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电池的进展史

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  电池是生活中再常见不过的物品了,但是它出现的时间之早超出了我们的想象。1938年,巴格达博物馆主任在该博物馆的地下室中,找到了现在被称为“巴格达电池”的原始电池。分析表明,这一原始电池可以追溯到公元前250年,属于美索不达米亚文明时期的造物。这枚最早的电池引发了很多的争论。

  真正意义上的现代电池进入人类世界已有200年的历史。早在1800年,意大利科学家亚历山德罗·伏特(Alessandro Volta)就发明了“伏打电堆”。伏打电堆由很多个单元堆叠而成,每个单元都有一块铜板和一块锌板,中间由一块浸有盐水的布隔开。每一个小单元能够产生0.76伏特(V)的开路电压。通过将这些小单元串联,我们能够得到电压相当于每一个小单元电压的总和。

  1836年,丹尼尔电池诞生(锌铜原电池,现在早就不用了)。时至今日,生活中常见的碱性电池、铅酸电池、锂电池等电池,都与古老的伏打电堆共享着同样的工作原理:通过氧化还原反应将自己储存的化学能转化为电能。当化学反应开始时,额外的电子被释放出来,电池即开始放电。

  产生电流之后,有些电池的状态无法逆转,我们将这种电池称为一次电池。当反应物之一消耗殆尽,这种电池便无法再使用了。最常见的一次电池是碳锌电池。若电解质为碱性,这种电池能更加持久耐用。这也就是我们通常在超市购买到的碱性电池。我们在日常生活中常用的碱性电池。处理一次电池的难度在于,我们不能通过再次充电来回收利用这些电池。在电池大型化的的今天,回收利用变得愈发重要,并且频繁地更换电池也不具备商业上的可行性。

  1878年,法国的L.梅谢在锌锰电池中用含铂的多孔性炭电极代替二氧化锰炭包,开发了锌空气干电池的技术;1883年,氧化银电池发明。1888年,锌锰干电池开始实现商品化;1949年,劲量开发出小型化碱性锌锰干电池,使一次性电池的容量和放电功率都大大提高;

  碱性电池亦称为碱性干电池、是目前最广泛使用的一次电池。碱性电池采用电解二氧化锰制作环形正极,锌粉和添加剂配置的锌膏作为负极。由于电解液导电性强,正负极材料表面积大大优于碳性电池,以及强碱性条件下对锌-锰体系电化学反应的促进作用,使碱性电池的输出功率和容量都远胜于碳性电池。碱性电池相比于碳性电池更适合于较大功率的用电器,不过随着数码技术的发展,很多用电器堪称电老虎,比如高亮度LED手电筒、闪光灯等。这些用电器电流动辄就上1500mA的,一般碱性电池恐怕也难堪大任。

  产生电流之后,有些电池的状态无法逆转,我们将这种电池称为一次电池。当反应物之一消耗殆尽,这种电池便无法再使用了。一次性电池的电化学反应是不可逆的,也就是说,化学能转化为电能的旅程只能一条路走到黑,电量用尽,电池也没用了。能不能来一种可以重复使用的电池?

  这种“得寸进尺”的需求最终促成了世界上最早的可充电电池——铅酸电池的诞生。它由法国物理学家加斯顿·普兰特(Gaston Planté)于1859年发明。可充电电池采用的是可逆的电化学反应,只要施加外电压,改变电子流动的方向(从正极流向负极),电池两极就会发生与放电时方向相反的化学反应,仿佛“返老还童”,最终重新充满电力。铅酸电池是目前已知最持久的电池之一,时至今日,人们在启动汽车引擎时使用的蓄电池依然是铅酸电池。铅酸电池的负极与正极分别采用海绵铅及二氧化铅,电解液使用稀硫酸。它可以提供很大的电流,价钱也不贵,但就是体积太大了些。

  早期的电池都使用诸如稀硫酸这样的以水为溶剂的电解液。在这种情况下,电池内肩负维持电荷平衡任务的是氢离子。然而,使用水系电解液的电池,最多能达到的工作电压也不过2伏左右。如果想要获得更高的电压,输出更大功率,就要使用不含水的电解液,找到替代氢离子的正离子。1899年,镍镉、镍铁电池被发明,这使得镍正极材料体系的电池开始进入人们视野,并延续至今日的镍系电池家族(镍镉、镍氢、镍锌等);1947年,实现了镍镉电池的密封化,使镍镉干电池成为可能;现在的应用——像是手机和笔记本电脑——一直追寻的目标就是在尽可能小的空间里储存尽可能多的能量。此后,研究者们又不断探索,发明出采用其他化学反应的充电电池,如镍镉电池、镍氢电池和锂电池。它们能量密度更大,体积更小,可以用于为各类小型电子设备提供电能。

  其实在20世纪初的时候,就开始有人提出锂电池的概念了,因为锂更轻,而且锂电池可以提供3V的电压,铅蓄电池只有2.1V,而碳锌电池只有1.5V。1958年,Harris提出了采用有机电解液作为锂一次电池的电解质,这带来多种一次性锂电池的实用化,包括锂二氧化锰电池、锂亚硫酰氯电池以及锂-二硫化铁电池。

  1980年,美国物理学教授John Goodenough发明了一种新型的锂电池。在这种锂电池中,锂能够在电池中以锂离子的形式,穿梭于两个电极之间。作为3号元素,锂的相对原子质量只有6.9;它既轻又小,比其他大的离子更容易在电解液中移动。锂是周期表中最轻的元素之一,同时拥有着极强的电化学势,这两点优势使得它能够以最小的体积提供最高的电压。经过多年优化,商业化的可充电氧化锂钴离子电池在20世纪90年代初由索尼推出。

  锂离子电池的负极使用石墨,正极使用钴酸锂,电解液则使用含有锂盐(如六氟磷酸锂)的有机溶剂。放电时,嵌入在石墨负极中的锂被氧化进入电解液,跑到正极嵌入到氧化钴的晶格间隙中形成钴酸锂;充电时,锂则从钴酸锂中脱嵌,溜回石墨中,如此循环往复。这样的电池,工作电压可达到3.7伏以上,能量密度大大提高。

  但所谓金无足赤,尽管锂离子电池大获成功,也免不了还有缺点——比如价格较高,容量流失,以及最严重的安全性不高的问题。锂离子电池电解液使用的有机溶剂十分易燃,虽然我们可以通过加入添加剂和改进电池设计来提高电池的稳定性,却终究不是长久之计。

  原理上,只要用另一种X离子来替代锂离子,并找到与之匹配的电极和电解液,就可以得到“X离子电池”。在众多“X”的候选者中,铝算是优势比较明显的:它的价格比锂更低,化学性质也更稳定,而且在反应时,每个铝原子可以释放3个电子,似乎是个不错的选择。

  然而,研发铝离子电池的道路并不顺利。最大的困难在于找到合适的正极材料和电解液。在以往的研究中,正极材料往往会在充放电过程中发生不可逆的结构破坏,能有效参与反应的部分因而越来越少。最终,电池容量迅速下降,使用寿命只有几十个循环——这显然不能满足人们的需求。

  但不管怎样,铝离子电池在使用寿命、功率密度和安全性方面的性能依然优越,如果未来可以降低生产成本,它们将会十分适合用于在对能量密度要求不高的地方发挥作用。比如在电网储能系统中,它们能为太阳能和风能等可再生能源储能,还能作为家用大型电池,为电动车充电,或是在停电时为电器供电。

  一旦科学家能够研发出比泡沫石墨更好的正极材料,进一步提高铝离子电池的工作电压,它的用途将更加广泛。随身听走了,MP3也快走了,科技产品一代又一代地从我们的生活中出现又淘汰,电池和研究电池的人却一直还在。之后还会有怎样的电池惊艳我们的生活?给装备充好电,拭目以待吧。返回搜狐,查看更多

本站文章于2019-10-30 13:15,互联网采集,如有侵权请发邮件联系我们,我们在第一时间删除。 转载请注明:电池的进展史
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