化学电源的发展

化学电源的发展
摘要：本文综述了化学电源的发展历史及现状，介绍了化学电源的特点、分类，总结电源发展热点，展望了化学电源应用的美好前景。

关键词：化学电源；发展历史；绿色化学电源；展望
能源是人类社会发展的重要物质基础，随着人类社会的进步和生活水平的提高，不仅消耗能量将急剧增加，而且需要提供能量的方式更加多样化。

化学电源作为通过化学反应获得电能的一种装置，不仅种类繁多、形式多样，而且可以是再生性能源，由于它自身的特点，所以有着其它能源所不可替代的重要位置。

化学电源的广泛使用是人类科学技术进步的需要，是人类物质文明提高的需要。

二者的迅速发展也促进化学电源的生产与研究的迅速发展。

1.化学电源的发展历史
化学电源又称电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置，它通过化学反应，消耗某种化学物质，输出电能。

常见的电池大多是化学电源。

它在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用。

世界上第一个电池（伏打电池）是在1800年由意大利人Alessandro V olta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。

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需要，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年代初期便实现了军用和民用。

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增加，铅、镉等有毒金属的使用日益受到限制，因此需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、MP4、MP5、照相机、摄影机、各种遥控器、剔须刀、手枪钻、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、潜艇和鱼雷等军用电池。

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。

2.化学电源的特点
（1）能量转换效率高：如果把化学电源与当今人类普遍利用获取电能的手段——火力发电相比较，其功率和规模确实远不及后者；然而就其能量转换效率而言，远远高于火力发电。

从理论上讲可以达到100%。

因为火力发电属于间接发电，能量转换环节多，受热机卡诺循环的限制，效率很低，约有60～70%的热量白白浪费。

而化学电源是直接发电装置，以燃料电池为例，实际效率在60%以上，在考虑能量综合利用时其实际效率高于80%。

（2）污染相对较少：化学电源与通过直接燃烧石油、天然气、煤气获取能量方式相比，产生的环境污染少，这是它的又一特点。

我们知道，随着工业生产的发展，能源的不合理使用，已经并且正在继续不断地加重着环境污染。

石油、煤炭、天然气燃烧时会排出大量的SO2和气溶胶微粒。

面对着严重大气污染，人类发出“保护大气就是爱惜生命”的呼吁。

为此世界各国正在积极研制电动汽车，以达到环保要求，现已有部分样车在运行。

（3）便于使用：化学电源的特点还在于具有可携带性、使用方便。

可以做成适合不同工作需要的多种性能的装置，从而为一些用于特殊目的的设备提供电能，这是其它供电方式无法比拟的。

3.化学电源的分类
3.1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。

4.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：
4.1一次电池朝高容量、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1990年的24%增长到1996年的50%。

4.2二次电池中，镍氢和锂离子电池将逐渐挤占镍镉电池原有的市场份额，从而打破镍镉电池一统天下的格局。

1992年，索尼公司率先解决锂金属电镀安全问题，开始批量生产锂离子电池。

可以预见，在不久的将来，锂离子电池将会找到大幅度降低成本的措施，届时，镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池将形成三足鼎立的大好局面。

4.3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，必须在电池或电池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。

5.化学电源发展的展望
5.1锂电池：
无论是民用还是军用，都迫切需要重量轻、体积小、性能高的电源系统。

锂电池的应用十分广泛，不仅在空间计划中使用，而且作为通讯设备、监视装置、电子器件的支持电源，医疗上作为心脏起搏器电源、高级石英手表等都已使用锂电池。

5.2导电高聚物电池：
1981年第一个聚乙炔电池面世，采用的是聚乙炔膜正极、锂片负极、LiClO4电解质和碳酸丙二酯为溶剂。

继聚乙炔之后，经研究其它共轭系统聚合物，又发现和制成了几十个可导电的品种，其中聚吡咯、聚噻吩，聚苯胺、聚对苯和聚对亚苯乙烯等，电导率可达100～103Scm-1数量级，环境和化学稳定性比聚乙炔优越得多，从聚合物电池的性能数据看，在电池电动势，电极寿命、放电效率都较高，自放电较低，已经达到或接近实用要求，其质量比能量已超过铅酸蓄电池、镉镍电池等。

5.3液结光伏电池：
太阳能是一种取之不尽，用之不渴的能源，它既清洁又廉价，但是人类至今对太阳能的利用却十分有限。

采用半导体的p—n结原理制成的固结太阳能电池，由于其要求半导体纯度很高，而光能转换效率尚不尽人意，只能在特殊场合使用。

假如把比较容易制备的半导体电极(诸多金属氧化物均有半导体性能)插入电解质溶液，在光激发下半导体产生光生空穴(h+)或光生电子，与电解质溶液中离子发生电化学反应而产生电能或转化为其它形式能量，将使光电化学效应在利用太阳能上有所作为。

早在1839年法国人Becquerel就在实验中观察到光电化学效应，但光电化学引起充分重视并得到迅速发展只是近几十年的事，除了建立起理论的半导体/电解质溶液的简单模型，进行了大量的光电极和电解质溶液的选择，最有价值的实验当属1972年日本人Fujishima(藤岛昭)和Honda(本田)进行了光助电解水（用TiO2电极）获得氢气。

在溶液中电解水理论上需要施加1.23V的外压，而采用半导体TiO2光电极加以光照后，根据使用的电极材料和电解质的不同，仅需0.3～1V的外压，“免费”利用阳光，节省电能又获得氢能，给光电化学效应的实际应用带来了希望。

由于光电化学电池对电极材料的要求，并不象固体太阳电池那样严格，甚至多晶半导体也可使用，大大降低成本，因此，尽管目前还存在电极材料的稳定性不高，太阳能转换效率普遍较低等困难，但其前景比较乐观。

6.结论
对于我国目前的电池工业而言，存在的主要问题是环境污染和资源浪费严重。

对于环境污染而言，由于我国电池工业的自动化、机械化程度不高，很多企业多为手工操作，导致生产过程中污染很大，对工人身体危害大。

为了减少污染，保护环境，维护生态平衡以及保护地球上的有限资源，应当尽可能扩大资源种类，选用储量丰富的资源以及利用有利于环保的资源。

因此，在全球能源和环境日趋严峻的形势下，绿色环保电池成为我国必须发展的电池品种。

参考文献
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