电池的前世今生(2)

1、电池的前世今生公共卫生学院公共卫生学院 预防医学预防医学144144班班 组员：陆明皓组员：陆明皓 罗泽延罗泽延 麦伟文麦伟文 莫秋彬莫秋彬 罗文照罗文照 王建英王建英电池是一项伟大的发明，拥有精彩而悠久的历史，也将拥有同样璀璨的未来。自从公元前自从公元前 250 250 年被发明以来，电池已经走过了一段漫长的旅程年被发明以来，电池已经走过了一段漫长的旅程。f 电池，从本质上来说，就是一种能够将储存的化学能转化为电能电池，从本质上来说，就是一种能够将储存的化学能转化为电能的设备。基本上，电池就是一个小型化学反应器，通过反应产生高能的设备。基本上，电池就是一个小型化学反应器，通过反应产生高能电子

2、，用以注入外部设备之中。电子，用以注入外部设备之中。f 电池出现的时间之早超出了我们的想象。电池出现的时间之早超出了我们的想象。1938 1938 年，巴格达博物年，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的原始电池。分析表明，这一原始电池可以追溯到公元前 250 250 年，年，属于美索不达米亚文明时期的造物。属于美索不达米亚文明时期的造物。f 这枚最早的电池引发了很多的争论。对于它的用途，人们众说纷这枚最早的电池引发了很多的争论。对于它的用途，人们众说纷纭，可

3、能的假说包括用于电镀，止痛或者是人们通过与之接触时的刺纭，可能的假说包括用于电镀，止痛或者是人们通过与之接触时的刺痛感，来产生宗教体验。痛感，来产生宗教体验。f 美国发明家本杰明美国发明家本杰明 富兰克林在富兰克林在 1749 1749 年首次使用了年首次使用了 Battery Battery 这一词语。当时他使用了一组串联的电容器来进行电学实这一词语。当时他使用了一组串联的电容器来进行电学实验。验。f真正意义上的现代电池是由意大利物理学家真正意义上的现代电池是由意大利物理学家 Alessandro Volta Alessandro Volta 于于 1800 1800 年发明的。他通过在一枚

4、铜片和一枚锌片中间夹上浸有盐水年发明的。他通过在一枚铜片和一枚锌片中间夹上浸有盐水的布片构筑成一个小单元，再将这些小单元堆叠起来，就得到了的布片构筑成一个小单元，再将这些小单元堆叠起来，就得到了 伏打电堆伏打电堆 。f 导线将电堆的两端连接起来，就能够产生稳定的电流。每一个小导线将电堆的两端连接起来，就能够产生稳定的电流。每一个小单元能够产生单元能够产生 0.76 0.76 伏特（伏特（V V）的开路电压。通过将这些小单元串联，）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。我们能够得到电压相当于每一个小单元电压的总和。 铅蓄电池是目前已知最持久的电池之一，它

5、发明于 1859 年，现在仍然用于大多数内燃机汽车的点火。它也是最早的可重复充电的电池。 f 汽车电池。汽车电池。 一次电池 vs 充电电池f 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。一次电池。当反应物之一消耗殆尽，这种电池便无法再使用了。f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。久耐用。这也就是我们通常在超市购买到的碱性电池。 f 我们在日

6、常生活中常用的碱性电池我们在日常生活中常用的碱性电池。f 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。地更换电池也不具备商业上的可行性。f世界上最早的充电电池之一，镍镉电池，同样使用的是碱性电解世界上最早的充电电池之一，镍镉电池，同样使用的是碱性电解质。在质。在 1989 1989 年，镍氢电池（年，镍氢电池（NiMHNiMH）发明，这种电池拥有比镍）发明，这种电池拥有比镍

7、- - 镉镉电池更长的寿命。电池更长的寿命。f这一类电池对于充电过量过热十分敏感，因此充电功率应当控制这一类电池对于充电过量过热十分敏感，因此充电功率应当控制在一个最大功率之下。不过设计精巧的控制器能够使充电速度加快，在一个最大功率之下。不过设计精巧的控制器能够使充电速度加快，我们也就不需要为了充电苦等几个小时了。我们也就不需要为了充电苦等几个小时了。f 充电电池能够多次使用。充电电池的第一次飞跃：锂离子电池f 1980 1980 年，美国物理学教授年，美国物理学教授 John John 发明了一种新型的锂电池。在这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

8、个电极之间。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。 f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。点优势使得它能够以最小的体积提供最高的电压。f而这一点正是锂离子电池的基础。在这种新电池中，锂和过渡金属而这一点正是锂离子电池的基础。在这种新电池中，锂和过渡金属（比如钴，镍，锰以及铁）与氧的化合物作为阴极。在外加电压之后，（比如钴，镍，锰以及铁）与氧的化合物作为阴极。在外加电压之后，再次充电开始，带正电的锂离子从阴极迁移到石墨材料制成的阳极，重再次充电开始，

9、带正电的锂离子从阴极迁移到石墨材料制成的阳极，重新变为金属锂。新变为金属锂。f 因为金属锂有着极强的电化学推动力，所以金属锂极容易被氧化，因为金属锂有着极强的电化学推动力，所以金属锂极容易被氧化，它会迁移至阴极并再次成为锂离子，将外层电子交给过渡金属离子（比它会迁移至阴极并再次成为锂离子，将外层电子交给过渡金属离子（比如钴离子）。在这一循环中的电子移动为我们提供了我们所需的电流如钴离子）。在这一循环中的电子移动为我们提供了我们所需的电流。充电电池的第二次飞跃：纳米技术f 在在 90 90 年代，索尼生产了一种氧化锂钴电池（注：这也是第一款年代，索尼生产了一种氧化锂钴电池（注：这也是第一款商用锂

10、离子电池），但是严重的商用锂离子电池），但是严重的 热逸散热逸散 导致了很多这一型号的导致了很多这一型号的电池着火。如果这一问题无法得到解决，那么为了获得更好的反应活电池着火。如果这一问题无法得到解决，那么为了获得更好的反应活性，使用纳米材料制作电池阴极的设想也就无从谈起了。性，使用纳米材料制作电池阴极的设想也就无从谈起了。f这一次，站出来的依然是这一次，站出来的依然是 John John 教授。他引入了一种由锂、铁以教授。他引入了一种由锂、铁以及磷酸盐构成的新的锂离子电池阴极，这种稳定的电极是电池技术的及磷酸盐构成的新的锂离子电池阴极，这种稳定的电极是电池技术的又一大飞跃。又一大飞跃。f伴随

11、着新电池的不断发展，很多新应用也应运而生。从电动工具伴随着新电池的不断发展，很多新应用也应运而生。从电动工具到混合与电动力汽车，我们都能够找到锂离子电池的影子，或许其中到混合与电动力汽车，我们都能够找到锂离子电池的影子，或许其中最重要的应用，将是为住宅提供家用电能。最重要的应用，将是为住宅提供家用电能。太阳能电池f太阳能电池又称为太阳能电池又称为“太阳能芯片太阳能芯片”或或“光电池光电池”，是一种利用太阳光，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，瞬间就可输出电压及在 有 回 路 的 情 况 下 产 生 电 流 。

12、在 物 理 学 上 称 为 太 阳 能 光 伏在 有 回 路 的 情 况 下 产 生 电 流 。 在 物 理 学 上 称 为 太 阳 能 光 伏（PhotovoltaicPhotovoltaic，photophoto光，光，voltaicsvoltaics伏特，缩写为伏特，缩写为PVPV），简称光伏。），简称光伏。f太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。工作

13、的实施太阳能电池则还处于萌芽阶段。f 太阳能电池太阳能电池在我国的发展f 太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、业、 通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远通信、家用电器以及公用设施等部门，尤其可以分散地在边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。地区、高山、沙漠、海岛和农村使用，以节省造价很贵的输电线路。但是在现阶段，它的成本还很高，发出但是在现阶段，它的成本还很高，发出1kW1kW电需要投资上万美元，因电需要投资上万美元，因此大规模使用仍然受到经济上的限制。此大规模使用仍然受

14、到经济上的限制。f 市场上销售的光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅市场上销售的光伏电池主要是单晶硅为原料生产的。由于单晶硅电池生产能耗大，一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命电池生产能耗大，一些专家认为现有单晶硅电池生产能耗大于其生命周期内捕获的太阳能，是没有价值的。最乐观的估计是需要周期内捕获的太阳能，是没有价值的。最乐观的估计是需要1010年左右年左右时间，使用单晶硅电池所获得的太阳能才能大于其生产所消耗的能量。时间，使用单晶硅电池所获得的太阳能才能大于其生产所消耗的能量。而单晶硅是石英砂经还原，融化后拉单晶得到的。生产过程能耗大，而单晶硅是石英砂经还原，融化后拉单晶得到

15、的。生产过程能耗大，产生的有毒有害物质多，环境污染严重。国外纷纷将其转移到中国生产生的有毒有害物质多，环境污染严重。国外纷纷将其转移到中国生产。我国各地大上单晶硅及单晶硅电池生产线。产。我国各地大上单晶硅及单晶硅电池生产线。f 然而，我们不掌握光伏电池生产技术。单晶硅光伏电池生产技术然而，我们不掌握光伏电池生产技术。单晶硅光伏电池生产技术虽然很成熟，然而还在不断发展，其他各种光伏电池技术也在不断涌虽然很成熟，然而还在不断发展，其他各种光伏电池技术也在不断涌现。光伏电池的成本和光电转换效率离真正市场化还有很大差距，光现。光伏电池的成本和光电转换效率离真正市场化还有很大差距，光伏电池市场主要靠各国

16、政府财政补贴。欧洲市场光伏发电补贴高达每伏电池市场主要靠各国政府财政补贴。欧洲市场光伏发电补贴高达每度电度电1 1元以上。今后，要使光伏电池大规模应用，必须不断改进光伏元以上。今后，要使光伏电池大规模应用，必须不断改进光伏电池效率和生产成本，在这个过程中，生产技术和产品会不断更新换电池效率和生产成本，在这个过程中，生产技术和产品会不断更新换代。其更新换代周期短，仅代。其更新换代周期短，仅3 35 5年。光伏电池生产企业投资大，回收年。光伏电池生产企业投资大，回收周期长，由于技术更新快，国内企业，如果不掌握技术，及时更新技周期长，由于技术更新快，国内企业，如果不掌握技术，及时更新技术，就会很快被

17、淘汰，很可能不能收回投资。术，就会很快被淘汰，很可能不能收回投资。f 但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的但是，从长远来看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。f 科学家研制出来微生物燃料电池科学家研制出来微生物燃料电池 到了今天，生物电池技术正在高速发展到了今

18、天，生物电池技术正在高速发展生物电池生物电池( (bio-fuelbio-fuel cellscells) ) 是指将生物质能直接转化为电能的装置是指将生物质能直接转化为电能的装置( (生物质蕴涵的能量生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的合作用转化而来的) )。从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行

19、生氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。物的能量代谢。 f 一、按场所的不同一、按场所的不同1 1、单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化还原、单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。反应制成的生物电池。2 2、多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原反应、多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。制成的生物电池。3 3、细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原反应、细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。制成的

20、生物电池。 它们的主要差别是反映场所不同。分别是它们的主要差别是反映场所不同。分别是 于生物体内于生物体内 ， 于生物体外于生物体外 以及以及 与生物体细胞外与生物体细胞外 。 f 分类分类 二、按催化剂的来源二、按催化剂的来源1 1、微生物电池、微生物电池 利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能利用微生物将有机物中的化学能直接转化成电能2 2、酶电池、酶电池酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模

21、型线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。 f 用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液，它会产生氨气，以氨气用微生物中的芽孢杆菌来处理尿液，它会产生氨气，以氨气作为微生物电池的电极活性物质，这样既处理了尿液，又得到了电能作为微生物电池的电极活性物质，这样既处理了尿液，又得到了电能。 与传统的化学电池相比，生物电池具有操作上和功能上的优与传统的化学电池相比，生物电池具有操作上和功能上的优势：势：f 1. 1. 它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。（据它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。（据说生物电池的效率近乎说生物电池的效率近乎100%100%）f 2. 2. 不同于现

22、有的生物能处理，生物燃料电池能在常温常压甚至是低不同于现有的生物能处理，生物燃料电池能在常温常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。f 3. 3. 生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳。组分是二氧化碳。f 4. 4. 生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体的生物燃料电池可以直接植入人体f 5. 5. 在缺乏电力基础设施的

23、局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的在缺乏电力基础设施的局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的潜力。潜力。 主要用途主要用途燃料结构燃料结构使用生物燃料电池，使用生物燃料电池，1L1L糖类物质（葡萄糖等）的浓溶液氧化产生的电能可提供糖类物质（葡萄糖等）的浓溶液氧化产生的电能可提供一辆中型汽车行驶一辆中型汽车行驶25-30Km25-30Km，如果汽车的油箱为，如果汽车的油箱为50L50L的话，装满后可连续行的话，装满后可连续行驶驶1000Km1000Km而不需要再补充能源。这样，一方面可以控制因化石燃料燃烧导而不需要再补充能源。这样，一方面可以控制因化石燃料燃烧导致的空气污染问题，另一方面还可避免

24、因发生交通事故而引发的汽油起火致的空气污染问题，另一方面还可避免因发生交通事故而引发的汽油起火燃烧甚至是爆炸。燃烧甚至是爆炸。污水处理污水处理20052005年，美国宾夕法尼亚大学的研究小组宣布，已成功研制一种新型的微生物年，美国宾夕法尼亚大学的研究小组宣布，已成功研制一种新型的微生物电池。可以将未处理过的污水，通过微生物降解，转变为清洁的水和电能。电池。可以将未处理过的污水，通过微生物降解，转变为清洁的水和电能。能量支持能量支持20052005年，日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生物电年，日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生物电池。这样的生物电池可为

25、植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充池。这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量、为心脏起搏器提供能量。足电量、为心脏起搏器提供能量。 f 机器人应用机器人应用20012001年，英国西英格兰大学的科学家们研制出了一种名为年，英国西英格兰大学的科学家们研制出了一种名为“Slugbot”“Slugbot”的的机器人，用于搜捕危害种植业的鼻涕虫放在一容器中，在酶的作用下机器人，用于搜捕危害种植业的鼻涕虫放在一容器中，在酶的作用下将其转化为电能。将其转化为电能。20002000年美国南佛罗里达大学科学家研制出一种可使用肉类食物补充能量的年美国南佛罗里达大学科学家研制出

26、一种可使用肉类食物补充能量的机器人。这种机器人体内装备一块微生物燃料电池，为机器人运动和机器人。这种机器人体内装备一块微生物燃料电池，为机器人运动和工作提供动力。工作提供动力。这种关于机器人的设想还有很多，比如在机器人体内安装一块微生物电池，这种关于机器人的设想还有很多，比如在机器人体内安装一块微生物电池，让机器人和人类一样可以让机器人和人类一样可以“吃饭吃饭”，并将，并将“吃吃”下的食物（或富含能下的食物（或富含能量的东西）通过微生物电池转化成电能提供给机器人。这种技术主要量的东西）通过微生物电池转化成电能提供给机器人。这种技术主要被用于高拟态机器人（与人类有极高相似度的机器人）、野外探险机被用于高拟态机器人（与人类有极高