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化学电源的发展综述

摘要：本文综述了化学电源的发展历史及现状，概括了化学电源的发展基础，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
随着信息技术的发展，通讯技术产品开发的日新月异，高能化学电源成为电子产品的原动力。电子技术、移动通讯事业的进步推动了电池产业和技术的高速发展，金属氢化物镍电池、锂电池等新型蓄电池系列不断商品化。电动车的发展促进了锌空气、锌镍、燃料等系列取得突破性进展【1】。随着科学技术的不断进步，新的电池系列越来越多。因而，化学电源是一门古老而又年轻的科学【2】。
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 Volta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
2.1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%。
2.2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。
2.3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.电池发展基础
3.1电池随社会的需求而出现，随着科技的进步而发展
电池虽然经历了两个世纪，然而在20世纪前几十年，电池理论和技术还处于停滞时期，直到上世纪50年代，家庭电器化特别是半导体收音机的出现才带动了干电池的发展。60年代半导体的普及，促进了纸板电池的发展。70年代LED、LCD和CMOSIC计算机的出现，促进了电池的微型化。90年代随着移动电话的出现出现了高能量密度锂离子电池以及MH/Ni电池的商业化。同样，电池随着航天航空的要求使以往设想的燃料电池达到实用化。
3.2电池的进步很大程度上取决于材料的进展
碱锰电池的兴起，得益于电解二氧化锰，这的确是为了电池的需求引起的。但MH/Ni电池的兴起，吸氢材料的研究开始并非为了电池的需要。锂离子电池的开发有赖于碳素的研究，而导电聚合物材料的研究有可能改变固态电解质电池的面貌[3]。
3.3电池的需用量是受电池器具的销售量所左右
90年代的4C工业（计算机、移动电话、摄像机以及无绳工具）的普及，日常生活对电池的需求已到了须臾不可分离的地步。据报道，世界人口年均电池消耗量已到6~8只，而发达国家的年人均消费量超过20只。因此电池的发展必须赶上电器用具的发展。形状或方或圆，厚度或薄或厚，功率密度与能量密度或高或低，体积或大或小，质量或轻或重，用途可军可民，温度适应或高或低，承受冲击力可大可小，总之在20世纪的标准化有可能向非标准化迈进。
4.化学电源的分类
4.1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, 直到电池反应不能再进行, 电池停止工作为止。如锌一二氧化锰电池、锌一氧化汞电池、锌一空气电池、锉一卤化物电池‘锉一碘电池等
活性物质可反复多次使用的, 称为二次电池或蓄电池。这种电池在放电后, 可通过充电, 使活性物质恢复原来状态, 以便再次放电。如铅一酸蓄电池、镍福蓄电池、镍氢蓄电池、铁一镍蓄电池、锌一银蓄电池等
电池在工作时, 需连续不断从外部加入活性物质的, 称为燃料电池。它象一个发电机, 一面不断加入燃料, 一面不停发电如氢氧燃料电池、麟燃料电池、甲醉空气燃料电池等。
电池在贮存时, 活性物质不与电解质直接接触, 或者电解质不导电, 不发生电池反应, 电池不工作, 电池在使用时, 只有临时加入电解液, 或用某种方法使电解液导电称为激活, 如采用热方法使电解质熔融导电的称为热激活, 发生电池反应, 电池才开始工作, 这种电池称为储备电池, 如钙铬酸钙电池、铝化锉二硫化铁电池、钙五氧化二钒电池、镁二氧化钨电池等。
4.2按电解液分类
有酸性电池如铅酸电池等和碱性电池如碱性银电池、镍锅电池、镍氢电池等。
4.3按活性物质分类
有锰干电池、水银电池、氧化银电池、铅电池、镍树电池、镍氢电池、锌镍电池、铁镍电池、锌银电池、理电池、锉离子电池等。
4.4按结构形式分类
有圆柱形电池、方形电池、袋式电池、钮扣电池、密封电池、开口电池等。
4.5按应用领域分类
有军用电池、民用电池、航空电池、空间电池、机车电池、汽车电池等。
4.6按使用功能分类
有普通电池、安全电池、智能电池等。
4.7按环境保护要求分类
有一般电池均有环境污染, 如水银电池、锰干电池、镍锅电池等和绿色电池均无环境污染, 如镍一氢电他和理电池等
5.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：
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%。
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。
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。
6.电源发展的方向
6.1未来小型电池的前景十分乐观
据有关统计2003 年美国人均年耗电池21 只,日本人均16 只,欧洲为11 只,我国仅为6 只,而美洲3 只不到。随着科技日益发展,对生活水平提高,将有多种形式的电器开拓而进入千家万户,这将促进小型电池的大量发展,人均将增加0. 5～4 只不等,即需增产电池数十亿只,电池前景十分乐观。
6.2大型电池和中型电池的前景十分诱人
由于人类环境意识的增强及石油的短缺,未来的汽车势必采用电动汽车. 当前汽车所用的电池,其用途只作为起动、点火、照明,需用量已在2 亿只以上. 如作为汽车动力用途,至少每辆车用8 只以上,将形成供不应求的局面,前景十分诱人[4]。
6.3增强意识向绿色产品看齐
当前,全球环境问题日益严峻,珍惜资源与爱护环境蔚然成风,绿色化学已经成为国际化学研究的前沿.。电池行业也与时俱进,向绿色产品看齐。主要的成就是:锌锰电池中去汞、代汞获得了成功,把曾经一度广泛使用的Zn/ HgO 电池基本停止了生产;尽管Cd/ Ni 电池的技术不断成熟,却开发了取代它的MH/ Ni 电池;随后出现的燃料电池和锂离子电池有望成为绿色电池的佼佼者[5 ]。同样,开发新电源也必须以“绿色”为准绳,这是发展的必然趋势。
6.4加强研究开辟活性材料的新途径
化学电源工业所需的有色金属和重金属,如锌、镍、镉、铅、银等资源均不丰富,随着工业腾飞之后,势必造成供不应求。电池行业必须打开思路, 寻找新途径。以往MH/ Ni 电池取代Cd/ Ni 电池不仅实现了电池的绿色化,而且也充分利用了我国的稀土资源,解决了镉不足等问题。同样,铝是地壳中最丰富的金属元素,也是金属中最廉价的,而且有较高的安时容量(2 98Ah/ g) ,由于其它原因,但对铝的研究未能商品化[6 ]。因此,对铝的化学电源的研究开发,蕴含诱人的前景与挑战。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开为先河,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,纳米微粒作为电池正负极材料的可能性是存在的,催化性质已被证实,越来越多的研究显现了它的特性。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 ]。
6.5提高质量创世界名牌电池
我国是电池大国,但并不是电池强国,电池产品多为低档产品。而电器在不断地改进,要求高性能和多规格的电池相配备,这既是压力也是动力,电池行业必须在质量等方面下功夫,促进产品的更新换代,加强经营管理,才能与Duracell 、Exide 、Yuasa 、Cathanode 等公司相竞争,创世界名牌,电池行业才会有希望。
7.结论
总之,由于电子技术、通讯事业、信息产业的飞速发展及国际上对环境和资源保护的日益重视,促使化学电源产品向高容量、高性能、低消耗、无公害、体积小和重量轻的方向发展。小型二次高能电池朝着这个方向飞速前进,将成为21 世纪世界科技中一颗璀璨的明珠。

参考文献
[1]王金良，马扣祥.化学电源科普知识[J].电池工业，2000,，（4）.
[2]夏熙.中国化学电源五十年（1）-锌/二氧化锰[J].电池，1999,（5）.
[3]夏熙.迈向21世纪的化学电源[J].电池，2000，（3）
[4]张继元. 我国化学电源工业发展的方向[J] . 电池工业,1996 ,(1) .
[5]熊玮,闫慧忠,赵增祺,孔繁清. 稀土材料在绿色化学电源中的应用进展[J] . 稀土,2003 , (4) .
[6]张曦,顾志忙,陶映初. 铝化学电源研究进展[J ] . 现代化工,1998 , (10) .
[7]夏熙. 纳米微粒作为电池活性材料的前景[J ] . 电池,1998 ,(6) .