化学电源应用的研究

化学电源的研究姓名：郭来学校：林西一中化学电源应用的研究【摘要】：近些年来，随着能源危机和环境污染的日益加重，使节能减排，发展可再生环境友好和清洁、无污染的低碳能源迅速成为国际研究与开发的热点和重点。

将以新型低碳化学电源相关基础科学问题和关键技术为主要研究方向，着力开展高性能长寿命电池材料及其制备技术、新型关键部件制备技术、智能化电能转化装置集成技术的研发。

【关键词】：化学电池新型化学电源废电池环境污染综合利用能源是人类社会发展的重要物质基础，随着人类社会的进步和生活水平的提高，不仅消耗能量将急剧增加，而且需要提供能量的方式更加多样化。

化学电源作为通过化学反应获得电能的一种装置，不仅种类繁多、形式多样，而且可以是再生性能源，由于它自身的特点，所以有着其它能源所不可替代的重要位置。

化学电源的广泛使用是人类科学技术进步的需要，是人类物质文明提高的需要。

二者的迅速发展也促进化学电源的生产与研究的迅速发展。

【正文】：一、化学电源的起源与发展化学电源又称电池，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。

二、化学电源的特点（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）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。

（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。

三、化学电源的分类一次电源：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。

特点：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。

二次电池：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。

特点：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。

燃料电池：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。

特点：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。

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。

四、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：4.1一次电池朝高容量、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%。

4.2二次电池中，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。

4.3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市场上常见的化学电源有锌锰电池、铅酸蓄电池、镉镍电池、金属氢化物镍电池和锂离子电池。

近年来，由于电子信息技术的突飞猛进，迫切要求电池小型化、轻便化；环境保护要求的高涨，迫切需求新型绿色电池取代含汞和含镉的电池，也迫切需求新型高性能电池作为电动汽车的动力，以消除汽油车所造成的严重大气污染；天然能源资源的日趋耗竭则迫切要求发展新型高效清洁能源。

无汞碱性锌锰电池、金属氢化物镍电池、锂离子电池、燃料电池等是21世纪理想的绿色环保化学电源。

金属氢化物镍电池用储氢合金材料取代镉，消除了对环境的污染，同时具有高倍率放电及快速充电的能力，人们称这种电池为绿色环保电池。

随着高新技术的发展和人们生活水平的提高，锂离子电池制造技术的进步和电池成本的下降，大大加快了现代移动通讯和家用电器的发展速度，并促进了国防军工、电信技术的发展。

燃料电池是一种高效、安静、对环境友好的发电装置，它可以直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。

在环境与能源备受人们关注的今天，燃料电池日益受到各国政府和科技人员的重视，近年来在突破多项关键技术的基础上，燃料电池已逐步得到广泛应用。

质子交换膜燃料电池是未来电动汽车、潜艇的最佳候选电源，且可广泛用作通信中型站后备电源、移动式电源、家用电站、单兵电源，并且可用于航天、航空、水下领域，产品投资收益大，具有广阔的市场应用前景。

从以上不难看出，化学电源不仅在现代军事武器和装备中，而且在国民经济和全球环境保护等各领域中都有着极其重要的地位和作用。

随着生产力与科学技术的快速发展，化学电源的性能不断得到提高，化学电源的原理、技术及应用也促进了电池的研发。

一方面，在实际生产与应用中，原来化学电源的性能得到进一步改进；另一方面，新的化学电源又在不断被研制。

化学电源的发展方兴未艾、前景光明，特别是进入21世纪来，不论是在国内，还是在国外，化学电源均被公认为优先发展的技术，并同信息、能源、环保等重大领域紧密相连，从而极大地推动了“绿色”社会的发展，其意义深远重大。

新型化学电源的研究与开发涉及到电化学体系的反应机理、电极材料、电极制作、电极行为、电池结构、电池装配、电池检测等诸多方面，因而，新型化学电源的研发需要多学科知识交叉融合。

五、化学电源的发展的展望5.1锂电池：无论是民用还是军用，都迫切需要重量轻、体积小、性能高的电源系统。

锂电池的应用十分广泛，不仅在空间计划中使用，而且作为通讯设备、监视装置、电子器件的支持电源，医疗上作为心脏起搏器电源、高级石英手表等都已使用锂电池。

5.2导电高聚物电池：1981年第一个聚乙炔电池面世，采用的是聚乙炔膜正极、锂片负极、LiClO4电解质和碳酸丙二酯为溶剂。

继聚乙炔之后，经研究其它共轭系统聚合物，又发现和制成了几十个可导电的品种，其中聚吡咯、聚噻吩，聚苯胺、聚对苯和聚对亚苯乙烯等，电导率可达100～103Scm-1数量级，环境和化学稳定性比聚乙炔优越得多，从聚合物电池的性能数据看，在电池电动势，电极寿命、放电效率都较高，自放电较低，已经达到或接近实用要求，其质量比能量已超过铅酸蓄电池、镉镍电池等。

5.3液结光伏电池：太阳能是一种取之不尽，用之不渴的能源，它既清洁又廉价，但是人类至今对太阳能的利用却十分有限。

采用半导体的p—n结原理制成的固结太阳能电池，由于其要求半导体纯度很高，而光能转换效率尚不尽人意，只能在特殊场合使用。

假如把比较容易制备的半导体电极(诸多金属氧化物均有半导体性能)插入电解质溶液，在光激发下半导体产生光生空穴(h+)或光生电子，与电解质溶液中离子发生电化学反应而产生电能或转化为其它形式能量，将使光电化学效应在利用太阳能上有所作为。