化学电源的应用与前景

化学电源的应用领域和发展前景

摘要：本文分类列举了目前常见的一次电池、二次电池和燃料电池，从原理和具体应用两方面对其进行了简要的介绍说明，并在此基础上对今后化学电源的发展进行了展望。

关键词：化学电源、工作原理、应用领域、发展前景

一、概述

化学电源是一种能将化学能直接转变为电能的装置，其通过化学反应消耗化学物质，发生化学变化，同时产生电能。化学电源在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用，为社会发展和科技进步做出巨大贡献。

化学电源的历史可追溯到1800年V olta发明的V olta电堆，这种由锌片、铜片和浸有盐水的布片组成的装置由于能够产生连续的电流被认为是人类历史上的第一个化学电源。此后，铅酸电池、锌-空气电池、锌-氯化铵电池等多种化学电源被设计出来并投入实际生产，其中的佼佼者——铅酸电池和干电池分别于1882年和1888年实现商业化，为人类对电能的运用打开了崭新的一页。[1]进入20世纪，以镍氢电池（80年代）和锂电池（90年代）为代表的新型电池更加扩展了电池的应用领域，特别是后者，由于其体积小、比能量高、电流大等特点，被越来越多的应用于各类电子产品，对其的研究热潮一直延续至今。

另一方面，燃料电池作为化学电源的另一分支，早在1801年就有人提出相关理论，但受限于材料等相关学科的发展，一直未能有显著的成就。在上世纪五六十年代，随着航空航天事业的兴起，燃料电池也随之被重视起来并最终实用化。如美国的阿波罗11号登月飞船，使用的就是氢氧燃料电池。近年来由于固体氧化物燃料电池、质子膜交换燃料电池等新型燃料电池的兴起，对燃料电池的研究也越发受到研究人员的重视。

目前经济社会的发展对所使用能源的清洁和可持续性提出了更高的要求，而化学电源由于其对能量的高转化效率和优越的可重复性受到越来越多的关注。特别是在电动汽车方面的应用前景，更是受到全世界研究人员的青睐，其发展前景真正可称得上不可估量。

二、化学电源的简介及其应用

化学电源的种类繁多，大体上可分为一次电池、二次电池（蓄电池）、燃料电池三大类，每一大类中根据电极材料、电解液和隔膜等的差别分为许多种类。以下就每一大类分别列举出几种具有代表性的例子，对其原理和应用加以简介。

一次电池：锌锰电池、一次锂电池、铝空气电池

二次电池：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池

燃料电池：质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池

2.1 一次电池

2.1.1 锌锰电池

1）工作原理

锌锰电池早在1882年就已经研制成功，其电池反应如下所示：

(-) Zn∣NH4Cl，ZnCl2∣MnO2，C (+)

利用这一反应制成的中性锌锰电池即为我们通常所说的干电池。负极为锌失去电子，采

用NH4Cl和ZnCl2作为电解质，正极为MnO2接受电子。但由于使用该反应生产电池的过程中对环境存在污染，制得的电池品质也不尽如人意，后来又开发出了相对环保、性能更加优越的碱性锌锰电池。其反应原理如下所示：

(-) Zn∣KOH∣MnO2(+)

由于采用了KOH的水溶液作为电解液，碱锰电池相较于普通锌锰电池能够大电流持续放电，这也是碱锰电池逐渐取代普通干电池的原因之一。两者的相关特性见下表。

2）具体应用

锌锰电池是所有电池中历史最久远，产业产品技术发展最为成熟者，近年来，锌锰电池除在传统的手电、收音机、遥控器、剃胡刀等领域使用，随着电子产品的急速发展与普及，电池的需求量大增，预计21世纪前20年锌锰电池仍会有较大的发展。可以预见的是，锌锰电池将向着小型化、轻型化和高功率化发展。但不容忽视的是，普通锌锰电池的环保问题已引起全社会的高度关注，废弃电池的回收将随着资源的循环利用被提到议事日程和逐步实施。相较之下，碱性锌锰电池则是民用电池中最有发展前途的产品，其对环境友好特点相较于普通碱锰电池有着明显的优势，在发达国家的锌锰电池产业已达80％碱性化率的今天，我国碱性电池的生产和销售具有极具潜力的发展空间，预计在2010年，我国碱性锌锰电池的产量将超过美国，成为世界上碱锰电池产量最大的国家。[2]

2.1.2 一次锂电池

1）工作原理

一次锂电池通常是指Li/MnO2电池，是以金属锂作为负极的一种化学电源。其电池反应如下所示：

(-) Li∣LiClO4，PC，DME∣MnO2 (C) (+)

（PC—碳酸丙烯酯，DME—二甲氧基乙烷）

其负极发生的反应即为金属锂失去电子生成锂离子，正极则是锂离子与MnO2发生反应，在获得电子后锂离子进入MnO2的晶格当中，形成化合物LiMnO2。

2)具体应用

目前一次锂电池的应用还较为有限，尽管其比能量高达比能量200Wh/kg，相较于其他种类的化学电源有着较大优势。但是由于一次锂电池的负极为金属锂，不能进行充电反复利用，所以目前一次锂电池多为纽扣电池，使用范围也十分有限，通常用于一些小型的电子设备，如电子钟表、遥控器、儿童玩具等。也正因如此，促进了对能够多次使用的锂离子电池的研制，对这一类型的化学电源将在后文进行讨论。

2.1.3 铝空气电池

1）工作原理

铝空气电池的负极是铝合金，在电池放电时被不断消耗，并生成Al(OH)3；正极是多孔性氧电极，跟氢氧燃料电池的氧电极相同，电池放电时，从外界进入电极的氧（空气）发生电化学反应，生成OH-；电解液可分为两种，其一为中性溶液（NaCl或NH4Cl水溶液或海水），另一种是碱性溶液。可以认为铝空气电池是半个燃料电池。电池总的放电反应为：

中性溶液：2Al+1.5O2+3H2O=2Al(OH)3

碱性溶液：2Al+1.5O2+2OH-+3H2O=2 Al(OH)4-

2）具体应用

从目前的研究成果和理论分析来看，铝空气电池具有许多优越的性能，例如比能量高，电池理论比能量可达2290wh/kg，目前实际上已经达到300-400wh/ kg。这一数值远高于当今各种电池的比能量。并且铝空气电池的使用寿命可以达到3-4年，加之铝电极是可以不断更换的，其使用年限更是可以大大延长。同时铝空气电池无毒有害气体，不污染环境，电池反应消耗铝、氧和水，生成Al(OH)3。后者是当今用于污水处理的优异沉淀剂。由于铝空气电池具有诸多的优越性能，使其成为电动车动力电源的有力竞争者。首先，铝空气电池具有300-400wh/kg高比能量，这是上述任何一个竞争对手难以达到的，同时也是电动车行驶距离得以跟汽油车相比的根本保证。其次，铝空气电池可以采取机械式“充电”，只要几分钟就可以方便地更换新的铝电极，使电池“充足电”，又可继续行驶，虽然就其本质而言铝空气电池确实是一次电池，但就补充“燃料”的方便快捷而言，这是任何二次电池做不到的，甚至能够与汽油车相媲美。[3]由于其高比能量，铝空气电池也可以用于潜艇上的能源供应，使用液态氧作为氧化剂，负极铝的利用率高达90%，甚至超过了传统的燃料电池,成为潜艇长时间水下航行时的理想能源。民用方面，移动通信网络和广播电视网络遍布全国各地，中继站起到了极其重要的作用。众多的中继站往往都在无人居住的高山上或林区。当前使用的电源基本上都是阀控式密封铅蓄电池，由于其所处环境难免发生变化，铅蓄电池使用过程中的能量密度无法保证。如果使用铝空气电池进行替换，有其较高的比能量作为保证，可以维持较长时间的使用，保证了供给电能的稳定性。