化学电源发展综述.pdf

电子天府 年月 第期 夕口己口已口已口口口口口 口口口口口口口口田田飞 口卓荣邦 一一一一一一一一 化 学电 源发展 综 述 马四 引户 四四 中勺四四 团 四少 一 化学电源的起源与发展 化学电源俗称电池 是将化学能直接转变为电能 的装置 世界上第一个电池伏打电池是在年 由意大利人亚历山大发明的 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 年 普朗特发明了铅酸电池年 富蒙 布鲁希制成的涂膏式极板为铅酸电池奠定了基础 年 勒克朗谢发明了锌 一二氧化锰湿 电池该 电池用作正极 锌片作负极 氛化钱水溶 液作电解液 年 勒克朗谢用氛化锌 石膏粉和 水混合而成的糊状物代替氛化按水溶液 用炭棒代替 炭片 将锌片制作成兼作容器的筒形 锌筒上部用石 膏封口 这就是锌 锰干 电池的最初形式后人为纪念 勒克朗谢的功绩 把锌 一锰 电池 称为勒克 朗谢电池 年 锌 一锰 电池投入生产 年 将石膏糊状物 致进为淀粉凝胶体 一直沿用至今 年 美国著名科学家爱迪生发明了碱性蓄 电池 至此 世界上最重要的三大类电池均相继诞生 并逐步得到应用和投入生产在二战期间 由于军事 应用迅猛增加和新材料的产生 并随着锌 一锰干 电池 以乙炔黑代替石墨 以电解锰粉代替天然锰粉 使性 能大大提高 由于科研 军用 民用 航天 环保等部门不断提 出新的要求 一系列现代新化学电源相继 诞生 如高 性能理离子电池 燃料电池 热电池 固体电解质电池 以及无汞锰干电池 镍电池等 二 化学电源的特点 化学电源与其他电源如火力发 电 水力发 电 风 能 原子能 太阳 能等发电装置相比 具有如下显著 的优点 能量转换效率高 化学电源直接将化学能转 变为电能 不受 卡诺循环 的限制 能量转换效率可 达到而其他发电方法往往要经过多种能量转 换过程 例如火力发 电 先要把燃料的化学能转变为 热能 再由热机将热能转变为机械能 最后才由发电 机把机械能转变为电能 在整个发电过程中 每一次 能量转换都要损耗能量 而且要受 卡诺循环 的限 制 能量转 换效 率最 高只能达到 一般仅为 工作时不泄漏污染坏境的物质 且无噪声 是比较 干净 的能源 不仅能产生电能 还能贮存 电能 与其他能 源配合使用 组成能源系统 可制作成各种形状 大小以及不同 电压和容 量的电池 使用方便 易于携带 安全可靠 易于维护 可在高温 低温 高速 失重 振动 冲击等恶 劣环境下工作 既可长期贮存 又可瞬间启动 三 化学电源的应用 化学电源由于具有以上优点 在以下各种领域获 得 了极其广泛的应用 民用方面如生活照明 家用电器 声象设备 电子钟表 电子玩具 电动工具 医疗电子等 工业方面如无线通讯 邮政电信 便携电脑 仪器仪表 机 电设备 矿山机械 应 急照明 备 用电源 等 交通方面如火车 汽车 吊车 拖拉机 飞机 船舶等的启动电源和照明电源 电瓶车 电动汽车等 的动力电源 军用方面如坦克 战车 舰船 潜艇 飞 机 导 弹 地雷 鱼雷 军事通 信等 宇航方面如人造卫星 航天飞机 飞船轨道 站等 四 化学电源的分类 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 综述 一 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 镍一氢 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 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 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 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 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 按使用功能分类 有普通电池 安全 电池 智能电池等 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 五 化学电源的发展动向 一次电池 锰干电池 是最早的一种一次电池 由于该电池的电能容量 较小 使用寿命较短 存在汞污染等缺点 目前正被市 场淘汰 碱性锰干电池 该类 电池采用增强电流强度和延长使用寿命的 技术措施 对性价比有很大提高 其产量和销售额与 日俱增日本干电池市场的碱性率已从 年代初期 的上升到目前的 美国干电池市场的碱性 率已超过写 我国只有 日本东芝的 碱性号 具有超强 电力 稳定愉 出 长期保存电力损失和耐漏性高等特点 三 洋号 新 碱 性 电池及其改良 品 电流稳定 在 以上 寿命 较以往 提高了倍 松下 号 碱性电池和 日立 新碱性第一 干 电池 其 寿命均提高了倍 索尼随身听配套电池 可长时间 连续播放而无需更换电池 敏化银电池 锌 一空气电池 锉 电池 它们的体积能量密度高于锰干电池和碱性电池 锉电池是近 年才发展起来的 具有高容量 长寿命 等特点 钮扣 电池 是一次电池中的一个重要分支 其中水银电池因 污染环境而禁止生产氧化银电池多用于手表和照相 机价格便宜的碱性锰钮扣电池用于游戏机和电子计 算器 寻呼机和助听器使用容量较大的空气电池心 脏起搏器使用长寿命的锉电池 二次电池 铅酸蓄电池 是传统的可充电电池 因其制造工艺简单 成熟 原材料来源广泛 电压稳定 价格便宜 故具有极强的 生命力 广泛应用在各种汽车 列车 船舶 机床 电话 交换机 卫星接收站 微波中继站 电站等领域 镍锡电池 是一种传统的可充电电池 具有容量大 寿命长 性能优越 品种齐全 免维护 价格便宜等优点 由于 该电池中的福对环境有污染以及重量较重 有记忆效 应近来 带放电功能的充电器的问世对解决记忆效 应成效明显 在多次充电后会消耗原电池的容量 因 此在环境保护法律严格限制的地区和国家以及在要 求较高的设备中 受到限制 镍福电池应用范围极其 广泛 几乎适用于所有使用干电池的领域 目前更集 中用于笔记本电脑 移动电话 照 相机 摄录 一体机 无线电收音机 随身听 电动玩具和电动工具等 镍氢电池 是近儿年迅速崛起的新型可充电电池 它具有高 能 量密度比镍福 电池高 快速 充 电 稳定放 电 耐过冲 耐过放 无环境污染 无记忆效应等优点 是一种清洁 高能的绿色电池 但价格比镍福 电池高 其应用领域与镍锅电池相同 目前 欧洲 各国倾向于使用镍氢电池 锉离子电池 锉离子电池于年首先由索尼公司商品化生 产它具有能量密度大比镍氢电池高倍 放 电 电子天府 年月 第期 电压高一节锉离子电池产生电压 相 当于三 节镍锡或镍氢电池 重量轻 薄型结构 放 电稳定等 优点由于使用了大量价格昂贵的钻和钻化合物 故 价格较高铿离子电池在生产过程中存在理金属 电镀 不安全间题 因此生产厂家少 产量低 造成目前供不 应求 奇货可居 的局面 碱性可充电电池 据报道 加拿大拥有碱性可充电电池技术 已向 韩国力公司转让专利 该公司于 年开始生产 该电他不含锅 汞等污染元素 有利于环 境保护 而且价格低廉 是镍福 电池的理想替代品 六 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 年的 增长到年的 二次电池中 镍氢和锉离子电池将逐渐挤占 镍福电池原有的市场份额 从而打破镍锡电池一统天 下的格局 年 索尼公司率先解决锉金属 电镀安 全间题 开始批量生产锉离子 电池可以预见 在不久 的将来 理离子 电池将会找到大幅度降低成本的措 施 届时 镍锅电沦 镍氢电池和铿离子 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 电他组内安装特种功能的 或者通过充电器 使用 电他的设备来实现这种智能 七 电动汽车召唤新的化学电源 当令汽车工业高速发展所引发的石油能源枯竭 和环境污染是探深困扰人类的两大优患 即使在每辆 汽车上装上尾气催化处理装置 将有害气体排放量降 低到 全球每日汽车排放的有害气体仍高达数 百万吨国际公认 解决汽车污染和牙发汽车用新能 源的最佳方案是电动汽车 电动汽车可在夜间用电低 峰时充电 使电力负荷日夜得到均衡 因此在相当一 段时间内 电动汽车的增加 无需发电厂和变电设备 扩容 美国加利福尼亚州已立法从年开始 汽 车产量中的肠应是电动汽车 以后每年增长一个百 分点 并且免除电动汽车的一切税收 以鼓励电动汽 车的发展 尽管 电动机 控制系统 微处理器和轻型材料等 都是电动汽车研究开发中必须解决的间题 但决定电 动汽车性能和价格的关键却是化学 电池 电动汽车对充电电池的基本要求是高的比能量 比功率 长寿命和合理的价格 电动汽车对充电电池 的性能要求见表 和表 表电动汽车对充电电池的性能要求 飞磊 遥迩迩 近期期中期期远期期 比比能量 比比功率压 能能量效率纬 循循环寿命 次铅酸电池池 价价格 美元 盆盆点研究的电池种类类类镍氢电池池池 从表可见近期电动汽车的电池主要是铅酸蓄 电池 虽然其比能量较低 大功率深充电时寿命较短 但其价格便宜 适用于低速 短途车辆