化学电池的历史和发展

化学电池的历史和发展

　　众所周知，我国是电池最大的生产国和出口国，国内电池生产总量50%以上用于出口，年创汇在上亿美元。同时, 随着科技的发展和人民生活水平的提高,家庭或个人用便携式电子产品、电器的不断问世并迅速普及, 电动汽车、空问技术、国防工业等领域的快速发展,与之相配套的电池作为一种携带方便的化学能源, 越发显示出良好的应用前景和潜在的经济效益,成为近年来广泛关注的热点。下面是小编搜集整理的化学电池的历史和发展相关内容，欢迎阅读。

　　最早的最普及的电池——锌锰电池。

　　锌锰电池是以二氧化锰为正极，锌为负极，氯化铵水溶液为主电解液的原电池。俗称干电池。在学术界中又称为勒克朗谢电池。 锌锰电池是用面粉、淀粉等使电解液成为凝胶，不流动，形成隔离层，或用棉、纸等加以分隔。锌锰电池的开始电压随使用的MnO2的种类、电解液的组成和pH值等的不同而异，一般在1.55～1.75V，公称电压为1.5V。在锌锰电池的组成中，尤以二氧化锰的研究更为广泛，二氧化锰的电化学行为是制造电池的基础，所以在二氧化锰中加入物质使二氧化锰的活性提高成为一时间热议的话题。

　　随后，锌锰电池被碱性电池所代替。

　　碱性电池是普通锌锰电池的换代产品, 正处于发展期。1998年, 国内碱性电池生产厂家已达50多家, 总产量达7亿多只, 其中南孚电池有限公司生产的南孚牌碱性电池年产量3亿多只, 占全国碱性电池产量的近50%多。但与国外碱性电池的发展相比, 我国目前碱性电池所占比例仍偏低。如美国碱性电池产量占电池总产量的90%,日本和欧洲占60% 。因此, 我国碱性电池生产企业, 应与大专院校、研究机构联合, 走产学研相结合的道路, 尽快提高碱性电池的质量和产量, 争取近儿年内碱性电池产量达到我国电池总产量的30%以上。

　　近年来，随着可持续发展的号召的提出，以节约成本、经济适用、减少污染为主题的节约环保意识进入电池行业，我国二次电池的开发和利用逐渐成为热门话题。

　　二次电池又称可充式电池, 可反复充放电, 从而节约电池的制作成本。二次电池的发展经历了铅酸蓄电池、镍锅电池、镍氢电池、锉离子电池等儿个阶段, 利用化学反应的可逆性，可以组建成一个新电池，即当一个化学反应转化为电能之后，还可以用电能使化学体系修复，然后再利用化学反应转化为电能，但是由于这些电池的原电池均存在安全性差，有发生爆炸的危险，离子电池不能大电流放电，安全性较差， 锂离子电池均需保护线路，防止电池被过充过放电，生产要求条件高，成本高。

　　光化学电池，随着世界传统能源危机的迫近和环境污染的日益严重, 人们期望利用太阳能、风能等清洁能源。

　　光化学电池是指利用光电化学反应, 将太阳辐射能转变为电能的装置。根据结构, 光化学电池可分为固体光电池和液体光电池。目前, 固体光电池分为单品硅电池和多晶硅电池。虽然转换效率高（单品硅光电池的转换效率理论值已达23.5%，但由于价格昂贵，难以被普通市民和工业界接受。

　　20世纪70~80年代研究的液体太阳能电池因转换效率低和寿命短（小于6个月）而无法商品化。1991年, Gratzel等人在实验室用纳米尺度Ti2O微粒制成多孔膜, 并在膜上吸附一薄层有机染料敏化剂作为光阳极, 组装成电池后其光电转换效率达到7%.和使用寿命10个月以上电池性能无明显降低，大大提高, 尤其是因为对电极材料的纯度无特殊要求, 较固体太阳能电池价格大大降低。随后德国科学家和瑞典科学家分别于年证实了这项工作。目前该项技术已得到大大改进,并逐步向产业化迈进。

　　能源问题举世瞩目, 积极开发能源和提高能源利用效率, 即开源和节流是解决能源问题的基本途径。正是如此，随后开发出了高性能电池、塑料电池、铅酸蓄电池。高性能电池的发展还比较缓慢，因为高性能电池要求有很高的能量密度大于174kw/kg，功率密度要大于1100w/kg。虽然锂作为电极满足理论需要，但是很难找到另一电极，所以该电池的发展存在这相当的困难难。塑料电池，通过高性能电池的原理，用锂电极和有机材料作为电极，可以取得较好的效果。

　　塑料锉电池的另一个特点是可把两个电极和电解质都制成超薄的固体薄膜, 使之成为超薄多层全固体, 可充电塑料电池, 因而可以大大地减轻重量, 并且可以制成任何形式,以适应应用场所所能提供的空间, 同时在运行时无氢气逸出, 又因无液体电解质, 若子弹穿孔而产生的功率损耗很小, 因此对发生意外经受能力较强。

　　可见用有机材料做电极可以制成高效能锂电池。另外，还有一项目前应用很广泛的电池—铅酸蓄电池。电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池自发明后，在化学电源中一直占有绝对优势。这是因为其价格低廉、原材料易于获得，使用上有充分的可靠性，适用于大电流放电及广泛的环境温度范围等优点。 到20世纪初，铅酸蓄电池历经了许多重大的改进，提高了能量密度、循环寿命、高倍率放电等性能。

　　燃料电池( Fuel Cell, FC) 是一种等温并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置, 也是一种新型的无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力和发电设备。在能源利用与环境保护之间的矛盾日趋严重的形势下, 世界上普遍积极倡导可持续发展。燃料电池作为一种洁净、安全、高效的化学电源,将越来越多的受到人们的青睐。同时国际间的共同合作也必将推动燃料电池不断向前发展。预计燃料电池系统在洁净煤燃料电池电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面, 将有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。

　　目前，生物技术的飞速发展，不断取得新的成果，这些新的成果和理论也被应用到了化学电池领域，出现了最新的微生物电池的研究。微生物电池在转化过程中所放出的热量远低于燃料电池，这使得它非常适用于那些需要与人接触的应用。装备这种电池的便携式设备将不会有发生火灾或爆炸的危险。

　　化学电池发展的历史就是人类科研不断进步的历史，作为化学领域，科学家们正不断超越，在科技的飞速发展的时代，创造出更多造福人类的科技成果，让我们拭目以待接下来会出现什么样的化学电池，来改变我们的生活。

　　电池发展历史

　　BAGHDAD电池，公元前248年至226年之间，居住在伊拉克首都巴格达地区的波斯人用铜管、铁棒、沥青和陶器组装的古代化学电池。当时担任伊拉克博物馆馆长的德国考古学家瓦利哈拉姆·卡维尼格提出只要向陶瓶内倒入一些酸或碱性水，便可以发出电来。

　　BAGHDAD电池

　　伏打电堆， 1800年3月20日意大利教授伏打发明了世界上第一个发电器，也就是电池组，伏打电堆开创了电学发展的新时代。伏打电堆是由多层银和锌叠合而成，其间隔有浸渍水的物质，亦称伏打电池。这是最早的化学电源，为电 学研究提供了稳定的容量较大的电源，成为电磁学发展的基础。电压单位伏特即是以其名命名的。

　　伏打电堆

　　丹尼尔电池，即铜锌电池。1836年丹尼尔发明了第一个实际应用的电池，即著名的丹尼尔电池，丹尼尔电池将Zn（锌）置于ZnSO4（硫酸锌）溶液中，将Cu（铜）置于Cuso4（硫酸铜）溶液中，并用盐桥或离子膜等方法将两电解质溶液连接的一种原电池。这个电池在铁路上早期用于信号灯。

　　丹尼尔电池

　　气体电极电池，1839年，英国物理学家William Robert Grove制造了第一个“气体电极电池”。该装置的原理是现代燃料电池技术的基础。

　　气体电极电池

　　本生电池，1842年，德国物理学家Robert Bunsen制作了本生电池，该电池用碳棒和锌做阳极和阴极。

　　本生电池

　　铅酸电池，1859年，法国物理学家Gaston Planté开发出了世界上第一只铅酸电池。它是由两片纯铅由亚麻织物分离，浸渍在含有硫酸溶液的玻璃容器中。次年，他又制做了拥有九个单元的铅蓄电池。

　　Planté铅酸电池

　　锌锰电池，1866年，法国人勒克郎榭(George Leclanche)就发明了酸性锌锰电池的原型，因而这种电池也叫Leclanche电池。它的外壳是作为负极的锌筒，电池中心是作为正极导电材料的石墨棒，正极区为围绕石墨棒的粉状二氧化锰和炭粉，负极区为糊状的ZnCl2和NH4Cl混合物。这个电池在电池的发展史上是一个重大的转折，这种类型的电池延续使用至今。

　　Leclanche锌锰电池

　　干电池，1888年，盖斯南将淀粉加入锌锰电池的电解质氯化铵中，制成浆糊状。从此锌锰电池就成为“干电池”，而且导致了20世纪初手电筒的发明，使“干电池”的应用深入到了广大民众的生活之中。

　　干电池

　　镍镉电池，1899年，Waldmar Jungner在开口型镍镉电池中，首先使用了镍极板。后来Jungner的镍镉电池经过几次重要改进，性能明显改善。1947年，美国发明家纽曼（Georg Neumann）发明了一种重复利用电池内部镍镉金属的制造工艺，使得同样镍镉用量，电池的寿命能够增加很多，这才使得镍镉电池走向市场

　　缺点

　　正极析氢（稀硫酸水溶液，正极电子与氢离子结合生成氢气泡），负极析铜（硫酸锌硫酸铜溶液，负极电子与铜离子结合生成铜）

　　丹聂尔电池（素烧瓷）

　　素烧瓷（多孔物质）：铜离子不能能通过，硫酸根离子能通过

　　锌板的离子化倾向大，使电解液饱和，需时常更换电解液（离子化倾向：指金属在水或水溶液中放出电子变成阳离子的难易程度）

　　勒克朗谢电池

　　正极侧二氧化锰（减极性剂），阻止了碳棒电子和氢离子结合

　　碱干电池

　　电池基本参量和要素

　　三个基本参量：容量（储水量A.h），电压（储水高度），电能（kW.h 容量电压乘积，即电池能做的功）

　　电池容量：C0=26.8*mn/M=m/q(n:参与反应化合价变化，q:电化学当量96500C)

　　电压：电极电位表示某种离子或原子获得电子被还原的趋势

　　电能

　　四要素：正极材料、负极材料、电解质、分隔膜

　　有关电池的发展史详解

　　电池的发展史由1836年丹尼尔电池的诞生到1859年铅酸电池的发明，至1883年发明了氧化银电池，1888年实现了电池的商品化，1899年发明了镍-镉电池，1901年发明了镍-铁电池，进入20世纪后，电池理论和技术处于一度停滞时期。但在第二次世界大战之后，电池技术又进入快速发展时期。首先是为了适应重负荷用途的要，发展了碱性锌锰电池，1951年实现了镍-镉电池的密封化。1958年Harris提出了采用有机电解液作为锂一次电池的电解质，20世纪70年代初期便实现了特种和民用。随后基于环保考虑，研究重点转向蓄电池。镍-镉电池在20世纪初实现商品化以后，在20世纪80年代得到迅速发展。

　　随着人们环保意识的日益新增，铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制，因此要寻找新的可代替传统铅酸电池和镍-镉电池的可充电电池。锂离子电池自然成为有力的候选者之一。

　　1990年前后发明了锂离子电池。1991年锂离子电池实现商品化。1995年发明了聚合物锂离子电池，(采用凝胶聚合物电解质为隔膜和电解质)1999年开始商品化。现代社会电池的使用范围已经由40年代的手电筒、收音机、汽车、和摩托车的启动电源发展到现在的40-50种用途。小到从电子表手表、CD唱机、移动电话、MP3、MP4、照相机、摄影机、各种遥控器、剔须刀、枪钻、儿童玩具等。大到从医院、宾馆、超市、电话交换机等场合的应急电源，电动工具、拖船、拖车、铲车、轮椅车、高尔夫球运动车、电动自行车、电动汽车、风力发电站用电池、导弹、潜艇和鱼雷等特种电池。还有可以满足各种特殊要求的专用电池等。电池已经成为人类社会必不可少的便捷能源。

　　我国电池发展的历程：我国第一家电池厂于1911年诞生于上海。1921年第一家专业蓄电池厂-上海蓄电池厂也建于上海。1941年在延安中央军委三局所属电信材料厂开始生产锌锰干电池和修理铅酸蓄电池。1957年组建机电部电材局化学电源研究室，1958年成为我国第一个专业研究所，既原一机部化学电源研究所(原电子工业部天津电源研究所)。1960年我国第一家碱性蓄电池厂风云器材厂在河南新乡正式验收投产。20世纪90年代初，国家开始了863重点攻关，使Ni-MH电池的生产化得到了迅速发展。以后国家又开始了锂离子电池863重点攻关，希望能借此推动锂离子电池及其材料的国产化。

　　我国发展锂离子电池生产的必要性：关于我国目前的电池工业而言，存在的重要问题是环境污染和资源浪费严重。关于环境污染而言，由于我国电池工业的自动化、机械化程度不高，很多公司多为手工操作，导致生产过程中污染很大，对工人身体危害大。干电池行业曾被人戏称为污染公司，黑工业。这些污染物重要有MnO2粉、HgO、沥青烟、烟雾、石蜡烟气等。其中汞是最受关注的、有剧毒的重金属，极微量的汞对人体有很大毒性。目前发达国家已宣布自1994年起禁止有汞电池的生产和进口。目前我国多数厂家仍然生产有汞电池。铅酸电池行业的重要污染物有Pb、Pbo粉尘、酸雾及废酸等。铅也是毒性较大的重金属，慢性铅中毒重要表现在神经系统受损、肾功能障碍和贫血等。Cd-Ni电池所用原料多为粉状，也存在粉尘污染问题;而且Cd的毒性较大，可以积累在肾脏和骨骼中，引起肾功能失调。另外，骨骼中钙被镉取代，使骨骼软化，疼痛难忍。此外，碱雾、废酸也是重要的污染物。锌锰干电池经常会出现铜绿、冒浆现象，总有一些MH-Ni电池在使用中会出现喷碱或爆裂现象。铅酸蓄电池仍有较大比例为老式开口电池，使用中仍有冒气冒酸现象。

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