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化学电源研究综述

一、化学电源的起源与发展化学电源俗称电池，是将化学能直接转变为电能的装置。世界上第一个电池(伏打电池)是在1800年由意大利人亚历山大发明的。这个电池由铜片和锌片交叠而成，中间隔以浸透盐水的毛呢.1859年，普朗特发明了铅酸电池.1881年，富蒙、布鲁希制成的涂膏式极板为铅酸电池奠定了基础.1865年，勒克朗谢发明了锌一二氧化锰湿电池.该电池用MnO:作正极，锌片作负极，20%氛化钱水溶液作电解液。1886年，勒克朗谢用氛化锌、石膏粉和水混合而成的糊状物代替氛化按水溶液，用炭棒代替炭片，将锌片制作成兼作容器的筒形，锌筒上部用石膏封口，这就是锌~锰干电池的最初形式.后人为纪念勒克朗谢的功绩，把锌一锰电池称为勒克朗谢电池.189。年，锌一锰电池投入生产。1910年，将石膏糊状物致进为淀粉凝胶体，一直沿用至今。1901年，美国著名科学家爱迪生发明了碱性蓄电池，至此，世界上最重要的三大类电池均相继诞生，并逐步得到应用和投入生产.在二战期间，由于军事应用迅猛增加和新材料的产生，并随着锌一锰干电池以乙炔黑代替石墨，以电解锰粉代替天然锰粉，使性能大大提高。由于科研、军用、民用、航天、环保等部门不断提出新的要求，一系列现代新化学电源相继诞生，如高性能理离子电池、燃料电池、热电池、固体电解质电池以及无汞锰干电池、镍电池等。二、化学电源的特点化学电源与其他电源(如火力发电、水力发电、风能、原子能、太阳能等发电装置)相比，具有如下显著的优点:—能量转换效率高。化学电源直接将化学能转变为电能，不受“卡诺循环”的限制，能量转换效率可达到80%.而其他发电方法往往要经过多种能量转换过程，例如火力发电，先要把燃料的化学能转变为热能，再由热机将热能转变为机械能，最后才由发电机把机械能转变为电能。在整个发电过程中，每一次能量转换都要损耗能量，而且要受“卡诺循环”的限制，能量转换效率最高只能达到40%，一般仅为25%。—工作时不泄漏污染坏境的物质，且无噪声，是比较“干净”的能源。—不仅能产生电能，还能贮存电能，与其他能源配合使用，组成能源系统。—可制作成各种形状、大小以及不同电压和容量的电池。—使用方便，易于携带，安全可靠，易于维护。—可在高温、低温、高速、失重、振动、冲击等恶劣环境下工作.—既可长期贮存，又可瞬间启动。三、化学电源的应用化学电源由于具有以上优点，在以下各种领域获得了极其广泛的应用:—民用方面如生活照明、家用电器、声象设备、电子钟表、电子玩具、电动工具、医疗电子等。—工业方面如无线通讯、邮政电信、便携电脑、仪器仪表、机电设备、矿山机械、应急照明、备用电源等。—交通方面如火车、汽车、吊车、拖拉机、飞机、船舶等的启动电源和照明电源，电瓶车、电动汽车等的动力电源.—军用方面如坦克、战车、舰船、潜艇、飞机、导弹、地雷、鱼雷、军事通信等。—宇航方面如人造卫星、航天飞机、飞船轨道站等。四、化学电源的分类1.按活性物质在电池中使用的特点分类—活性物质只能使用一次的，称为一次电池或原电池。这种电池在放电时，活性物质不断消耗，直到电池反应不能再进行，电池停止工作为止。如锌一二氧化锰电池、锌一氧化汞电池、锌一空气电池、锉一卤化物电池‘锉一碘电池等.—活性物质可反复多次使用的，称为二次电池或蓄电池。这种电池在放电后，可通过充电，使活性物质恢复原来状态，以便再次放电。如铅一酸蓄电池、镍-福蓄电池、镍一氢蓄电池、铁一镍蓄电池、锌一银蓄电池等.—电池在工作时，需连续不断从外部加入活性物质的，称为燃料电池。它象一个发电机，一面不断加入燃料，一面不停发电.如氢氧燃料电池、麟燃料电池、甲醉空气燃料电池等。—电池在贮存时，活性物质不与电解质直接接触，或者电解质不导电，不发生电池反应，电池不工作，电池在使用时，只有临时加入电解液，或用某种方法使电解液导电(称为激活，如采用热方法使电解质熔融导电的称为热激活)，发生电池反应，电池才开始工作，这种电池称为储备电池，如钙铬酸钙电池、铝化锉二硫化铁电池、钙五氧化二钒电池、镁二氧化钨电池等。2.按电解液分类有酸性电池(如铅酸电池等)和碱性电池(如碱性银电池、镍锅电池、镍氢电池等).3.按活性物质分类有锰干电池、水银电池、氧化银电池、铅电池、镍树电池、镍氢电池、锌镍电池、铁镍电池、锌银电池、理电池、锉离子电池等.4.按结构形式分类有圆柱形电池、方形电池、袋式电池、钮扣电池、密封电池、开口电池等。‘.按应用领域分类有军用电池、民用电池、航空电池、空间电池、机车电池、汽车电池等。‘按使用功能分类有普通电池、安全电池、智能电池等。7.按环境保护要求分类有一般电池(均有环境污染，如水银电池、锰干电池、镍锅电池等)和绿色电池(均无环境污染，如镍一氢电他和理电池等.五、化学电源的发展动向l.一次电池(1)锰干电池是最早的一种一次电池，由于该电池的电能容量较小、使用寿命较短、存在汞污染等缺点，目前正被市场淘汰。(2)碱性锰干电池该类电池采用增强电流强度和延长使用寿命的技术措施，对性价比有很大提高，其产量和销售额与日俱增.日本干电池市场的碱性率已从90年代初期的24%上升到目前的50%，美国干电池市场的碱性率已超过70写，我国只有3.5%.日本东芝的“碱性1号”具有超强电力、稳定愉出、长期保存电力损失<10%和耐漏性高等特点.“三洋5号”新碱性电池及其改良品，电流稳定在1。。。mA以上，寿命较以往提高了1.5倍。松下“LR6GS号”碱性电池和日立“新碱性第一”干电池，其寿命均提高了2倍。索尼随身听配套电池，可长时间(36h)连续播放而无需更换电池.(3)敏化银电池、锌一空气电池、锉电池它们的体积能量密度高于锰干电池和碱性电池。锉电池是近20年才发展起来的，具有高容量、长寿命等特点。(4)钮扣电池是一次电池中的一个重要分支，其中水银电池因污染环境而禁止生产.氧化银电池多用于手表和照相机.价格便宜的碱性锰钮扣电池用于游戏机和电子计算器。寻呼机和助听器使用容量较大的空气电池.心脏起搏器使用长寿命的锉电池。2.二次电池(1)铅酸蓄电池是传统的可充电电池，因其制造工艺简单、成熟，原材料来源广泛，电压稳定，价格便宜，故具有极强的生命力。广泛应用在各种汽车、列车、船舶、机床、电话交换机、卫星接收站、微波中继站、电站等领域。(2)镍锡电池是一种传统的可充电电池，具有容量大、寿命长、性能优越、品种齐全、免维护、价格便宜等优点。由于该电池中的福对环境有污染以及重量较重，有记忆效应(近来，带放电功能的充电器的问世对解决记忆效应成效明显)，在多次充电后会消耗原电池的容量，因此在环境保护法律严格限制的地区和国家以及在要求较高的设备中，受到限制。镍福电池应用范围极其广泛，几乎适用于所有使用干电池的领域，目前更集中用于笔记本电脑、移动电话、照相机、摄录一体机、无线电收音机、随身听、电动玩具和电动工具等。(3)镍氢电池是近儿年迅速崛起的新型可充电电池。它具有高能量密度(比镍福电池高20%)、快速充电、稳定放电、耐过冲、耐过放、无环境污染、无记忆效应等优点，是一种清洁、高能的绿色电池，但价格比镍福电池高20%~30%.其应用领域与镍锅电池相同。目前，欧洲各国倾向于使用镍氢电池。(4)锉离子电池锉离子电池于1992年首先由索尼公司商品化生产.它具有能量密度大(比镍氢电池高1.5倍)、放电电压高(一节锉离子电池产生3.6V电压，相当于三节镍锡或镍氢电池)、重量轻、薄型结构、放电稳定等优点.由于使用了大量价格昂贵的钻和钻化合物，故价格较高.铿离子电池在生产过程中存在理金属电镀不安全间题，因此生产厂家少，产量低，造成目前供不应求、奇货可居的局面.(5)碱性可充电电池据报道，加拿大拥有碱性可充电电池技术，已向韩国YOCNGI力ONG公司转让专利，该公司于1996年开始生产。该电他不含锅、汞等污染元素，有利于环境保护，而且价格低廉，是镍福电池的理想替代品。六、化学电源的发展热点随着以信息、通讯、视听为主导的电子产品设备的便携化、无绳化、多功能化，以及对电池提出的电流大、重量轻、体积小、无污染、使用寿命长等要求，各国都在致力发展新一代电池。其发展热点有以下一些方面:—一次电池朝高容量、无水银、碱性化方向发展，锰干电池渐趋萎缩，碱锰电池比例逐渐增大.日本干电池碱性化率从199。年的24%增长到1996年的50%。—二次电池中，镍氢和锉离子电池将逐渐挤占镍福电池原有的市场份额，从而打破镍锡电池一统天下的格局。1992年，索尼公司率先解决锉金属电镀安全间题，开始批量生产锉离子电池.可以预见，在不久的将来，理离子电池将会找到大幅度降低成本的措施，届时，镍锅电沦、镍氢电池和铿离子电池将形成三足鼎立的大好局面.—新一代智能电池成为电池产业当前研究发展的方向。智能电池最重要的特征是通过与充电器或与使用电池设备的接口获得电池运行的信息，使用户能合理地管理充电和用电时间.为此，必须在电池或电他组内安装特种功能的IC，或者通过充电器、使用电他的设备来实现这种智能。七、电动汽车召唤新的化学电源当令汽车工业高速发展所引发的石油能源枯竭和环境污染是探深困扰人类的两大优患。即使在每辆汽车上装上尾气催化处理装置，将有害气体排放量降低到1/10，全球每日汽车排放的有害气体仍高达数百万吨.国际公认，解决汽车污染和牙发汽车用新能源的最佳方案是电动汽车。电动汽车可在夜间用电低峰时充电，使电力负荷日夜得到均衡，因此在相当一段时间内，电动汽车的增加，无需发电厂和变电设备扩容。美国加利福尼亚州已立法:从1996年开始，汽车产量中的2肠应是电动汽车，以后每年增长一个百分点，并且免除电动汽车的一切税收，以鼓励电动汽车的发展。尽管电动机、控制系统、微处理器和轻型材料等都是电动汽车研究开发中必须解决的间题，但决定电动汽车性能和价格的关键却是化学电池。电动汽车对充电电池的基本要求是高的比能量、比功率，长寿命和合理的价格。电动汽车对充电电池的性能要求见表1和表2。

从表2可见:近期电动汽车的电池主要是铅酸蓄电池，虽然其比能量较低，大功率深充电时寿命较短，但其价格便宜，适用于低速、短途车辆。作为中期目标可优选镍氢电池.其比能量可满足中期要求，试验寿命最高可达1500次。另外可快速充电，稳定放电，耐过充过放，无环境污染。远期目标可优选Na/S和Li/FeO:电池，其性能令人向往，但制造工艺复杂，价格较高，电池中有大量钠和锉，可能引起意外的燃烧和爆炸，目前进展不快。另外，离子文换薄膜电池也很有希望作为远期目标的优选对象之一。