原電池的發(fā)明與發(fā)展

原電池的發(fā)明與發(fā)展說起原電池的發(fā)明，有一段有趣的故事。1786年，著名的意大利醫(yī)師、生物學家伽伐尼，偶然發(fā)現(xiàn)掛在窗前鐵柵欄的銅鉤上的青蛙腿肌肉，每當碰到鐵柵欄就猛烈地收縮一次。這偶然的現(xiàn)象并沒有被伽伐尼放過，經(jīng)不懈的探索和思考，第一個提出了“動物電”的見解。他認為：青蛙神經(jīng)和肌肉是兩種不同的組織，帶有相反電荷，所以兩者存在著電位差，一旦用導電材料將兩者接通，就有電流通過，鐵柵欄和銅鉤在此接通了電路，于是有電流產(chǎn)生，由于有動物電流的刺激，蛙腿肌肉發(fā)生收縮?！皠游镫姟钡陌l(fā)現(xiàn)引起了意大利物理學家伏打的極大興趣，他在多次重復伽伐尼的“動物電”實驗時，發(fā)現(xiàn)實驗成敗的關(guān)鍵在于其中的兩種金屬——鐵和銅，若把鉤著蛙腿的銅鉤換成鐵鉤，肌肉就不會收縮。他認為"動物電"的實質(zhì)是金屬屬性不同造成的，不同金屬帶有不同的電量，它們之間必然存在電位差，若有導線在中間連接，就會產(chǎn)生電流，蛙腿的收縮正是這種原因產(chǎn)生的電流刺激的結(jié)果。伏打經(jīng)過反復實驗，深入鉆研，1799年第一個人造電源——伏打電池(伏打曾叫它伽伐尼電池)問世。電池的歷史電池的發(fā)現(xiàn)主要歸于1800年左右,伏打alessandrovolta發(fā)現(xiàn)將鋅片和銀片藉由浸泡海水或鹽水的棉紙隔開竟能形成電流。稱為伏打電堆。若將干凈的鋅片和銀片分別含在嘴唇的上下端,由于唾液也有酸性（猶如電解液）也會產(chǎn)生輸出電壓,于是嘴唇會感覺到微弱電流的通過。事實上只要在兩種不同金屬間以電解液接通便會產(chǎn)生不同的電位差。johannritter則于1802年發(fā)現(xiàn)可以重復充電的電池制作。然而最初的電池都仍不理想,經(jīng)過不斷改進直到1860年左右,開始發(fā)展出現(xiàn)代電池的鼻祖。首先georgeleclanchefrance于1860年發(fā)展出碳鋅電池。這種電池更容易制造,且最初潮濕水性的電解液逐漸用黏濁狀類似糨糊的方式取代,于是裝在容器內(nèi)時,『干』性的電池出現(xiàn)了,也就是『干電池』的始祖。碳鋅電池仍舊是現(xiàn)代干電池中產(chǎn)量最多的電池。鉛電池：1860年raymond發(fā)展出鉛酸性電池,利用兩個薄鉛片以橡膠片隔開,然后浸于稀釋的硫酸中。最初的電容量很小,后來改用氧化鉛使得反應(yīng)更迅速且更有效率。仍是汽車使用的最主要電池。也占世界上電池銷售的60%。近年來更有密封的鉛電池更方便使用。不僅經(jīng)濟（便宜）且能夠適應(yīng)于不同環(huán)境。鉛電池的正極氧化鉛pbo2反應(yīng)成為硫酸鉛pbso4在負極則是將鉛也是反應(yīng)形成硫酸鉛pbso4電解液則是稀釋的硫酸。電源的發(fā)展史伏打發(fā)明的伏打電池開創(chuàng)了現(xiàn)代電池發(fā)展史。200多年來，在材料科學的進步、應(yīng)用的需求、環(huán)保的限制等多重刺激下，電池業(yè)發(fā)生了天翻地覆般的變化。電源的發(fā)展沿革1780年，意大利的解剖學家和醫(yī)學教授伽伐尼在解剖青蛙時偶然發(fā)現(xiàn)生物電現(xiàn)象，并于1791發(fā)表了“關(guān)于電對肌肉運動的作用”的論文。伏打受到伽伐尼青蛙實驗的啟發(fā)而發(fā)明了電池，即兩種不同的金屬中間以導電的物質(zhì)隔開，再以導線連結(jié)，就會產(chǎn)生電流。1800年，他用銅、錫、食鹽水為材料成功地制造了伏打電池?，F(xiàn)在，凡是將兩種不同金屬放入同一種電解質(zhì)溶液所形成的電池均稱為伏打電池。電源分為化學電源和物理電源?；瘜W電源是指將物質(zhì)化學反應(yīng)所產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置，通常稱為電池，其中包括原電池、蓄電池、儲備電池和燃料電池。物理電源則包括太陽電池和溫差發(fā)電器等。鉛酸蓄電池在化學電源中一直占有絕對優(yōu)勢，從1859年普蘭特發(fā)明鉛酸電池至今，已有近150年的歷史。最初開口式鉛酸蓄電池需經(jīng)常加硫酸和加水維護，腐蝕周圍設(shè)備，并污染環(huán)境。1996年閥控鉛酸蓄電池基本取代傳統(tǒng)的開口式電池。它是產(chǎn)量最大和應(yīng)用最廣的二次化學電源，在將來很長時間內(nèi)仍具有不可替代的作用。鋅錳電池于1868年由勒克郎謝研制成功，以氯化銨為電解質(zhì)溶液。鋅錳電池在經(jīng)過了鋅錳濕電池、普通干電池和堿性鋅錳電池三個階段后，逐步向著無汞電池和可充堿性電池方向發(fā)展。鎘鎳電池最早是在1899年由瑞典科學家發(fā)明的，又稱堿性鎘鎳電池或鎳鎘電池。鎘鎳電池循環(huán)壽命長，自放電較小，性能穩(wěn)定，并可以大電流放電，但是存在記憶效應(yīng)。鎳氫電池是早期的鎳鎘電池的替代產(chǎn)品，記憶效應(yīng)小。鎳氫電池具有較大的能量密度，這意味著使用鎳氫電池能有效地延長設(shè)備的工作時間。鎳氫電池包括高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池。美國的和于20世紀70年代初，首先研制成功高壓氫鎳電池。高壓氫鎳電池充電后，氫氣壓力高，降低了電池的體積比能量和質(zhì)量比能量。但氣泄漏不僅減小電池的容量，而且會引起爆炸事故，安全隱患大。與鎘鎳電池和高壓氫鎳電池相比，金屬氫化物鎳電池能量密度高，可以快速充放電，耐過充放電性能好，無毒和無環(huán)境污染，無記憶效應(yīng)。鋰離子電池是在鋰電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，日本索尼公司于20世紀80年代開始研究鋰離子電池，90年代得到迅速發(fā)展和應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電子、通信、航空和軍事等領(lǐng)域。聚合物鋰離子電池以聚合物固體電解質(zhì)代替液體電解質(zhì)來制造的電池，是鋰離子電池的一個重大進步，聚合物鋰離子電池具有安全、易加工、比能量高等獨特優(yōu)點，而且可以做成全塑結(jié)構(gòu)，從而使制造超薄及自由度大的電池的愿望得以實現(xiàn)。1999年，聚合物鋰離子蓄電池實現(xiàn)了商業(yè)生產(chǎn)，它標志著鋰離子蓄電池發(fā)展的一個新高潮的到來。燃料電池的概念是由蒙德(Mond)和萊格(Langer)于1889年首先提出來的。就在這時內(nèi)燃機問世了，內(nèi)燃機的發(fā)明使人們對燃料電池的興趣推遲了60年。1959年培根研制成功氫氧燃料電池，他對燃料電池的研究工作，奠定了燃料電池發(fā)展的基礎(chǔ)。20世紀60年代，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，美國對培根氫氧燃料電池進行了改進，并分別于1965年和1966年成功的將其應(yīng)用于雙子星座和阿波羅飛船上，為其提供電力，從此使人們對燃料電池的興趣達到了頂點。20世紀70年代，因中東戰(zhàn)爭導致兩次世界性石油危機，80年代，美國、加拿大、日本和歐洲等的世界發(fā)達國家投入大量人力和財力研究開發(fā)燃料電池，在90年代燃料電池實現(xiàn)燃料技術(shù)上的真正突破，佳能、松下、三星、東芝都發(fā)布了自己的產(chǎn)品，燃料電池進入了應(yīng)用階段。電源的現(xiàn)狀科學技術(shù)的發(fā)展加速了各種新型電極材料的應(yīng)用研究與開發(fā)，各種高能或新型化學電源不斷涌現(xiàn)，其中聚合物電解質(zhì)鋰離子電池和直接甲醇燃料電池發(fā)展速度最快。電極制備工藝和電池裝配技術(shù)的完善和發(fā)展促進了電源技術(shù)的發(fā)展，鉛酸電池和鋅錳電池等傳統(tǒng)電池的應(yīng)用性能有了很大提高，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域，從而使這些傳統(tǒng)電池具有不可替代的作用。人們環(huán)境保護意識的增強促進了綠色電池的發(fā)展。1節(jié)1號電池爛在地里能使1平方米土地永久失去利用價值，1粒鈕扣電池可使600噸水受到污染。我國年產(chǎn)鉛-酸電池5000多萬只，其中含鉛量達30多萬噸。高污染的電池將被逐步淘汰。電池的事故頻發(fā)對電池結(jié)構(gòu)、制造工藝和充電器等提出了更高的要求。電池爆炸事故等頻發(fā)，使人們對電池的安全問題提出了懷疑，這就要求電池生產(chǎn)廠家對電池的結(jié)構(gòu)、制造工藝以及充電器的結(jié)構(gòu)和充電安全具有更高的要求。隨著電池體系的大型化和快速充放電，安全問題日益突出，對安全控制和保障體系要求越高。鋰離子電池中正負極活性材料的性能和制備技術(shù)是提高鋰離子電池性能的關(guān)鍵材因素。目前，電動汽車的動力電池體主要是鉛酸電池，將來要逐步用氫鎳電池、鋰離子電池等高性能電池取代。從能量轉(zhuǎn)換角度考慮，燃料電池與普通二次電源相同，都是直接將化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。堿性燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高、比功率和比能量高。燃料電池是一個比較復雜的系統(tǒng)工程，包括燃料處理系統(tǒng)、電池堆系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。隨著地球上一次性能源的枯竭，不少專家、學者預言21世紀將進入氫能時代。石油供需矛盾加劇和對環(huán)境保護意識的增強為太陽能電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造了巨大的市場空間，帶動了上游多晶硅材料和太陽能電池設(shè)備的發(fā)展。從轉(zhuǎn)換效率和材料的來源角度講，今后發(fā)展的重點仍是硅太陽能電池特別是多晶硅和非晶硅薄膜電池。由于多晶硅和非晶硅薄膜電池具有較高的轉(zhuǎn)換效率和相對較低的成本，將最終取代單晶硅電池，成為市場的主導產(chǎn)品。提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本是太陽能電池制備中考慮的兩個主要因素。德國弗賴堡Fraunhofer研究所已經(jīng)研究出了太陽能電池供電的掌上設(shè)備的樣機。在樣機上，太陽能模塊的電力轉(zhuǎn)換率約在20%。我國在863計劃的支持下，于20世紀80年代末研制成功貯氫合金，目前的重點是研究開發(fā)新型電極材料，提高電池性能、提高安全性和降低成本；發(fā)展自動化生產(chǎn)，擴大生產(chǎn)規(guī)模，降低生產(chǎn)成本，拓寬應(yīng)用范圍，增強競爭能力。另外，提高充電器的質(zhì)量和充電自動控制技術(shù)，保證電池的充電安全性。除作為電子信息領(lǐng)域迫切需求的小型移動電源外，鎳氫電池可能成為電動車的電源之一。根據(jù)美國USABC和日本有關(guān)公司對各種電動車用電池的性能以及發(fā)展?jié)摿Φ谋容^論證，綜合考慮電池的可靠性、安全性、電池材料的資源與環(huán)境問題以及電池性能的發(fā)展趨勢，確定鎳氫電池是近期和中期電動車用首選動力電池。隨著市場的需求，新型綠色環(huán)保型鎳氫電池正朝著高容量、小型化、高功率方向發(fā)展。鎳氫電池產(chǎn)業(yè)將成為21世紀能源領(lǐng)域的重大產(chǎn)業(yè)之一。隨著筆記本電腦和掌上電子產(chǎn)品技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對筆記本電池的穩(wěn)定性、使用時間、體積乃至充電次數(shù)、充電時間等方面都提出了更高的要求，而電池技術(shù)也緊隨市場需求，在諸多方面做出了相應(yīng)的改進和發(fā)展。目前，筆記本電腦大多數(shù)使用鋰離子電池，為減小體積，同時達到延長使用時間、增加使用次數(shù)、減少記憶效應(yīng)所產(chǎn)生的負面影響等目的，考慮到電池的成本及使用的安全性，電池在選材上不斷細化。以鋰離子電池的正極材料為例，目前可細分出鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物等眾多原材料。從整體上講，發(fā)展替代鋰離子電池的新一代電池已迫在眉睫，而專業(yè)電池生產(chǎn)廠商也在積極進行選材和研發(fā)工作。金屬鋰充電電池的最大特點在于能充分發(fā)揮負極金屬鋰材料的電池反應(yīng)，使新型電池的能源儲備量達到傳統(tǒng)鋰離子電池的2倍以上，而在放電容量方面，甚至能達到傳統(tǒng)產(chǎn)品的10倍。關(guān)鍵問題是解決金屬鋰充電電池的安全問題。自從1999年，聚合物鋰離子蓄