统电容器高出数百倍的电容量等特性,所以也称为超高电容器。它的发展源于一九九○年代,是一种新型的储能组件,具有介于电池和传统电容器之间的特性。
这种超高电容器与二次电池相比,因为在充放电时,只是将溶液中的电荷吸附在电极表面上,并无任何伴随的化学反应发生,所以可以用大电流进行急速充放电。目前,电双层电容器不仅能作为电流1安培以下的供电组件,也可以作为电流1安培以上大的供电组件。超高电容器在很宽的温度范围内,表现出稳定的充放电特性,并不会像电池有严苛的温度限制;与电池相比,也较不容易起火,危险性很小;另外,对环境也不会产生污染。
电双层电容器的发展,目前正逐渐使其在某些情况下,能代替电池或者是将电双层电容器和电池组合应用,以便用于需要大功率、大电流的产品上,如家电、计算机、汽车、自动控制、航空、太空等。

 

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