常用電池的結構及其廢棄污染問題(Structures of Common Cells )

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常用電池的結構及其廢棄污染問題(Structures of Common Cells )
台北縣私立淡江高級中學化學科賴亭吟老師/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯

碳鋅電池

碳鋅電池的橫截面如下圖:
圖一  

碳鋅電池的負極(陽極)為鋅殼,正極(陰極)為碳棒,並以二氧化錳(MnO2)、澱粉、氯化銨(NH4Cl)或氯化鋅(ZnCl)等鹽類水溶液作為電解液。電池化學反應為陽極的鋅被氧化放出電子,電子經由電線跑到陰極,電解液中的 NH4+ 還原成氫氣,氫氣再被二氧化錳氧化生成二氧化三錳和水。陰極碳棒(石墨棒)為惰性電極,不參與化學反應,實際被還原反應物為二氧化錳,因此碳鋅電池又稱為鋅錳電池。

鋰電池

鋰電池的構造面如下:
圖二

鋰電池的正極(陽極)為固定於鎳網上的金屬鋰,負極(陰極)為碘,電解質為薄層的碘化鋰(LiI)晶片,介於陰極與陽極之間。

二次鋰電池中的正極或負極必須具有類似海綿的物理結構,以釋放或接收鋰離子。正極可選擇的材料很多,目前多採用鋰鐵磷酸鹽。負極多使用石墨,目前新發現鈦酸鹽可能是更好的材料。充電時,鋰離子從負極流出至電解液,再像水進入海綿一樣進入正極材料,放電的過程則完全相反。電解液可以是凝膠體、聚合物(鋰離子/鋰聚合物電池)、或凝膠體與聚合物的混合物,常以鋰鹽,如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)溶入有機溶劑,如乙醚、乙烯碳酸酯、丙烯碳酸酯、二乙基碳酸酯等。但有機溶劑容易在充電時破壞石墨的結構,並在表面形成固體電解質膜,導致電極鈍化。有機溶劑還會帶來易燃、易爆等安全性問題。

據研究顯示,一顆一號電池埋在土中會讓一平方公尺土壤永久失去利用價值,一粒鈕扣電池會使六百噸相當於一個人一生飲水量的水無法飲用。由於電池污染具有周期長、隱蔽性大等特點,其潛在危害相當嚴重。

此外廢乾電池中含有鋅、錳、鎳、鈷、鐵,以及對環境危害最大的汞和鎘等重金屬等,以下分別介紹常見重金屬對人體的影響:


汞是在室溫下唯一呈液體狀態的金屬,可由腸道吸收。有機汞在體內組織中滯留的時間較久,其吸收比率以甲汞最高。汞具有明顯的神經毒性,進入人體後由血液運送至各組織,對內分泌系統、免疫系統、中樞神經系統等都有不良影響,會導致語言及步行障礙、聽覺受損、加速老化等,對兒童影響更大。


鎘毒性是潛在性的,在人體內極易引起慢性中毒,是一種毒性很大的重金屬。慢性鎘中毒容易發生在鎘污染區,藉由鎘污染的蔬菜、稻米、地下水等經食物鏈進入人體。鎘在人體的吸收率非常低,但會慢慢累積,其中約50~75%積存在肝及腎臟中,呼吸所吸入的鎘約50%被吸收。鎘對人體組織和器官的影響是多方面的,且治療極為困難,主要病症是肺氣腫、骨質軟化、貧血,長久之下易形成軟骨症及自發性骨折,四肢因而疼痛不已,稱之為「痛痛症」(Itai-itai disease)。


鉛進入人體的方式大致有呼吸道吸入、消化道食入、皮膚吸收等三種。 ㄧ但進入人體後,80%以上貯存於骨骼與牙齒,其餘則存在血液和軟組織中,且最難排泄。 當身體因過度疲勞、發燒或其他原因而使血液酸性增加時,骨骼或牙齒中的鉛便流入血液中,增加鉛中毒之症狀。慢性鉛中毒會影響血流、神經、泌尿、生殖等系統,導致貧血,神經功能失調,腎損傷等,對兒童危害性更大。


具有致癌性,對水生生物有明顯危害,且鎳鹽能引起過敏性皮膚炎。

參考資料:
1. 基慧能源站網站--電力與我-電池結構。
  http://www.kws.edu.hk/energy/electric_structure.htm(圖二)
2. 李文雄,〈鋰電池--E世代的能源〉,《科學發展》,362期,第32頁至35頁,2003年2月。
  http://web1.nsc.gov.tw/ct.aspx?xItem=7853&ctNode=40&mp=1
3. 意文,〈小小廢電池污染大(上)〉,大紀元網站,2006年11月3日。
  http://www.epochtimes.com/b5/6/10/25/n1498694.htm
4. 〈電池污染來源有多大〉,國土資源部門戶網站,2008年8月22日。
  http://www.lrn.cn/science/greenLife/200808/t20080822_267713.htm
5. http://www.mobile01.com/topicdet ... p;t=1391684&p=1
6. 維基百科網站--鋅錳電池
  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/鋅錳電池(圖一)
7. 維基百科網站--鋰電池
  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/鋰電池

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