化学电源的现状与发展
化学电源的现状与发展
红烧肉的做法步骤详解引言：
化学电源是一种直接把化学能转变成低压直流电能的装置，这种装置实际上是一个小的直流发电器或能量转换器。在现代化的国民经济的各个部门中使用着各种各样的化学电源，化学电源已经成为国民经济中不可缺少的一个重要组成部分，这是由化学电源的特点所决定的。化学电源具有以下特点：便于携带、使用简便；电池的容量、电流、电压可以在相当的范围内变动；可以制成任意的形状和大小；能经受各种环境的考验(如冲击、振动、旋转、高低温等)而保证电能的正常输出；能换效率高，无噪声。正因为化学电源有众多的优点，因此在工业、农业、交通运输业、通讯、文化教育等方面被广泛使用。
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随着信息技术的发展，电子产品日新月异，高能化学电源成为电子产品的原动力，电子技术与移动通信推动了电池产业与技术的高速发展，储氢合金电池，锂离子等新型电池不断商业化，同时电动车的发展促进各种电池技术的突破性进展；新电池系列越来越多；因而，化学电源是一门古老而年轻的科学。
一、化学电源发展简史
1. 回顾历史
1800年伏打根据伽伐尼（Galvani）于1786年提出的关于用两种不同金属接触青蛙肌肉时能够产生电流的所谓电学说研制成了伏打电池，这是世界上第一个能够实际应用的电池，并用它进行了许多电学有关的研究工作，并发现了一些基本定律，如欧姆定律、法拉第定律等。
1859年法国的科学家普兰特(Plante)发明的铅酸蓄电池，这是世界上第一个可充电的电池；1869年法国的科学家勒克兰社(Leclanche)研制成功的锌-锰干电池 ；1889年至1901年瑞士的扬格纳(Junger)和美国的爱迪生(Edison)先后研究成功镉-镍电池和铁镍蓄电池；在第一次世界大战期间，中性锌-空气电池被研制成功；1943年法国安德烈(Andre)发明了锌-银电池；1947年美国的茹宾(Ruben)研制成功了锌-汞电池。在20世纪80年代出现了较高比能量并能大电流工作的小型镍金属氢化物（NiMH）蓄电池，90年代又出现了更高比能量的锂离子蓄电池及有实用前景的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。这些新型绿小型蓄电池的出现，使现代化便携式电子信息产品电源的重量和体积明显减小。输出功率明显提高，大大促进了电子产品的发展。以上这些电池在实际运用过程中都经历了无数次从结构、工艺、材料方面的改进，是电池性能较以前有大幅度的提高。
2. 电池的发展随着便携机器的发展而发展
顼随着便携机器的日益丰富，电池逐渐成为人们关心的电子产品。由于需求的扩大，使电池发展成为一个新兴的产业。电池技术也因此而得以飞速发展。从1986年锂二次电池问世，1990年Ni—MH电池投放市场。1991年锂离子二次电池参与市场竞争，到1997年聚合物锂离子电池批量生产，十几年的时何内，电池行业已聚集了巨大的财富。难怪美国的科学家曾评述：未来10年最赚钱的10种科技产品中有两项与电池有关。一项是高密度电源，另一项为混合动力汽车。
3. 电池的进步，很大程度上取决于材料的进展
碱锰电池的兴起，得益于电解二氧化锰，这的确是为了电池的需要引起的.但MH/Ni电池的兴起，吸氢材料的研究开始并非为了电池的需要。锂离子电池的开发有赖于碳素的研究，而导电聚合物材料的研究有可能改变固态电解质电池的面貌。
二、化学电源的种类
1.锌-二氧化锰电池
小狗的生活习性锌-二氧化锰电池(简称锌锰电池)采用二氧化锰作正极，锌作负极，氯化铵和氯化锌的水溶液作电解质溶液，面糊粉或浆层纸作隔离层。锌锰电池的电解质溶液通常制成凝胶状或被吸附在其他载体上，而成不流动状态，所以又称“干电池”。锌锰电池常按用电器具的要求制成圆柱形和方形；按使用隔离层的区别分为糊式电池和纸板电池(包括铵型纸板电池和锌型纸板电池)。锌锰电池适合小电间歇性放电。
碱性锌锰电池是在锌锰电池基础上发展起来的，是锌锰电池的改进型。其电池反应如下：  （-）Zn|KOH|MnO2（+）
与普通锌锰干电池比较，碱性锌锰电池采用了高纯度、高活性的正、负极材料，使电化学反应面积成倍增长；同时采用了离子导电性强的碱作为电解质溶液，使电池内阻减少，因而放电电压平稳，放电后电压恢复能力强，大电流连续放电其容量是普通锌锰电池的5倍左右，电压1.5V。工作温度在-20～60℃之间。
我国是锌锰电池生产大国，年产量达200亿只，电池用锌约占锌总消费量的25%。同时，我国也是锌产量最大的国家，年产锌近250万吨，除满足国内需求外，还大量出口。从国内锌的消费结构看，锌冶炼和电池企业携手合作，促进锌锰电池生产技术进步，提高产品
档次和价值，对发挥我国资源和产业优势，具有十分重大的意义。近十余年来，锌锰一次电池技术的发展主要在两个方面，一是提高碱性化率，满足对电池性能越来越高的要求；其二是无汞化，消除对环境的污染。国外发达国家锌锰一次电池碱性化率高无汞化的要求亦更为迫切，在此领域开展研究较早，目前，已基本解决了无汞锌粉的生产及无汞电池制造等综合技术问题，无汞碱性锌锰电池己大量生产销售。我国在此领域起步较晚，目前，锌锰一次电池碱性化率仅达到20%。对于环保意识和标准不及发达国家，碱性锌锰电池生产仍处于高汞、低汞和无汞并存阶段。但锌锰一次电池碱性化、无汞化是发展的必然趋势，国内电池行业正加大投入，在此方面高速发展。
2.铅酸电池
铅酸电池的正负电极分别为二氧化铅和铅，硫酸为电解液。铅酸电池是目前世界上广泛使用的一种动力电源，其有如下的特点：制造工艺简单，价格低廉；电压平稳，安全性好；维护简便甚至可以免维护；适用范围广、原材料丰富；自放电低，一般充电后搁置4个月容量损失不超过10％；功率特性良好，回收技术成熟。
铅酸电池的性能参数有了很大改进：容量可从1Ah到20kAh。比功率达到600—1000WPkg，首套房房产税
比能量30～45wh/kg。使用寿命为250~1600次循环。20世纪80年代以来，中国从美国、韩国等引进几条密封铅酸蓄电池生产线，多以生产少维护电池为主，免维护电池的产量很小．而且目前主要用于固定电源市场如通讯站、电力站、计算机、太阳能发电站等，而消耗量最大的汽车和摩托车起动电源市场尚未使用真正的免维护铅酸蓄电池，电动汽车动力用电池尚处在试制阶段。
3.锂离子电池
锂离子电池是由碳作负极、嵌锂的金属氧化物作正极和非水电解质构成，正负极均采用可供锂离子自由脱嵌的活性物质。充电时Li+从正极选出，嵌入负极；放电时Li+则从负极脱出，嵌入正极。以LiMnO2、LiCoO2等为正极材料，石墨为负极材料的锂离子电池。
锂离子电池的优缺点：
优点：（1）工作电压高：锂离子电池工作电压在3.6V，是镍镉和镍氢电池工作电压3倍。在许多小型电子产品上，一节电池即可满足使用要求；（2）比能量高：锂离子电池比能量目前已达150wh/kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍；（3）循环寿命长：目前锂离
子电池循环寿命已达1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池；（4）自放电小：锂离子电池月自放电率仅为6%~8%，远低于镍镉电池（25%~30%）及镍氢电池（15%~20%）；（5）无记忆效应：可以根据要求随时充电，而不会降低电池性能；（6）对环境无污染：锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿电池”。
不足：1）成本高 主要是正极材料LiCoO2的价格高；但按单位瓦时的价格来计算，已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，只是还高于铅酸电池；2）必须有特殊的保护电路，以防止过充；3）与普通电池的相容性差。
锂离子电池的技术发展趋势：
小型锂离子电池体积比容量将进一步提高。由于3G手机的多功能应用，笔记本电脑的小型化和薄形化的趋势，当前的锂离子电池已无法满足这些电器的要求。有评论将此形容为“能量的饥渴”。以18650型电池为例，1995年时容量为1.3Ah，而2005年容量已达2.6Ah。随着锂离子电池正极材料的发展，松下公司（MDI）在今年公布已成功开发出3.30Ah的18650型电池。为进一步提高容量，目前一些厂商正在开发锂离子二次电池的应用和发展4.
4V电池与新型负极技术，估计Si-C负极将在今后2~3年内成熟，届时还会有更高容量的电池出现。小型电池的功率密度将进一步提高。由于锂离子电池的电解质采用有机溶剂，其电导率较低而且锂离子电池的功率密度较低在过去一直被认为是其缺点，所以电动工具和混合动力车的领域长期被镍镉和镍氢电池占据。
4.镉镍电池
袋式镉镍电池的主要优点是结构坚固、寿命长、荷电保持能力好、可靠性高、耐滥用，而且价格也是镉镍电池中最低的一类。主要缺点是比能量低，约20wh/kg，电池成本高于铅酸蓄电池。袋式镉镍电池容量范围宽，它有着广泛的用途，60年代以前主要是军用，70年代后转向民用，特别适合对体积要求不高及固定使用场所。这类电池虽然历史悠久，但目前在工业应用上仍有广泛用途，且正处于发展时期。袋式电池在80年代做了比较大的改进，主要有两方面：（1）塑料壳化；（2）开发中倍率电池。
5.氢镍电池
氢镍电池于1988年进入实用化阶段，1990年在日本即开始规模生产，此后产量成倍增加。
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发展方向在小型二次电池领域，MH/Ni 电池在市场竞争中面临镉镍电池和锂离子电池两面夹击。为了与锂离子电池竞争，MH/Ni 电池正在向高容量化方向发展。
三、化学电源的发展方向
1.未来小型电池的前景十分乐观
据有关统计2003年美国人均年耗电池21只，日本人均16只，欧洲为11只,我国仅为6只，而美洲3只不到。随着科技日益发展，对生活水平提高，将有多种形式的电器开拓而进入千家万户，这将促进小型电池的大量发展，人均将增加0.5~4只不等，即需增产电池数十亿只，电池前景十分乐观。
2 大型电池和中型电池的前景十分诱人
由于人类环境意识的增强及石油的短缺,未来的汽车势必采用电动汽车.当前汽车所用的电池,其用途只作为起动、点火、照明,需用量已在2亿只以上.如作为汽车动力用途,至少每辆车用8只以上,将形成供不应求的局面,前景十分诱人[12].
3　增强意识　向绿产品看齐
当前，全球环境问题日益严峻，珍惜资源与爱护环境蔚然成风，绿化学已经成为国际化学研究的前沿。电池行业也与时俱进，向绿产品看齐。主要的成就是:锌锰电池中去汞、代汞获得了成功，把曾经一度广泛使用的Zn/HgO电池基本停止了生产；尽管Cd/Ni电池的技术不断成熟，却开发了取代它的MH/Ni电池；随后出现的燃料电池和锂离子电池有望成为绿电池的佼佼者。同样，开发新电源也必须以“绿”为准绳，这是发展的必然趋势。
4　加强研究开辟新的活性材料
化学电源工业所需的有金属和重金属，如锌、镍、镉、铅、银等资源均不丰富，随着工业腾飞之后，势必造成供不应求.电池行业必须打开思路，寻新途径。以往MH/Ni电池取代Cd/Ni电池不仅实现了电池的绿化，而且也充分利用了我国的稀土资源，解决了镉不足等问题。同样，铝是地壳中最丰富的金属元素,也是金属中最廉价的，而且有较高的安时容量(2 98Ah/g)，由于其它原因,但对铝的研究未能商品化。因此，对铝的化学电源的研究开发，蕴含诱人的前景与挑战。自然资源总是有限的，而合成材料的潜力是无限的。今后可有意识地运用分子设计的思想，把导电聚合物材料、固体电解质合成纳入分子工程的对象。导电材料如聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩等一系列合成材料开为先河，而分子剪裁将可满
足在一定条件下作为正负极活性材料而出现。此外，纳米微粒作为电池正负极材料的可能性是存在的，催化性质已被证实，越来越多的研究显现了它的特性。如果纳米材料在电池中得到实用，电池的性能有可能达到一个新的高度。

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