化學電池的歷史和發展

　　眾所周知，我國是電池最大的生產國和出口國，國內電池生產總量50%以上用于出口，年創匯在上億美元。同時, 隨著科技的發展和人民生活水平的提高,家庭或個人用便攜式電子產品、電器的不斷問世并迅速普及, 電動汽車、空問技術、國防工業等領域的快速發展,與之相配套的電池作為一種攜帶方便的化學能源, 越發顯示出良好的應用前景和潛在的經濟效益,成為近年來廣泛關注的熱點。下面是小編搜集整理的化學電池的歷史和發展相關內容，歡迎閱讀。

　　最早的最普及的電池——鋅錳電池。

　　鋅錳電池是以二氧化錳為正極，鋅為負極，氯化銨水溶液為主電解液的原電池。俗稱干電池。在學術界中又稱為勒克朗謝電池。 鋅錳電池是用面粉、淀粉等使電解液成為凝膠，不流動，形成隔離層，或用棉、紙等加以分隔。鋅錳電池的開始電壓隨使用的MnO2的種類、電解液的組成和pH值等的不同而異，一般在1.55～1.75V，公稱電壓為1.5V。在鋅錳電池的組成中，尤以二氧化錳的研究更為廣泛，二氧化錳的電化學行為是制造電池的基礎，所以在二氧化錳中加入物質使二氧化錳的活性提高成為一時間熱議的話題。

　　隨后，鋅錳電池被堿性電池所代替。

　　堿性電池是普通鋅錳電池的換代產品, 正處于發展期。1998年, 國內堿性電池生產廠家已達50多家, 總產量達7億多只, 其中南孚電池有限公司生產的南孚牌堿性電池年產量3億多只, 占全國堿性電池產量的近50%多。但與國外堿性電池的發展相比, 我國目前堿性電池所占比例仍偏低。如美國堿性電池產量占電池總產量的90%,日本和歐洲占60% 。因此, 我國堿性電池生產企業, 應與大專院校、研究機構聯合, 走產學研相結合的道路, 盡快提高堿性電池的質量和產量, 爭取近兒年內堿性電池產量達到我國電池總產量的30%以上。

　　近年來，隨著可持續發展的號召的提出，以節約成本、經濟適用、減少污染為主題的節約環保意識進入電池行業，我國二次電池的開發和利用逐漸成為熱門話題。

　　二次電池又稱可充式電池, 可反復充放電, 從而節約電池的制作成本。二次電池的發展經歷了鉛酸蓄電池、鎳鍋電池、鎳氫電池、銼離子電池等兒個階段, 利用化學反應的可逆性，可以組建成一個新電池，即當一個化學反應轉化為電能之后，還可以用電能使化學體系修復，然后再利用化學反應轉化為電能，但是由于這些電池的原電池均存在安全性差，有發生爆炸的危險，離子電池不能大電流放電，安全性較差， 鋰離子電池均需保護線路，防止電池被過充過放電，生產要求條件高，成本高。

　　光化學電池，隨著世界傳統能源危機的迫近和環境污染的日益嚴重, 人們期望利用太陽能、風能等清潔能源。

　　光化學電池是指利用光電化學反應, 將太陽輻射能轉變為電能的裝置。根據結構, 光化學電池可分為固體光電池和液體光電池。目前, 固體光電池分為單品硅電池和多晶硅電池。雖然轉換效率高（單品硅光電池的轉換效率理論值已達23.5%，但由于價格昂貴，難以被普通市民和工業界接受。

　　20世紀70~80年代研究的液體太陽能電池因轉換效率低和壽命短（小于6個月）而無法商品化。1991年, Gratzel等人在實驗室用納米尺度Ti2O微粒制成多孔膜, 并在膜上吸附一薄層有機染料敏化劑作為光陽極, 組裝成電池后其光電轉換效率達到7%.和使用壽命10個月以上電池性能無明顯降低，大大提高, 尤其是因為對電極材料的純度無特殊要求, 較固體太陽能電池價格大大降低。隨后德國科學家和瑞典科學家分別于年證實了這項工作。目前該項技術已得到大大改進,并逐步向產業化邁進。

　　能源問題舉世矚目, 積極開發能源和提高能源利用效率, 即開源和節流是解決能源問題的基本途徑。正是如此，隨后開發出了高性能電池、塑料電池、鉛酸蓄電池。高性能電池的發展還比較緩慢，因為高性能電池要求有很高的能量密度大于174kw/kg，功率密度要大于1100w/kg。雖然鋰作為電極滿足理論需要，但是很難找到另一電極，所以該電池的發展存在這相當的困難難。塑料電池，通過高性能電池的原理，用鋰電極和有機材料作為電極，可以取得較好的效果。

　　塑料銼電池的另一個特點是可把兩個電極和電解質都制成超薄的固體薄膜, 使之成為超薄多層全固體, 可充電塑料電池, 因而可以大大地減輕重量, 并且可以制成任何形式,以適應應用場所所能提供的空間, 同時在運行時無氫氣逸出, 又因無液體電解質, 若子彈穿孔而產生的功率損耗很小, 因此對發生意外經受能力較強。

　　可見用有機材料做電極可以制成高效能鋰電池。另外，還有一項目前應用很廣泛的電池—鉛酸蓄電池。電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸蓄電池自發明后，在化學電源中一直占有絕對優勢。這是因為其價格低廉、原材料易于獲得，使用上有充分的可靠性，適用于大電流放電及廣泛的環境溫度范圍等優點。 到20世紀初，鉛酸蓄電池歷經了許多重大的改進，提高了能量密度、循環壽命、高倍率放電等性能。

　　燃料電池( Fuel Cell, FC) 是一種等溫并直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學能高效、環境友好地轉化為電能的發電裝置, 也是一種新型的無污染、無噪音、大規模、大功率和高效率的汽車動力和發電設備。在能源利用與環境保護之間的矛盾日趨嚴重的形勢下, 世界上普遍積極倡導可持續發展。燃料電池作為一種潔凈、安全、高效的化學電源,將越來越多的受到人們的青睞。同時國際間的共同合作也必將推動燃料電池不斷向前發展。預計燃料電池系統在潔凈煤燃料電池電站、電動汽車、移動電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面, 將有著廣泛的應用前景和巨大的潛在市場。

　　目前，生物技術的飛速發展，不斷取得新的成果，這些新的成果和理論也被應用到了化學電池領域，出現了最新的微生物電池的研究。微生物電池在轉化過程中所放出的熱量遠低于燃料電池，這使得它非常適用于那些需要與人接觸的應用。裝備這種電池的便攜式設備將不會有發生火災或爆炸的危險。

　　化學電池發展的歷史就是人類科研不斷進步的歷史，作為化學領域，科學家們正不斷超越，在科技的飛速發展的時代，創造出更多造福人類的科技成果，讓我們拭目以待接下來會出現什么樣的化學電池，來改變我們的生活。

　　電池發展歷史

　　BAGHDAD電池，公元前248年至226年之間，居住在伊拉克首都巴格達地區的波斯人用銅管、鐵棒、瀝青和陶器組裝的古代化學電池。當時擔任伊拉克博物館館長的德國考古學家瓦利哈拉姆·卡維尼格提出只要向陶瓶內倒入一些酸或堿性水，便可以發出電來。

　　BAGHDAD電池

　　伏打電堆， 1800年3月20日意大利教授伏打發明了世界上第一個發電器，也就是電池組，伏打電堆開創了電學發展的新時代。伏打電堆是由多層銀和鋅疊合而成，其間隔有浸漬水的物質，亦稱伏打電池。這是最早的化學電源，為電 學研究提供了穩定的容量較大的電源，成為電磁學發展的基礎。電壓單位伏特即是以其名命名的。

　　伏打電堆

　　丹尼爾電池，即銅鋅電池。1836年丹尼爾發明了第一個實際應用的電池，即著名的丹尼爾電池，丹尼爾電池將Zn（鋅）置于ZnSO4（硫酸鋅）溶液中，將Cu（銅）置于Cuso4（硫酸銅）溶液中，并用鹽橋或離子膜等方法將兩電解質溶液連接的一種原電池。這個電池在鐵路上早期用于信號燈。

　　丹尼爾電池

　　氣體電極電池，1839年，英國物理學家William Robert Grove制造了第一個“氣體電極電池”。該裝置的原理是現代燃料電池技術的基礎。

　　氣體電極電池

　　本生電池，1842年，德國物理學家Robert Bunsen制作了本生電池，該電池用碳棒和鋅做陽極和陰極。

　　本生電池

　　鉛酸電池，1859年，法國物理學家Gaston Planté開發出了世界上第一只鉛酸電池。它是由兩片純鉛由亞麻織物分離，浸漬在含有硫酸溶液的玻璃容器中。次年，他又制做了擁有九個單元的鉛蓄電池。

　　Planté鉛酸電池

　　鋅錳電池，1866年，法國人勒克郎榭(George Leclanche)就發明了酸性鋅錳電池的原型，因而這種電池也叫Leclanche電池。它的外殼是作為負極的鋅筒，電池中心是作為正極導電材料的石墨棒，正極區為圍繞石墨棒的粉狀二氧化錳和炭粉，負極區為糊狀的ZnCl2和NH4Cl混合物。這個電池在電池的發展史上是一個重大的轉折，這種類型的電池延續使用至今。

　　Leclanche鋅錳電池

　　干電池，1888年，蓋斯南將淀粉加入鋅錳電池的電解質氯化銨中，制成漿糊狀。從此鋅錳電池就成為“干電池”，而且導致了20世紀初手電筒的發明，使“干電池”的應用深入到了廣大民眾的生活之中。

　　干電池

　　鎳鎘電池，1899年，Waldmar Jungner在開口型鎳鎘電池中，首先使用了鎳極板。后來Jungner的鎳鎘電池經過幾次重要改進，性能明顯改善。1947年，美國發明家紐曼（Georg Neumann）發明了一種重復利用電池內部鎳鎘金屬的制造工藝，使得同樣鎳鎘用量，電池的壽命能夠增加很多，這才使得鎳鎘電池走向市場

　　缺點

　　正極析氫（稀硫酸水溶液，正極電子與氫離子結合生成氫氣泡），負極析銅（硫酸鋅硫酸銅溶液，負極電子與銅離子結合生成銅）

　　丹聶爾電池（素燒瓷）

　　素燒瓷（多孔物質）：銅離子不能能通過，硫酸根離子能通過

　　鋅板的離子化傾向大，使電解液飽和，需時常更換電解液（離子化傾向：指金屬在水或水溶液中放出電子變成陽離子的難易程度）

　　勒克朗謝電池

　　正極側二氧化錳（減極性劑），阻止了碳棒電子和氫離子結合

　　堿干電池

　　電池基本參量和要素

　　三個基本參量：容量（儲水量A.h），電壓（儲水高度），電能（kW.h 容量電壓乘積，即電池能做的功）

　　電池容量：C0=26.8*mn/M=m/q(n:參與反應化合價變化，q:電化學當量96500C)

　　電壓：電極電位表示某種離子或原子獲得電子被還原的趨勢

　　電能

　　四要素：正極材料、負極材料、電解質、分隔膜

　　有關電池的發展史詳解

　　電池的發展史由1836年丹尼爾電池的誕生到1859年鉛酸電池的發明，至1883年發明了氧化銀電池，1888年實現了電池的商品化，1899年發明了鎳-鎘電池，1901年發明了鎳-鐵電池，進入20世紀后，電池理論和技術處于一度停滯時期。但在第二次世界大戰之后，電池技術又進入快速發展時期。首先是為了適應重負荷用途的要，發展了堿性鋅錳電池，1951年實現了鎳-鎘電池的密封化。1958年Harris提出了采用有機電解液作為鋰一次電池的電解質，20世紀70年代初期便實現了特種和民用。隨后基于環保考慮，研究重點轉向蓄電池。鎳-鎘電池在20世紀初實現商品化以后，在20世紀80年代得到迅速發展。

　　隨著人們環保意識的日益新增，鉛、鎘等有毒金屬的使用日益受到限制，因此要尋找新的可代替傳統鉛酸電池和鎳-鎘電池的可充電電池。鋰離子電池自然成為有力的候選者之一。

　　1990年前后發明了鋰離子電池。1991年鋰離子電池實現商品化。1995年發明了聚合物鋰離子電池，(采用凝膠聚合物電解質為隔膜和電解質)1999年開始商品化。現代社會電池的使用范圍已經由40年代的手電筒、收音機、汽車、和摩托車的啟動電源發展到現在的40-50種用途。小到從電子表手表、CD唱機、移動電話、MP3、MP4、照相機、攝影機、各種遙控器、剔須刀、槍鉆、兒童玩具等。大到從醫院、賓館、超市、電話交換機等場合的應急電源，電動工具、拖船、拖車、鏟車、輪椅車、高爾夫球運動車、電動自行車、電動汽車、風力發電站用電池、導彈、潛艇和魚雷等特種電池。還有可以滿足各種特殊要求的專用電池等。電池已經成為人類社會必不可少的便捷能源。

　　我國電池發展的歷程：我國第一家電池廠于1911年誕生于上海。1921年第一家專業蓄電池廠-上海蓄電池廠也建于上海。1941年在延安中央軍委三局所屬電信材料廠開始生產鋅錳干電池和修理鉛酸蓄電池。1957年組建機電部電材局化學電源研究室，1958年成為我國第一個專業研究所，既原一機部化學電源研究所(原電子工業部天津電源研究所)。1960年我國第一家堿性蓄電池廠風云器材廠在河南新鄉正式驗收投產。20世紀90年代初，國家開始了863重點攻關，使Ni-MH電池的生產化得到了迅速發展。以后國家又開始了鋰離子電池863重點攻關，希望能借此推動鋰離子電池及其材料的國產化。

　　我國發展鋰離子電池生產的必要性：關于我國目前的電池工業而言，存在的重要問題是環境污染和資源浪費嚴重。關于環境污染而言，由于我國電池工業的自動化、機械化程度不高，很多公司多為手工操作，導致生產過程中污染很大，對工人身體危害大。干電池行業曾被人戲稱為污染公司，黑工業。這些污染物重要有MnO2粉、HgO、瀝青煙、煙霧、石蠟煙氣等。其中汞是最受關注的、有劇毒的重金屬，極微量的汞對人體有很大毒性。目前發達國家已宣布自1994年起禁止有汞電池的生產和進口。目前我國多數廠家仍然生產有汞電池。鉛酸電池行業的重要污染物有Pb、Pbo粉塵、酸霧及廢酸等。鉛也是毒性較大的重金屬，慢性鉛中毒重要表現在神經系統受損、腎功能障礙和貧血等。Cd-Ni電池所用原料多為粉狀，也存在粉塵污染問題;而且Cd的毒性較大，可以積累在腎臟和骨骼中，引起腎功能失調。另外，骨骼中鈣被鎘取代，使骨骼軟化，疼痛難忍。此外，堿霧、廢酸也是重要的污染物。鋅錳干電池經常會出現銅綠、冒漿現象，總有一些MH-Ni電池在使用中會出現噴堿或爆裂現象。鉛酸蓄電池仍有較大比例為老式開口電池，使用中仍有冒氣冒酸現象。

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