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化學(xué)電池的歷史和發(fā)展
眾所周知，我國(guó)是電池最大的生產(chǎn)國(guó)和出口國(guó)，國(guó)內(nèi)電池生產(chǎn)總量50%以上用于出口，年創(chuàng)匯在上億美元。同時(shí), 隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高,家庭或個(gè)人用便攜式電子產(chǎn)品、電器的不斷問(wèn)世并迅速普及, 電動(dòng)汽車、空問(wèn)技術(shù)、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域的快速發(fā)展,與之相配套的電池作為一種攜帶方便的化學(xué)能源, 越發(fā)顯示出良好的應(yīng)用前景和潛在的經(jīng)濟(jì)效益,成為近年來(lái)廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。下面是小編搜集整理的化學(xué)電池的歷史和發(fā)展相關(guān)內(nèi)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(fù)極，氯化銨水溶液為主電解液的原電池。俗稱干電池。在學(xué)術(shù)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(dòng)，形成隔離層，或用棉、紙等加以分隔。鋅錳電池的開(kāi)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(xué)行為是制造電池的基礎(chǔ)，所以在二氧化錳中加入物質(zhì)使二氧化錳的活性提高成為一時(shí)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(chǎn)品, 正處于發(fā)展期。1998年, 國(guó)內(nèi)堿性電池生產(chǎn)廠家已達(dá)50多家, 總產(chǎn)量達(dá)7億多只, 其中南孚電池有限公司生產(chǎn)的南孚牌堿性電池年產(chǎn)量3億多只, 占全國(guó)堿性電池產(chǎn)量的近50%多。但與國(guó)外堿性電池的發(fā)展相比, 我國(guó)目前堿性電池所占比例仍偏低。如美國(guó)堿性電池產(chǎn)量占電池總產(chǎn)量的90%,日本和歐洲占60% 。因此, 我國(guó)堿性電池生產(chǎn)企業(yè), 應(yīng)與大專院校、研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合, 走產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的道路, 盡快提高堿性電池的質(zhì)量和產(chǎn)量, 爭(zhēng)取近兒年內(nèi)堿性電池產(chǎn)量達(dá)到我國(guó)電池總產(chǎn)量的30%以上。
近年來(lái)，隨著可持續(xù)發(fā)展的號(hào)召的提出，以節(jié)約成本、經(jīng)濟(jì)適用、減少污染為主題的節(jié)約環(huán)保意識(shí)進(jìn)入電池行業(yè)，我國(guó)二次電池的開(kāi)發(fā)和利用逐漸成為熱門(mén)話題。
二次電池又稱可充式電池, 可反復(fù)充放電, 從而節(jié)約電池的制作成本。二次電池的發(fā)展經(jīng)歷了鉛酸蓄電池、鎳鍋電池、鎳氫電池、銼離子電池等兒個(gè)階段, 利用化學(xué)反應(yīng)的可逆性，可以組建成一個(gè)新電池，即當(dāng)一個(gè)化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能之后，還可以用電能使化學(xué)體系修復(fù)，然后再利用化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)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(fā)生爆炸的危險(xiǎn)，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(hù)線路，防止電池被過(guò)充過(guò)放電，生產(chǎn)要求條件高，成本高。
光化學(xué)電池，隨著世界傳統(tǒng)能源危機(jī)的迫近和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重, 人們期望利用太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源。
光化學(xué)電池是指利用光電化學(xué)反應(yīng), 將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。根據(jù)結(jié)構(gòu), 光化學(xué)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(zhuǎn)換效率高（單品硅光電池的轉(zhuǎn)換效率理論值已達(dá)23.5%，但由于價(jià)格昂貴，難以被普通市民和工業(yè)界接受。
20世紀(jì)70~80年代研究的液體太陽(yáng)能電池因轉(zhuǎn)換效率低和壽命短（小于6個(gè)月）而無(wú)法商品化。1991年, Gratzel等人在實(shí)驗(yàn)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(jī)染料敏化劑作為光陽(yáng)極, 組裝成電池后其光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到7%.和使用壽命10個(gè)月以上電池性能無(wú)明顯降低，大大提高, 尤其是因?yàn)閷?duì)電極材料的純度無(wú)特殊要求, 較固體太陽(yáng)能電池價(jià)格大大降低。隨后德國(guó)科學(xué)家和瑞典科學(xué)家分別于年證實(shí)了這項(xiàng)工作。目前該項(xiàng)技術(shù)已得到大大改進(jìn),并逐步向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。
能源問(wèn)題舉世矚目, 積極開(kāi)發(fā)能源和提高能源利用效率, 即開(kāi)源和節(jié)流是解決能源問(wèn)題的基本途徑。正是如此，隨后開(kāi)發(fā)出了高性能電池、塑料電池、鉛酸蓄電池。高性能電池的發(fā)展還比較緩慢，因?yàn)楦咝阅茈姵匾笥泻芨叩哪芰棵芏却笥?74kw/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(fā)展存在這相當(dāng)?shù)睦щy難。塑料電池，通過(guò)高性能電池的原理，用鋰電極和有機(jī)材料作為電極，可以取得較好的效果。
塑料銼電池的另一個(gè)特點(diǎn)是可把兩個(gè)電極和電解質(zhì)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(yīng)應(yīng)用場(chǎng)所所能提供的空間, 同時(shí)在運(yùn)行時(shí)無(wú)氫氣逸出, 又因無(wú)液體電解質(zhì), 若子彈穿孔而產(chǎn)生的功率損耗很小, 因此對(duì)發(fā)生意外經(jīng)受能力較強(qiáng)。
可見(jiàn)用有機(jī)材料做電極可以制成高效能鋰電池。另外，還有一項(xiàng)目前應(yīng)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(fù)極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)槠鋬r(jià)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(huán)境溫度范圍等優(yōu)點(diǎn)。 到20世紀(jì)初，鉛酸蓄電池歷經(jīng)了許多重大的改進(jìn)，提高了能量密度、循環(huán)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(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置, 也是一種新型的無(wú)污染、無(wú)噪音、大規(guī)模、大功率和高效率的汽車動(dòng)力和發(fā)電設(shè)備。在能源利用與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日趨嚴(yán)重的形勢(shì)下, 世界上普遍積極倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展。燃料電池作為一種潔凈、安全、高效的化學(xué)電源,將越來(lái)越多的受到人們的青睞。同時(shí)國(guó)際間的共同合作也必將推動(dòng)燃料電池不斷向前發(fā)展。預(yù)計(jì)燃料電池系統(tǒng)在潔凈煤燃料電池電站、電動(dòng)汽車、移動(dòng)電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面, 將有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的潛在市場(chǎng)。
目前，生物技術(shù)的飛速發(fā)展，不斷取得新的成果，這些新的成果和理論也被應(yīng)用到了化學(xué)電池領(lǐng)域，出現(xiàn)了最新的微生物電池的研究。微生物電池在轉(zhuǎn)化過(guò)程中所放出的熱量遠(yuǎn)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(yīng)用。裝備這種電池的便攜式設(shè)備將不會(huì)有發(fā)生火災(zāi)或爆炸的危險(xiǎn)。
化學(xué)電池發(fā)展的歷史就是人類科研不斷進(jìn)步的歷史，作為化學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家們正不斷超越，在科技的飛速發(fā)展的時(shí)代，創(chuàng)造出更多造福人類的科技成果，讓我們拭目以待接下來(lái)會(huì)出現(xiàn)什么樣的化學(xué)電池，來(lái)改變我們的生活。
電池發(fā)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(dá)地區(qū)的波斯人用銅管、鐵棒、瀝青和陶器組裝的古代化學(xué)電池。當(dāng)時(shí)擔(dān)任伊拉克博物館館長(zhǎng)的德國(guó)考古學(xué)家瓦利哈拉姆·卡維尼格提出只要向陶瓶?jī)?nèi)倒入一些酸或堿性水，便可以發(fā)出電來(lái)。
BAGHDAD電池
伏打電堆， 1800年3月20日意大利教授伏打發(fā)明了世界上第一個(gè)發(fā)電器，也就是電池組，伏打電堆開(kāi)創(chuàng)了電學(xué)發(fā)展的新時(shí)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(zhì)，亦稱伏打電池。這是最早的化學(xué)電源，為電 學(xué)研究提供了穩(wěn)定的容量較大的電源，成為電磁學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)。電壓?jiǎn)挝环丶词且云涿摹?/p>
伏打電堆
丹尼爾電池，即銅鋅電池。1836年丹尼爾發(fā)明了第一個(gè)實(shí)際應(yīng)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(zhì)溶液連接的一種原電池。這個(gè)電池在鐵路上早期用于信號(hào)燈。
丹尼爾電池
氣體電極電池，1839年，英國(guó)物理學(xué)家William Robert Grove制造了第一個(gè)“氣體電極電池”。該裝置的原理是現(xiàn)代燃料電池技術(shù)的基礎(chǔ)。
氣體電極電池
本生電池，1842年，德國(guó)物理學(xué)家Robert Bunsen制作了本生電池，該電池用碳棒和鋅做陽(yáng)極和陰極。
本生電池
鉛酸電池，1859年，法國(guó)物理學(xué)家Gaston Planté開(kāi)發(fā)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(gè)單元的鉛蓄電池。
Planté鉛酸電池
鋅錳電池，1866年，法國(guó)人勒克郎榭(George Leclanche)就發(fā)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(fù)極的鋅筒，電池中心是作為正極導(dǎo)電材料的石墨棒，正極區(qū)為圍繞石墨棒的粉狀二氧化錳和炭粉，負(fù)極區(qū)為糊狀的ZnCl2和NH4Cl混合物。這個(gè)電池在電池的發(fā)展史上是一個(gè)重大的轉(zhuǎn)折，這種類型的電池延續(xù)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(zhì)氯化銨中，制成漿糊狀。從此鋅錳電池就成為“干電池”，而且導(dǎo)致了20世紀(jì)初手電筒的發(fā)明，使“干電池”的應(yīng)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(kāi)口型鎳鎘電池中，首先使用了鎳極板。后來(lái)Jungner的鎳鎘電池經(jīng)過(guò)幾次重要改進(jìn)，性能明顯改善。1947年，美國(guó)發(fā)明家紐曼（Georg Neumann）發(fā)明了一種重復(fù)利用電池內(nèi)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(chǎng)
缺點(diǎn)
正極析氫（稀硫酸水溶液，正極電子與氫離子結(jié)合生成氫氣泡），負(fù)極析銅（硫酸鋅硫酸銅溶液，負(fù)極電子與銅離子結(jié)合生成銅）
丹聶爾電池（素?zé)桑?/p>
素?zé)桑ǘ嗫孜镔|(zhì)）：銅離子不能能通過(guò)，硫酸根離子能通過(guò)
鋅板的離子化傾向大，使電解液飽和，需時(shí)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(yáng)離子的難易程度）
勒克朗謝電池
正極側(cè)二氧化錳（減極性劑），阻止了碳棒電子和氫離子結(jié)合
堿干電池
電池基本參量和要素
三個(gè)基本參量：容量（儲(chǔ)水量A.h），電壓（儲(chǔ)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(yīng)化合價(jià)變化，q:電化學(xué)當(dāng)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(shì)
電能
四要素：正極材料、負(fù)極材料、電解質(zhì)、分隔膜
有關(guān)電池的發(fā)展史詳解
電池的發(fā)展史由1836年丹尼爾電池的誕生到1859年鉛酸電池的發(fā)明，至1883年發(fā)明了氧化銀電池，1888年實(shí)現(xiàn)了電池的商品化，1899年發(fā)明了鎳-鎘電池，1901年發(fā)明了鎳-鐵電池，進(jìn)入20世紀(jì)后，電池理論和技術(shù)處于一度停滯時(shí)期。但在第二次世界大戰(zhàn)之后，電池技術(shù)又進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。首先是為了適應(yīng)重負(fù)荷用途的要，發(fā)展了堿性鋅錳電池，1951年實(shí)現(xiàn)了鎳-鎘電池的密封化。1958年Harris提出了采用有機(jī)電解液作為鋰一次電池的電解質(zhì)，20世紀(jì)70年代初期便實(shí)現(xiàn)了特種和民用。隨后基于環(huán)�？紤]，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向蓄電池。鎳-鎘電池在20世紀(jì)初實(shí)現(xiàn)商品化以后，在20世紀(jì)80年代得到迅速發(fā)展。
隨著人們環(huán)保意識(shí)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?zhèn)鹘y(tǒng)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(fā)明了鋰離子電池。1991年鋰離子電池實(shí)現(xiàn)商品化。1995年發(fā)明了聚合物鋰離子電池，(采用凝膠聚合物電解質(zhì)為隔膜和電解質(zhì))1999年開(kāi)始商品化�，F(xiàn)代社會(huì)電池的使用范圍已經(jīng)由40年代的手電筒、收音機(jī)、汽車、和摩托車的啟動(dòng)電源發(fā)展到現(xiàn)在的40-50種用途。小到從電子表手表、CD唱機(jī)、移動(dòng)電話、MP3、MP4、照相機(jī)、攝影機(jī)、各種遙控器、剔須刀、槍鉆、兒童玩具等。大到從醫(yī)院、賓館、超市、電話交換機(jī)等場(chǎng)合的應(yīng)急電源，電動(dòng)工具、拖船、拖車、鏟車、輪椅車、高爾夫球運(yùn)動(dòng)車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、風(fēng)力發(fā)電站用電池、導(dǎo)彈、潛艇和魚(yú)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(jīng)成為人類社會(huì)必不可少的便捷能源。
我國(guó)電池發(fā)展的歷程：我國(guó)第一家電池廠于1911年誕生于上海。1921年第一家專業(yè)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(kāi)始生產(chǎn)鋅錳干電池和修理鉛酸蓄電池。1957年組建機(jī)電部電材局化學(xué)電源研究室，1958年成為我國(guó)第一個(gè)專業(yè)研究所，既原一機(jī)部化學(xué)電源研究所(原電子工業(yè)部天津電源研究所)。1960年我國(guó)第一家堿性蓄電池廠風(fēng)云器材廠在河南新鄉(xiāng)正式驗(yàn)收投產(chǎn)。20世紀(jì)90年代初，國(guó)家開(kāi)始了863重點(diǎn)攻關(guān)，使Ni-MH電池的生產(chǎn)化得到了迅速發(fā)展。以后國(guó)家又開(kāi)始了鋰離子電池863重點(diǎn)攻關(guān)，希望能借此推動(dòng)鋰離子電池及其材料的國(guó)產(chǎn)化。
我國(guó)發(fā)展鋰離子電池生產(chǎn)的必要性：關(guān)于我國(guó)目前的電池工業(yè)而言，存在的重要問(wèn)題是環(huán)境污染和資源浪費(fèi)嚴(yán)重。關(guān)于環(huán)境污染而言，由于我國(guó)電池工業(yè)的自動(dòng)化、機(jī)械化程度不高，很多公司多為手工操作，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)程中污染很大，對(duì)工人身體危害大。干電池行業(yè)曾被人戲稱為污染公司，黑工業(yè)。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(guān)注的、有劇毒的重金屬，極微量的汞對(duì)人體有很大毒性。目前發(fā)達(dá)國(guó)家已宣布自1994年起禁止有汞電池的生產(chǎn)和進(jìn)口。目前我國(guó)多數(shù)廠家仍然生產(chǎn)有汞電池。鉛酸電池行業(yè)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(xiàn)在神經(jīng)系統(tǒng)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(wèn)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(diào)。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(jīng)常會(huì)出現(xiàn)銅綠、冒漿現(xiàn)象，總有一些MH-Ni電池在使用中會(huì)出現(xiàn)噴堿或爆裂現(xiàn)象。鉛酸蓄電池仍有較大比例為老式開(kāi)口電池，使用中仍有冒氣冒酸現(xiàn)象。
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