酸酸甜甜还能发光——教你制作水果电池

还记得童年故事中的小桔灯吗？

除了放进蜡烛外，

香香甜甜的水果

也可以直接点亮小灯泡。

通过简单的装置，

水果就能提供电力，充当电池，

点亮一个个的小灯。

这种将水果中的

化学能转化为电能的神奇装置，

就叫做水果电池。

首先我们先来了解一下

水果为什么能构成电池？

水果电池是如何制作的？

水果电池的原理
首先，水果中含有大量糖类、蛋白质、生物酸等物质，在水果的汁液中，较高含量的生物酸可以较为顺畅地移动，与连接体系的导线中的电子共同作用，实现导电。

同时，不同的金属具有不同的电位特征，即具有不同的氧化还原能力。向水果中插入具有电位差的金属电极，例如铜电极和锌电极，分别充当水果电池的阴极和阳极，并用导线连接起来。在电势差的驱动下，产生电压，驱动带有电荷的粒子移动，形成电流。这个过程中，电子从阳极（锌）释放出来，然后通过外电路到达阴极（铜）。水果相当于盛有电解液的电解池，提供离子电流通道。在金属和水果组成的界面处，发生电子转移反应，衔接电解池内部的离子电流和外电路的电子电流，构成电流回路，将化学能转化成电能输出，系统中连接的小灯泡就被点亮了。

水果电池是一个非常简单的原电池。原电池是一类借助某些特定化学反应，将化学能转变成电能的装置。

构成原电池的基本条件：

1.电极材料由两种活泼性不同的金属或金属与其他导电的材料（如非金属或某些氧化物等）组成。

2.存在电解质。

3.两电极之间形成闭合回路。
原电池示意图

标准氢电极（SHE）定义为：在任何温度下氢气分压为1大气压（100 kPa）且溶液中的氢离子活度为1 mol/L时的氢电极电势。铂电极通常用作工作电极或辅助电极，在电化学反应中用于促进电子转移。以标准氢电极为0 V标准值，常见的金属电极电位差如下：

标准锂电极，-3.04 V.

标准钠电极，-2.71 V.

标准镁电极，-2.37 V.

标准铝电极，-1.66 V.

标准锌电极，-0.76 V.

标准铁电极，-0.44 V.

标准铂电极，0.00 V.

标准铜电极，0.34 V.

标准银电极，0.80 V.

电池串联电路示意图水果电池中，金属电极的电位差越大，形成的电压就越大，小灯泡也就越亮。与普通的串联电池的原理一样，将多个水果电池串联起来组成电池组，体系的供电能力会增强，即提高输出电压和电流。

电化学半电池仪表显示图：从样品半电池（即铜）到参考半电池（如标准氢电极（SHE））的电子流，以及相应的e°电池值[1]

在水果电池中，果汁充当了电解质的角色。根据欧姆定律：通过某段导体的电流与这段导体两端的电压成正比，与这段导体的电阻成反比。为了提高导电性能，可以将普通水果榨成果汁，减少果肉纤维；或进一步将果汁替换为导电能力更好的物质，例如盐水。由于盐水中不具有果皮、果肉等部分，电极片与盐水的接触阻抗较小，电池内阻更低，电流传输更顺畅，同时，带电粒子的移动能力、与电极片的接触条件都有提升，可测量的电压差更大，即供电能力更强，整体功率已经可以驱动简单的玩具小车。
盐水小车的搭建

成功运转的盐水小车

水果电池的制作
首先，准备汁水较多、个头较大的水果，例如柠檬、橙子等，保障电池的发电水平。
另外，我们还需要准备一些金属电极（比如铜片和锌片）、一个额定功率非常小的小灯泡（例如二极管灯泡，一般在0.6-0.7V之间）和一些导线（有鲨鱼夹的导线可以方便组装）。这样的材料包可以便捷搜索购买到。

基本材料

制作的具体步骤如下：

1. 将水果准备好，如果是有较厚外皮的水果，应当切成两半，使用汁水充盈的果肉，较生的水果可以事先揉搓，释放果汁。

2. 将铜片和锌片分别插入到水果中，同一块水果上应有且仅有两个不同的电极片，电极片之间不能相互接触；确保电极片与水果内部果肉接触良好；

3. 使用导线将不同水果上电极片连接起来。

4.将小灯泡接入由水果电池供电的电路。

5.观察小灯泡有没有在发光。

总结分析理论上，影响水果电池电压的因素有很多，比如所选水果的种类、水果的状态、电极片的材料和距离以及连接方式等。可以通过灵敏电压计、灵敏电流计对这些参数进行定量分析。例如，目前有少量研究结果表示，电极片插入水果的深度越深，电极面积越大，水果电池的输出电流就越大；两个金属电极之间的电势差越大，水果电池的输出电压就越大，产生的电流就越大。

此外，有研究表明，果肉组织在研磨后会释放出更多的离子，电导率显著增加，榨成汁后的电流电压会明显提高。果汁的导电效果优于果肉组织，因为果肉组织存在细胞壁和细胞膜的阻碍作用，导致电池的内阻大。在此前提下，选用果汁对部分问题进行实验。

在使用铜-锌电极对、电极对间距为2cm的条件时，研究者对八种水果了进行测定。结果显示，制作的水果电池产生的电流大小排序为：柠檬>香蕉>猕猴桃>橘子>西红柿>橙子>柿子>苹果。这八种水果产生的电势大小相当[2]，但是电流大小与水果能产生汁液的多少并无必然关系。这八种水果的电导率排序为：柠檬>香蕉>猕猴桃>橘子>西红柿>橙子>柿子>苹果，与电流大小分布一致。可以初步得到结论：较高的电导率代表着较高的离子浓度，这些离子可以更有效地携带电荷，便于传导电流，而与电势的关系不大。另外，所制得的水果电池的性能不仅与酸度有关，还与细胞结构、有机酸含量等相关。[3]

水果电池供电能力大小

需要注意的是，定量研究所使用的设备比较精密，测量电压电流与pH等数据都采用了传感器。在普通电压电流计或万用表测量时，由于水果电池电阻较大，仪器测量精度不够等问题，电流变化很难测定，电压数值基本类似。所以，如果有兴趣设计探讨和定性实验，可以采用串联电池组形式供电，仅以小灯泡的亮度为目测标准。

【参考文献】
[1] Arnold, N. A.; Kyasa, S. K. Electronic Half-Cell Module to Demonstrate an Electrochemical Series and a Citrus Fruit Battery for Remote Students. Journal of Chemical Education 2023, 100 (9), 3739-3743. DOI: 10.1021/acs.jchemed.3c00239.

[2] ENSMAN R,HACKER T R,WENTWORK R A D.Vegetable voltage and fruit "juice":An electrochemical demonstration[J].JournalofChemicalEducation,1988,65(8):727.

[3] 范晶露,丁伟,张世勇,刘美玭.基于传感器的水果电池的实验探究[J].教育与装备研究,2024(08):65-69.

【项目资助】

感谢国家重点研发计划合成生物学重点研发项目“糖水氢电系统–体外多酶高效产氢及氢电装置的基础及工程研究”（No.:2022YFA0912000）的资助。感谢厦门大学化学化工学院化工系生物化工研究所、福建省化工学会和厦门市合成生物技术重点实验室的支持。

撰稿：厦门大学化学化工学院王世珍老师、吴际恒、苗硕、雷航彬
图片提供：糖水氢电电池科普组、厦门大学彩云乡村夏令营萤烛队
设计美化：闽江学院美术学院林晨霞老师