电池系统管理第一册梳理(五)电池电极材料的选取原则

电池电压与电池正负极材料的选取直接相关。在研究和分析电池时，通常单独考虑正极或负极电极的性能，然而电压最为两端电势的差值，单独正极或负极是不能确定电池电压的。在讨论电池电压时，首先要确定一个基准电势值—标准氢电极。由于单个电极的电势无法确定，故规定任何温度下标准状态的氢电极的电势为零，任何电极的电势就是该电极与标准氢电极所组成的电池的电势，这样就得到了“氢标”的电极势。标准状态是指氢电极的电解液中的氢离子活度为1，氢气的压强为0.1兆帕（约1大气压）的状态（标准状态时温度为298.15K）。氢标电极的温度系数也因此为零。

• 电化序

一些常见电池的的电极半反应可以用电化序(electrochemical series)表示。电化序又叫电化学序，是常见金属(以及氢)按其标准电极电势由低到高排列得到的序列。电化序是按照金属的化学活泼性次序排列的序列，最活泼的在最上面，活泼性低的“贵金属”在下面。标准电极电位的正负反映了电极在进行电极反应时，相对于标准氢电极的得失电子的能力。电极电位越负，越容易失电子；电极电位越正，越容易得电子。电极反应和电池反应实质上都是氧化还原反应，因此，标准电化序也反映了某一电极相对于另一电极的氧化还原能力的大小。电极电位负的金属是较强的还原剂，电极电位正的金属是较强的氧化剂。负电极和正电极的电位差越大，电池电压越大。

表1：金属的标准电化学序

如果我们要创建一个结合顶部和底部反应的电池，电池的电压将是2.87 V−（−3.04V）=5.91V。(目前为止不能制造锂弗电池，因为没有已知的电解质可以承受如此高的电压而不分解)。

表2：常见负电极反应

• 元素周期表

电化序很适合用于定量分析。对于定性分析，可以考虑元素周期表，其中元素的相对还原和氧化能力用表下的箭头表示。元素周期表中的每个方框都对应于一个特定的元素。每个方框左上角的数字是元素的原子序数(原子核中的质子数)。方框左下角的数字是原子量，即该元素的每个原子的平均质量与C12原子质量的1/12之比。每个方框右边的数列是电子在玻尔或经典原子模型中的轨道或壳层中的排列。

表中的元素是用颜色编码，以突出显示元素性质的相似性。强还原元素分组在左边，而强氧化元素分组在右边。同一族的元素（通常）都有相同数量的价电子，或者在它们的外价壳层中有相同数量的电子。因为价电子的数量决定了原子如何与其他原子的化学反应，一个族中的元素往往具有相似的化学性质。任何一个周期内的所有元素都有相同数量的电子壳层或轨道，这对应于原子中电子可能的能级数，周期数对应于电子壳层的数目。具有一个或两个价电子的原子是具有高度反应性，因为层外的电子很容易失去成为正离子。还原剂有多余的价壳电子，它们在氧化还原反应中提供电子位，被氧化。碱性金属族只有一个价电子，碱土金属族只有两个价电子，因此这些族中的元素具有高度的反应性。

原子的电子层最外层缺失一个或两个电子，具有高度活性，它们倾向于获得缺失电子形成负离子，或共享电子形成共价键。氧化剂缺失价壳电子，并在氧化还原反应中接受电子，从而被还原。卤族元素最外层只缺失一个价电子，因此是高反应性的。当外部电子壳层充满时，就像在第18组中的惰性气体中一样，就没有“自由”电子可以参与化学反应。这是一个物种的最低能量态，因此这些原子在化学上往往是不反应的或惰性的。