1.4 丹尼尔电池

克鲁克山克的槽形电池相当于原生态的伏特电堆，只是结构进行了改进，实用性提高了。但伏特电堆与生俱来的某些缺陷依然存在，比如寿命太短，最初只有一个小时左右，原因是在铜板周围产生了移动的氢气泡，很快增加了电池的内阻，即所谓的极化。英国化学家和气象学家约翰·弗雷德里克·丹尼尔（John Frederic Daniell，1790—1845，见图1-15）找到了一种方法，解决了伏特电堆中的氢气泡的问题。丹尼尔的解决办法是使用第二种电解质消耗第一种电解质所产生的氢气。1836年，丹尼尔按照这样的思路，对伏特电堆进行了改良，他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化、能保持平稳电流的锌-铜电池，被称为丹尼尔电池（Daniell's element，见图1-16）。

图1-15 约翰·弗雷德里克·丹尼尔，英国化学家、气象学家。

图1-16 丹尼尔电池及其结构分解图。

在电池的演变进程中，丹尼尔的改良是一个重要的发展。与伏特电堆相比，丹尼尔电池能长时间提供电流，改善了伏特电堆电流下降太快的缺点，使电池在连续放电时，能够有比较稳定的电流，提高了连续放电时的性能。在丹尼尔电池的最终形式中，它有一个装着饱和硫酸铜溶液的铜容器，在其内立着一只盛着浓度约为5%的硫酸溶液的素瓷瓶，负极为“汞化”了的锌棒，浸在硫酸里。铜容器有个框架，里面装着硫酸铜晶体以使硫酸铜溶液保持一定的浓度。这样，负极是浸在硫酸锌溶液中的锌极，正极是浸在硫酸铜溶液中的铜极，两种溶液盛在同一个容器里，中间由多孔的陶器杯隔开，使两种溶液不易渗混而离子可以自由通过。在锌极处，锌原子成为锌离子进入溶液，使锌极带负电；在铜极处，溶液中的铜离子沉积到铜极上，使铜极带正电。

所谓汞化技术是由英国电气工程师威廉·斯特金（William Sturgeon，1783—1850）发明的。初期的伏特电堆，还有槽形电池以及这一时期的各种仿制伏特电堆，在使用过程中锌会发生降解，从而产生一些杂质，导致电堆产生内部短路。1835年斯特金发现，如果在锌中混合一些汞可以防止出现这一现象。具体的方法就是把锌棒（板）浸在稀硫酸中约30s后，再把它水平地放入一个盛有少量汞的容器中，汞将会附在锌棒（板）上，用粗布摩擦使汞散布到锌棒（板）的整个表面，这就是汞化。

丹尼尔电池的电动势在1.1V左右，它的缺点是由于极化使内阻增大。如果改用硫酸锌的饱和溶液填充到素瓷瓶里并放入少量锌粒，情况将大为改善，这时它的电动势约为1.08V，但非常稳定，完全可以作为标准电池。尽管它的内阻较大，但是，只要在使用前把素瓷瓶浸透，并把电池短路约10min，在使用时它的内阻就不会有大的变化。

虽然丹尼尔电池做起来比较复杂，但用来讲解电池放电时的现象比较清楚，所以大多数课本都会详细介绍它。

这种电池在用后都要拆除接线，并把其中的溶液倒出，装在容器里备用；用自来水把锌棒洗净（可以用旧牙刷刷洗），然后将它保存在干燥的地方。这样处理后，下次使用时就不必重新汞化锌棒。

丹尼尔电池还有一种形式，可能是最初的形式，如图1-17所示，铜极板置于玻璃瓶的底部。向铜极板上倒入半瓶硫酸铜溶液，然后将锌极板悬于瓶中，并慢慢将硫酸锌溶液倒入瓶中。由于硫酸铜的密度大于硫酸锌，因此硫酸锌将“悬浮于”硫酸铜之上。显而易见，这种方法并不适用于手电筒，但对于固定设备却比较适合。

图1-17 丹尼尔电池（铜-锌电池）的原始结构。

这种丹尼尔电池还有鸭掌电池（crow foot cell）、重力电池（gravity cell）等别名。在18世纪发电机诞生之前（发电机于18世纪70年代诞生），丹尼尔电池是极为普遍的电报和门铃供电装置，直到19世纪60年代后期它被发电机和勒克朗谢电池所替代。