一、前言
電池是如何工作的？ 很簡單，只是利用的電池內部的酸性物質與兩種不同的金屬之間的化學反應。其中一個金屬帶有更多的電子形成負極，另一個金屬減少了電子形成正極。
那麼如何使得電池工作呢？電池又是如何產生電流的呢？在Kathy老師解釋的過程中，可以了解到一些材料是導體、一些則是絕緣，什麼是電流、為什麼所有電器專家和科學家都在維持一個共同的謊言、自由電子和離子的重要性。通過化學來理解這一切都很簡單。
▲ 圖1.1.1 不同的電池
二、導體和絕緣體
為了解釋電池的工作原理，什麼是電流，需要定義兩個名詞。自由電子和正電荷離子。為此需要從基本概念說起。
原子是由帶有正電荷大質量的核心，也稱原子核以及外圍帶有負電荷的電子云組成，電子云被原子核吸引並束縛在一起。
▲ 圖1.1.2 原子鐘的原子核以及外部的電子云
僅僅這些還不足以解釋電流或者電。然而對於一些原子它們對於外部的電子束縛並不緊密，它的電子比較容易脫離原子核的束縛而自由移動。這被稱為自由電子，很形象，對吧。
當失去一部分電子之後，原子就有帶有正電荷的原子核以及外部不足的電子組成，從而形成帶有正電荷的離子。在沒有被重新捕獲之前，這些自由電子並不屬於任何一個特定的原子，以及帶正電荷的離子，即那些丟失了一個或者兩個電子的原子。
三、電流
電流是由流動的電子形成，這是電流的定義。單個電子運動的速度實際上並不快，但可以形成在同一方向運動的電子同時流動。在金屬中有很多自由電子和離子。電子可以在離子之間比較容易的穿行，這種物質成為導體。塑料中則幾乎沒有自由電子和離子，所以電很難通過它們，它們被稱為絕緣體。在普通的電線中，內部的金屬可以讓電通過，外部的絕緣保護層則防止電流到外邊，比如你的手上。
那麼如何讓電子在金屬中移動呢？只需要一個電池就可以了。任何電池都有一個正極和負極。在負極上會聚集大量的電子，正極則有大量的離子。異性相吸、同性相斥，所以負極的電子就會被排斥出負極流向被吸引的正極。如果外部使用了電線將電池負極與正極相連，那麼電子就可以通過電線流向正極。
▲ 圖1.2.2 電流流動的錯誤想法
順便說一下一個打破傳統觀念的事實。通常情況下我們都認為電流是從電池的正極流向負極。這個說法源自於富蘭克林對於正電荷與負電荷的定義。在1745年由於他任意定義並堅持認為在放電中電從正極流向了負極。此後過了150年之後人們才發現了電子的存在，那個時候我們已經建立了相應的設備、教學、規則里都認為電流從正極流向負極。所以為了不將所有的設備和規則改變，所以不再考慮實際情況。
每當我們講到電流流動方向，實際中是帶負電荷的電子沿着相反的方向流動。可以說不管是有意無意，所有的世界上所有科學教師和電子工程師都在維護着一個共同的謊言。真的不可思議，對吧？
▲ 圖1.3.2 電流流動的實際情況
四、電池
但是到此為止，電池是如何工作的還沒有討論。電池究竟如何產生並維持電極的正和負的呢？每個電池都利用了兩種金屬與酸性或者鹼性物質之間的化學反應。酸傾向於移動電子，鹼則與移動的離子反應。這樣就使得反應的金屬要麼帶有過量的電子形成負極，或者失去電子形成正極。
最早的電池是在1800年建造的，是將銀片和鋅片放在裝滿鹽水的杯子里。鹽水在這裡充當酸性物質。這就形成一個比較弱的電池。其中鹽與鋅反應，增加了了電子形成了負極。與銀反應移除了電子形成了正極。
▲ 圖1.4.1 1800年的伏打電池
很快人們使用了不同的金屬片浸泡在酸液中製作了電池。現在汽車上的鉛酸電池是由鉛和氧化鉛浸泡在硫酸液中構成的。
由於酸不是一個很方便使用的化學物質，酸很容易將外部容器進行腐蝕，酸液也容易潑灑。 在1899年人們開始使用鹼性物質來替代電池中的酸液。
五、鹼性電池
當代大部分的電池都使用鹼替代酸來組成電池。今天有很多種類的電池。下面讓我們看一下鹼性電池的結構。 化學中的物質往往有很多別名，比如酸鹼反應中的鹼性物質被稱為 base, alkeline等。這一點會把人逼瘋了。
鹼性電池有很多規格具有不同的形狀河池尺寸。但內部具有相同的金屬參與相同的化學反應。下面展示一個典型鹼性電池內部的結構。
▲ 圖1.5.1 鹼性電池結構
在電池中心有金屬鋅與一些鹼性物質混合，比如氫氧化鉀。外圍是氧化錳，氫氧化鉀與金屬鋅反應，但其中帶正電荷的離子移動出來，剩下多餘的帶負電荷的電子。接下來化學物質又和氧化錳反應，增加很多離子，於是形成過量的帶正電荷的離子。鋅與氧化錳被一層塑料隔離，所以電子不會流入正極並與離子結合。電子聚集並相互排斥，最終匯聚在中間集電金屬棒上。這個反應在兩邊持續一直到形成了很強的電動勢，化學反應才停止。
常見到的AA鹼性電池的電壓為1.5V。當電池接入電路迴路中，電子從負極觸發沿着導線流向電池的正極，化學反應又重新開始了，維持內部電動勢為1.5V。
▲ 圖1.5.2 電路中的電池
經過化學物質與金屬反應，逐步化學物質變得越來越弱，最終失去了反應的能力。鋅中的離子消耗乾淨之後，電池就報廢了。
六、充電電池
鹼性電池是一次性電池，不能夠反覆充電。能夠充電電池的工作原理也是類似的。通過化學反應移動相應的離子和電子。正極帶有更多的離子，負極帶有更多的電子。當電流反向流動的時候，充電電池內部的化學反應就反向進行。對應的離子回到了原來的金屬裡面，鹼或者酸性物質逐步增強。
不同的電池有着不同的結構、化學反映物質以及不同的金屬。但都包含酸或者鹼，兩種不同的金屬或者金屬化合物，使得一邊帶有多餘的負電荷電子，一邊帶有多餘的正電荷離子。這就是電池工作原理。
這裡面的化學過程很簡單，是吧。
參考資料
[1]
閃電的馴服者：電學的歷史: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128426612
