化学电源的应用与前景

化学电源的应用领域和发展前景

摘要：本文分类列举了目前常见的一次电池、二次电池和燃料电池，从原理和具体应用两方面对其进行了简要的介绍说明，并在此基础上对今后化学电源的发展进行了展望。

关键词：化学电源、工作原理、应用领域、发展前景

一、概述

化学电源是一种能将化学能直接转变为电能的装置，其通过化学反应消耗化学物质，发生化学变化，同时产生电能。化学电源在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用，为社会发展和科技进步做出巨大贡献。

化学电源的历史可追溯到1800年V olta发明的V olta电堆，这种由锌片、铜片和浸有盐水的布片组成的装置由于能够产生连续的电流被认为是人类历史上的第一个化学电源。此后，铅酸电池、锌-空气电池、锌-氯化铵电池等多种化学电源被设计出来并投入实际生产，其中的佼佼者——铅酸电池和干电池分别于1882年和1888年实现商业化，为人类对电能的运用打开了崭新的一页。[1]进入20世纪，以镍氢电池（80年代）和锂电池（90年代）为代表的新型电池更加扩展了电池的应用领域，特别是后者，由于其体积小、比能量高、电流大等特点，被越来越多的应用于各类电子产品，对其的研究热潮一直延续至今。

另一方面，燃料电池作为化学电源的另一分支，早在1801年就有人提出相关理论，但受限于材料等相关学科的发展，一直未能有显著的成就。在上世纪五六十年代，随着航空航天事业的兴起，燃料电池也随之被重视起来并最终实用化。如美国的阿波罗11号登月飞船，使用的就是氢氧燃料电池。近年来由于固体氧化物燃料电池、质子膜交换燃料电池等新型燃料电池的兴起，对燃料电池的研究也越发受到研究人员的重视。

目前经济社会的发展对所使用能源的清洁和可持续性提出了更高的要求，而化学电源由于其对能量的高转化效率和优越的可重复性受到越来越多的关注。特别是在电动汽车方面的应用前景，更是受到全世界研究人员的青睐，其发展前景真正可称得上不可估量。

二、化学电源的简介及其应用

化学电源的种类繁多，大体上可分为一次电池、二次电池（蓄电池）、燃料电池三大类，每一大类中根据电极材料、电解液和隔膜等的差别分为许多种类。以下就每一大类分别列举出几种具有代表性的例子，对其原理和应用加以简介。

一次电池：锌锰电池、一次锂电池、铝空气电池

二次电池：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池

燃料电池：质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池

2.1 一次电池

2.1.1 锌锰电池

1）工作原理

锌锰电池早在1882年就已经研制成功，其电池反应如下所示：

(-) Zn∣NH4Cl，ZnCl2∣MnO2，C (+)

利用这一反应制成的中性锌锰电池即为我们通常所说的干电池。负极为锌失去电子，采

用NH4Cl和ZnCl2作为电解质，正极为MnO2接受电子。但由于使用该反应生产电池的过程中对环境存在污染，制得的电池品质也不尽如人意，后来又开发出了相对环保、性能更加优越的碱性锌锰电池。其反应原理如下所示：

(-) Zn∣KOH∣MnO2(+)

由于采用了KOH的水溶液作为电解液，碱锰电池相较于普通锌锰电池能够大电流持续放电，这也是碱锰电池逐渐取代普通干电池的原因之一。两者的相关特性见下表。

2）具体应用

锌锰电池是所有电池中历史最久远，产业产品技术发展最为成熟者，近年来，锌锰电池除在传统的手电、收音机、遥控器、剃胡刀等领域使用，随着电子产品的急速发展与普及，电池的需求量大增，预计21世纪前20年锌锰电池仍会有较大的发展。可以预见的是，锌锰电池将向着小型化、轻型化和高功率化发展。但不容忽视的是，普通锌锰电池的环保问题已引起全社会的高度关注，废弃电池的回收将随着资源的循环利用被提到议事日程和逐步实施。相较之下，碱性锌锰电池则是民用电池中最有发展前途的产品，其对环境友好特点相较于普通碱锰电池有着明显的优势，在发达国家的锌锰电池产业已达80％碱性化率的今天，我国碱性电池的生产和销售具有极具潜力的发展空间，预计在2010年，我国碱性锌锰电池的产量将超过美国，成为世界上碱锰电池产量最大的国家。[2]

2.1.2 一次锂电池

1）工作原理

一次锂电池通常是指Li/MnO2电池，是以金属锂作为负极的一种化学电源。其电池反应如下所示：

(-) Li∣LiClO4，PC，DME∣MnO2 (C) (+)

（PC—碳酸丙烯酯，DME—二甲氧基乙烷）

其负极发生的反应即为金属锂失去电子生成锂离子，正极则是锂离子与MnO2发生反应，在获得电子后锂离子进入MnO2的晶格当中，形成化合物LiMnO2。

2)具体应用

目前一次锂电池的应用还较为有限，尽管其比能量高达比能量200Wh/kg，相较于其他种类的化学电源有着较大优势。但是由于一次锂电池的负极为金属锂，不能进行充电反复利用，所以目前一次锂电池多为纽扣电池，使用范围也十分有限，通常用于一些小型的电子设备，如电子钟表、遥控器、儿童玩具等。也正因如此，促进了对能够多次使用的锂离子电池的研制，对这一类型的化学电源将在后文进行讨论。

2.1.3 铝空气电池

1）工作原理

铝空气电池的负极是铝合金，在电池放电时被不断消耗，并生成Al(OH)3；正极是多孔性氧电极，跟氢氧燃料电池的氧电极相同，电池放电时，从外界进入电极的氧（空气）发生电化学反应，生成OH-；电解液可分为两种，其一为中性溶液（NaCl或NH4Cl水溶液或海水），另一种是碱性溶液。可以认为铝空气电池是半个燃料电池。电池总的放电反应为：

中性溶液：2Al+1.5O2+3H2O=2Al(OH)3

碱性溶液：2Al+1.5O2+2OH-+3H2O=2 Al(OH)4-

2）具体应用

从目前的研究成果和理论分析来看，铝空气电池具有许多优越的性能，例如比能量高，电池理论比能量可达2290wh/kg，目前实际上已经达到300-400wh/ kg。这一数值远高于当今各种电池的比能量。并且铝空气电池的使用寿命可以达到3-4年，加之铝电极是可以不断更换的，其使用年限更是可以大大延长。同时铝空气电池无毒有害气体，不污染环境，电池反应消耗铝、氧和水，生成Al(OH)3。后者是当今用于污水处理的优异沉淀剂。由于铝空气电池具有诸多的优越性能，使其成为电动车动力电源的有力竞争者。首先，铝空气电池具有300-400wh/kg高比能量，这是上述任何一个竞争对手难以达到的，同时也是电动车行驶距离得以跟汽油车相比的根本保证。其次，铝空气电池可以采取机械式“充电”，只要几分钟就可以方便地更换新的铝电极，使电池“充足电”，又可继续行驶，虽然就其本质而言铝空气电池确实是一次电池，但就补充“燃料”的方便快捷而言，这是任何二次电池做不到的，甚至能够与汽油车相媲美。[3]由于其高比能量，铝空气电池也可以用于潜艇上的能源供应，使用液态氧作为氧化剂，负极铝的利用率高达90%，甚至超过了传统的燃料电池,成为潜艇长时间水下航行时的理想能源。民用方面，移动通信网络和广播电视网络遍布全国各地，中继站起到了极其重要的作用。众多的中继站往往都在无人居住的高山上或林区。当前使用的电源基本上都是阀控式密封铅蓄电池，由于其所处环境难免发生变化，铅蓄电池使用过程中的能量密度无法保证。如果使用铝空气电池进行替换，有其较高的比能量作为保证，可以维持较长时间的使用，保证了供给电能的稳定性。

2.2 二次电池

2.2.1铅酸电池

1）工作原理

作为历史最为悠久的化学电源之一，铅酸电池早在1882年就投入实际生产，甚至早于干电池，而时至今日，铅酸电池在二次电池领域仍然有绝对数量上的优势，占据了使用中二次电源的一半以上。其放电时工作原理为：

(-) Pb∣H2SO4∣PbO2 (+)

负极（PbSO4/Pb）：Pb + HSO4- - 2e- PbSO4 + H+

正极（PbO2/PbSO4）：PbO2 + HSO4- +3H+ +2e-PbSO4 + 2H2O

总反应：PbO2 + Pb + 2H2SO42PbSO4 + 2H2O

当对铅蓄电池进行充电的时候，以上反应逆向进行。

2）具体应用

作为人类历史上使用时间最为悠久的化学电源，铅酸电池在各个领域都得到了广泛应用，在车船启动、电动自行车、电动汽车(HEV、BEV)、电厂调峰、风能太阳能储能等领域都有所建树。铅酸电池的优缺点均十分明显：其优点在于造价便宜、原理简单，同时具有较好的可逆性，能够进行大电流的充放电；但是缺点也同样突出，即质量比能量低，只有30-40Wh/kg，正极活性物质利用率只有30% -40%，同时生产过程中使用了铅，会对环境造成污染。目前，通过对传统铅酸电池的改进，人们制造出了阀控铅酸（VRLA）蓄电池、卷绕式铅酸电池、两极性铅酸电池、Pd-C电池等先进铅酸电池，在保留其原有优点的基础上对其性能进行提升。如双极性铅酸电池的比能量能够达到60 Wh/kg，相较于传统铅酸电池有了很大提高，同时也改进了使用的基板，改善了电池的密封性，延长了其使用寿命。随着对铅酸电池研究的不断进行，这一历史悠久的化学电源一定能够在21世纪重新焕发光彩。

2.2.2 镍氢电池

1）工作原理

镍氢电池全称为金属氢化物镍电池，是因为储氢合金的发明而诞生的一种二次化学电源。其工作原理如下：

(-) MH∣KOH∣NiOOH (+)

负极：MH + OH- - e-M + H2O

O + e-Ni(OH)2 + OH-

正极：NiOOH + H

总反应：MH + NiOOH M + Ni(OH)2

镍氢电池中使用的较为常用的储氢合金有LaNi5、Mg2Ni等，根据种类的不同其储氢能力存在一定的差别。

2）具体应用

镍氢电池是在镉镍电池基础上发展起来的碱性电池，只是负极用贮氢合金( MH) 代替镍镉电池镉电极，在结构设计生产工艺以及电性能上镍氢电池继承了镉镍电池的特点，但与镉镍电池相比，镍氢电池有以下显著优点：能量密度高，同尺寸电池，容量是镉镍电池的1.5～2倍；无镉污染，所以镍氢电池又被称为绿色电池而且二者工作电压相同，因此镍氢电池是镉镍电池良好的替代产品。[4]镍氢电池最为常见的用途也是作为电动汽车（HEV）的动力电源，

在一些其他中小型的电子器械上也有应用。不容忽视的是镍氢电池在各个领域都受到来自锂离子电池的竞争压力，应用空间不断受到压缩。但在HEV用大型镍氢电池，由于锂离子电池电动汽车销量有限，而且镍氢电池经受了市场的考验，未来几年仍以搭载镍氢电池的HEV车为主，HEV用镍氢电池将稳定增长。

2.2.3 锂离子电池

1）工作原理

锂离子电池是指用含锂化合物作为负极的二次化学电源。其负极常用的材料为锂嵌入化合物，例如石墨、中间相碳微球（MCMB）、钛酸锂、硅材料等，正极常用的材料为电势较正的脱嵌锂化合物，如LiCoO2、LiNi1-x-y Co x Mn y O2、LiMn2O4、LiFePO4等。其反应原理如下所示：

(-) Li x C6∣LiPF6,PC,DME∣Li1-x CoO2 (+)

负极：

正极：

总反应：

2)具体应用

锂离子二次电池由于具有输出电压高、比能量大、循环寿命长等优点，已成为电池中的生力军。特别是在目前的商品化充电电池中，聚合物锂离子电池的比能量密度最高，可以实现充电电池的薄形化，近期发展较快的锂离子电池主要市场在手机笔记本电脑以及电子产品上。和全球锂离子电池市场相比，国内生产的锂离子电池主要市场在手机用电池，笔记本电脑用电池的市场份额很低，主要原因在于笔记本电脑用的电池组对安全要求高，同时对产品的一致性均有较高要求，而国内的厂家产品的一致性很难保障。[5]锂离子电池的另一个重要用途是作为电动汽车的动力电源使用。例如著名的电动汽车品牌Tesla使用的就是以钴酸锂为正极材料的锂离子电池，其生产的电动汽车性能足以与大部分汽油车相媲美，而在快速充电技术的帮助下，只需要45分钟就能完成充电。但在具有如此众多优点的同时，锂离子电池的缺点也不容忽视，就是其安全性仍有待提高。前不久也同样是Tesla的一辆电动汽车，因为电池故障发生自燃，最后导致整辆车报废。如何提高安全性，正是摆在锂离子电池发展前途上的一大难题。

2.3 燃料电池

燃料电池(FC) 是一种等温进行、直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效(50%~70%)、无污染地转化为电能的发电装置[6]。它的发电原理与化学电源一样，电极提供电子转移的场所，阳极催化燃料如氢的氧化过程，阴极催化氧化剂如氧等的还原过程；导电离子在将阴阳极分开的电解质内迁移，电子通过外电路做功并构成电的回路。但是FC的工作方式又与常规的化学电源不同，而更类似于汽油、柴油发电机。它的燃料和氧化剂不是储存在电池内，而是储存在电池外的储罐中。当电池发电时，要连续不断地向电池内送入燃料和氧化剂，排出反应产物，同时也要排除一定的废热，以维护电池工作温度的恒定。FC本身只决定输出功率的大小，其储存能量则由储存在储罐内的燃料与氧化剂的量决定。较为常见的几种燃料电池如下所示：

燃料电池中发生的电池总反应就是可燃性气体的氧化反应，在这一过程中释放能量。

相较于一般的化学电源，燃料电池具有清洁、安全、高效的优点，但是由于相关学科发展的限制，直至上世纪60年代燃料电池还是停留在理论研究的阶段。到了上世纪70年代，由于出现世界性的能源危机和燃料电池在航天上成功应用及其高的能量转化效率，促使世界上以美国为首的发达国家大力支持民用燃料电池的开发，进而使磷酸型及熔融碳酸盐型燃料电池发展到兆瓦级试验电站的阶段。燃料电池的应用领域更是前所未有的得到了扩展。除了用于在航天器、潜艇的特殊条件下供能外，以燃料电池为动力能源的电动汽车同样也受到了世界范围内的广泛关注，吸引了各大汽车公司和石油公司注资进行研发，价格低廉、节能环保的燃料电池电动汽车进入市场将指日可待。

三、化学电源的发展前景

3.1从理论能量密度出发挖掘现有电池的潜力

根据热力学的相关理论，一种电池据反应可估算出其理论能量密度。数据来源不同，数值不一，有时相差颇大，这与反应中物质状态有关，与是否考虑到反应所处条件（如在水溶液与空气中的水与O2量）有关。在实用化电池中，与理论值相比实际能量密度最多只有理论容量的1／4.5到1／3 之间，有人估计仍然留下大约1／5到1／10的计算值的潜力，还值得去改进提高。这其中具体的数值有待商榷，但不可否认的一点是现有的电池仍有较大的开发潜力。以铅酸电池为例，现有的正极活性利用率仅有理论值的30%左右，还有很大的提升空间，也正是再次进出上开发出了新型先进铅酸电池，让这一传统化学电源重新焕发了生机。其他化学电源也是如此。因此，研究如何充分开发现有电池的潜力，将是未来化学电源研究的重要课题之一。

3.2 从活性材料的角度看电池的前景

一般而言，电池的先进取决于材料的先进。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已成为先河，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，除化学合成外，还有材料的电化学表面处理，在分子水平上研究各类添加剂的行为，材料的电化学制备，导电聚合物，新型电极材料，新型溶剂等都有广阔的前景。天然资源总归要枯竭，而合成导电材料及活性材料的分子裁剪是无限的，最终要走这一条路的。纳米材料所具有的独特性质和新的规律，已使人们认为这一领域是跨世纪科学研究的热点。纳米微粒作为电池正负极材料的可能性是存在的，越来越多的研究显现了它的特性，已对不少纳米级金属氧化物的电化学行为作了研究。而作为锂离子电池的负极纳米微粒中的碳管的管壁厚度、管径、管腔、长度都可做到调控。通过合成条件以改变其形态参数，以利于调整电池的可逆和不可逆容量及循环寿命。此外，纳米材料催化性质已经证实。这对构成燃料电池电极的催化性质提供了良好的基础，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。[7]

3.3 从全新反应的角度看电池的前景

化学电源是一种将化学能转化为电能的装置。化学能无处不在，但人类能够利用将之转化为电能的却为数不多。因此开发新的可以利用的化学能，也是将来化学电源发展的一个重要方向。例如核电池的发明就具有较为典型的代表意义。核电池,又称同位素电池,它是利用放射性同位素衰变放出载能粒子并将其能量转换为电能的装置。[8]核电池取得实质性进展始于20世纪50年代,由于其具有体积小、重量轻和寿命长的特点,而且其能量大小、速度不受外界环境的温度、化学反应、压力、电磁场等影响,因此,它可以在很大的温度范围和恶劣的环境中工作。目前已经在航天、极地、心脏起搏器等领域成功应用。当前已有的化学电源终究有其发展的极限，想要利用化学电源更好的为人类社会发展做出贡献，开发出全新反应的、各方面更加理想的化学电源势在必行。

参考文献

[1]徐学笛. 化学电源的发展及展望[J]. 化学工程与装备, 2008, 2: 032.

[2]郭红霞, 杜志勇. 我国化学电源的发展与应用[J]. 现代化工, 2013 (4): 5-8.

[3]桂长清. 铝空气电池的前景[J]. 电池, 2002, 32(5): 305-307.

[4]宋永华, 阳岳希, 胡泽春. 电动汽车电池的现状及发展趋势[J]. 电网技术, 2011, 35(4): 1-7.

[5]郭红霞, 杜志勇. 我国化学电源的发展与应用[J]. 现代化工, 2013 (4): 5-8.

[6]衣宝廉. 燃料电池的原理, 技术状态与展望[J]. 电池工业, 2003, 8(1): 16-22.

[7]夏熙. 迈向21 世纪的化学电源[J]. 电池, 2000, 30(3): 95-97.

[8]郝少昌, 卢振明, 符晓铭, 等. 核电池材料及核电池的应用[J]. 原子核物理评论, 2006, 23(3): 353-358.