求化學(xué)電源論文.

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化學(xué)電源研究綜述

一、化學(xué)電源的起源與發(fā)展化學(xué)電源俗稱電池，是將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。世界上第一個(gè)電池(伏打電池)是在1800年由意大利人亞歷山大發(fā)明的。這個(gè)電池由銅片和鋅片交疊而成，中間隔以浸透鹽水的毛呢.1859年，普朗特發(fā)明了鉛酸電池.1881年，富蒙、布魯希制成的涂膏式極板為鉛酸電池奠定了基礎(chǔ).1865年，勒克朗謝發(fā)明了鋅一二氧化錳濕電池.該電池用MnO:作正極，鋅片作負(fù)極，20%氛化錢水溶液作電解液。1886年，勒克朗謝用氛化鋅、石膏粉和水混合而成的糊狀物代替氛化按水溶液，用炭棒代替炭片，將鋅片制作成兼作容器的筒形，鋅筒上部用石膏封口，這就是鋅~錳干電池的最初形式.后人為紀(jì)念勒克朗謝的功績，把鋅一錳電池稱為勒克朗謝電池.189。年，鋅一錳電池投入生產(chǎn)。1910年，將石膏糊狀物致進(jìn)為淀粉凝膠體，一直沿用至今。1901年，美國著名科學(xué)家愛迪生發(fā)明了堿性蓄電池，至此，世界上最重要的三大類電池均相繼誕生，并逐步得到應(yīng)用和投入生產(chǎn).在二戰(zhàn)期間，由于軍事應(yīng)用迅猛增加和新材料的產(chǎn)生，并隨著鋅一錳干電池以乙炔黑代替石墨，以電解錳粉代替天然錳粉，使性能大大提高。由于科研、軍用、民用、航天、環(huán)保等部門不斷提出新的要求，一系列現(xiàn)代新化學(xué)電源相繼誕生，如高性能理離子電池、燃料電池、熱電池、固體電解質(zhì)電池以及無汞錳干電池、鎳電池等。二、化學(xué)電源的特點(diǎn)化學(xué)電源與其他電源(如火力發(fā)電、水力發(fā)電、風(fēng)能、原子能、太陽能等發(fā)電裝置)相比，具有如下顯著的優(yōu)點(diǎn):—能量轉(zhuǎn)換效率高?；瘜W(xué)電源直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，不受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到80%.而其他發(fā)電方法往往要經(jīng)過多種能量轉(zhuǎn)換過程，例如火力發(fā)電，先要把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，再由熱機(jī)將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，最后才由發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。在整個(gè)發(fā)電過程中，每一次能量轉(zhuǎn)換都要損耗能量，而且要受“卡諾循環(huán)”的限制，能量轉(zhuǎn)換效率最高只能達(dá)到40%，一般僅為25%?！ぷ鲿r(shí)不泄漏污染壞境的物質(zhì)，且無噪聲，是比較“干凈”的能源?！粌H能產(chǎn)生電能，還能貯存電能，與其他能源配合使用，組成能源系統(tǒng)。—可制作成各種形狀、大小以及不同電壓和容量的電池?！褂梅奖?，易于攜帶，安全可靠，易于維護(hù)?！稍诟邷?、低溫、高速、失重、振動(dòng)、沖擊等惡劣環(huán)境下工作.—既可長期貯存，又可瞬間啟動(dòng)。三、化學(xué)電源的應(yīng)用化學(xué)電源由于具有以上優(yōu)點(diǎn)，在以下各種領(lǐng)域獲得了極其廣泛的應(yīng)用:—民用方面如生活照明、家用電器、聲象設(shè)備、電子鐘表、電子玩具、電動(dòng)工具、醫(yī)療電子等?！I(yè)方面如無線通訊、郵政電信、便攜電腦、儀器儀表、機(jī)電設(shè)備、礦山機(jī)械、應(yīng)急照明、備用電源等?！煌ǚ矫嫒缁疖?、汽車、吊車、拖拉機(jī)、飛機(jī)、船舶等的啟動(dòng)電源和照明電源，電瓶車、電動(dòng)汽車等的動(dòng)力電源.—軍用方面如坦克、戰(zhàn)車、艦船、潛艇、飛機(jī)、導(dǎo)彈、地雷、魚雷、軍事通信等?！詈椒矫嫒缛嗽煨l(wèi)星、航天飛機(jī)、飛船軌道站等。四、化學(xué)電源的分類1.按活性物質(zhì)在電池中使用的特點(diǎn)分類—活性物質(zhì)只能使用一次的，稱為一次電池或原電池。這種電池在放電時(shí)，活性物質(zhì)不斷消耗，直到電池反應(yīng)不能再進(jìn)行，電池停止工作為止。如鋅一二氧化錳電池、鋅一氧化汞電池、鋅一空氣電池、銼一鹵化物電池‘銼一碘電池等.—活性物質(zhì)可反復(fù)多次使用的，稱為二次電池或蓄電池。這種電池在放電后，可通過充電，使活性物質(zhì)恢復(fù)原來狀態(tài)，以便再次放電。如鉛一酸蓄電池、鎳-福蓄電池、鎳一氫蓄電池、鐵一鎳蓄電池、鋅一銀蓄電池等.—電池在工作時(shí)，需連續(xù)不斷從外部加入活性物質(zhì)的，稱為燃料電池。它象一個(gè)發(fā)電機(jī)，一面不斷加入燃料，一面不停發(fā)電.如氫氧燃料電池、麟燃料電池、甲醉空氣燃料電池等?！姵卦谫A存時(shí)，活性物質(zhì)不與電解質(zhì)直接接觸，或者電解質(zhì)不導(dǎo)電，不發(fā)生電池反應(yīng)，電池不工作，電池在使用時(shí)，只有臨時(shí)加入電解液，或用某種方法使電解液導(dǎo)電(稱為激活，如采用熱方法使電解質(zhì)熔融導(dǎo)電的稱為熱激活)，發(fā)生電池反應(yīng)，電池才開始工作，這種電池稱為儲備電池，如鈣鉻酸鈣電池、鋁化銼二硫化鐵電池、鈣五氧化二釩電池、鎂二氧化鎢電池等。2.按電解液分類有酸性電池(如鉛酸電池等)和堿性電池(如堿性銀電池、鎳鍋電池、鎳氫電池等).3.按活性物質(zhì)分類有錳干電池、水銀電池、氧化銀電池、鉛電池、鎳樹電池、鎳氫電池、鋅鎳電池、鐵鎳電池、鋅銀電池、理電池、銼離子電池等.4.按結(jié)構(gòu)形式分類有圓柱形電池、方形電池、袋式電池、鈕扣電池、密封電池、開口電池等?！?按應(yīng)用領(lǐng)域分類有軍用電池、民用電池、航空電池、空間電池、機(jī)車電池、汽車電池等。‘按使用功能分類有普通電池、安全電池、智能電池等。7.按環(huán)境保護(hù)要求分類有一般電池(均有環(huán)境污染，如水銀電池、錳干電池、鎳鍋電池等)和綠色電池(均無環(huán)境污染，如鎳一氫電他和理電池等.五、化學(xué)電源的發(fā)展動(dòng)向l.一次電池(1)錳干電池是最早的一種一次電池，由于該電池的電能容量較小、使用壽命較短、存在汞污染等缺點(diǎn)，目前正被市場淘汰。(2)堿性錳干電池該類電池采用增強(qiáng)電流強(qiáng)度和延長使用壽命的技術(shù)措施，對性價(jià)比有很大提高，其產(chǎn)量和銷售額與日俱增.日本干電池市場的堿性率已從90年代初期的24%上升到目前的50%，美國干電池市場的堿性率已超過70寫，我國只有3.5%.日本東芝的“堿性1號”具有超強(qiáng)電力、穩(wěn)定愉出、長期保存電力損失<10%和耐漏性高等特點(diǎn).“三洋5號”新堿性電池及其改良品，電流穩(wěn)定在1。。。mA以上，壽命較以往提高了1.5倍。松下“LR6GS號”堿性電池和日立“新堿性第一”干電池，其壽命均提高了2倍。索尼隨身聽配套電池，可長時(shí)間(36h)連續(xù)播放而無需更換電池.(3)敏化銀電池、鋅一空氣電池、銼電池它們的體積能量密度高于錳干電池和堿性電池。銼電池是近20年才發(fā)展起來的，具有高容量、長壽命等特點(diǎn)。(4)鈕扣電池是一次電池中的一個(gè)重要分支，其中水銀電池因污染環(huán)境而禁止生產(chǎn).氧化銀電池多用于手表和照相機(jī).價(jià)格便宜的堿性錳鈕扣電池用于游戲機(jī)和電子計(jì)算器。尋呼機(jī)和助聽器使用容量較大的空氣電池.心臟起搏器使用長壽命的銼電池。2.二次電池(1)鉛酸蓄電池是傳統(tǒng)的可充電電池，因其制造工藝簡單、成熟，原材料來源廣泛，電壓穩(wěn)定，價(jià)格便宜，故具有極強(qiáng)的生命力。廣泛應(yīng)用在各種汽車、列車、船舶、機(jī)床、電話交換機(jī)、衛(wèi)星接收站、微波中繼站、電站等領(lǐng)域。(2)鎳錫電池是一種傳統(tǒng)的可充電電池，具有容量大、壽命長、性能優(yōu)越、品種齊全、免維護(hù)、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。由于該電池中的福對環(huán)境有污染以及重量較重，有記憶效應(yīng)(近來，帶放電功能的充電器的問世對解決記憶效應(yīng)成效明顯)，在多次充電后會(huì)消耗原電池的容量，因此在環(huán)境保護(hù)法律嚴(yán)格限制的地區(qū)和國家以及在要求較高的設(shè)備中，受到限制。鎳福電池應(yīng)用范圍極其廣泛，幾乎適用于所有使用干電池的領(lǐng)域，目前更集中用于筆記本電腦、移動(dòng)電話、照相機(jī)、攝錄一體機(jī)、無線電收音機(jī)、隨身聽、電動(dòng)玩具和電動(dòng)工具等。(3)鎳氫電池是近兒年迅速崛起的新型可充電電池。它具有高能量密度(比鎳福電池高20%)、快速充電、穩(wěn)定放電、耐過沖、耐過放、無環(huán)境污染、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，是一種清潔、高能的綠色電池，但價(jià)格比鎳福電池高20%~30%.其應(yīng)用領(lǐng)域與鎳鍋電池相同。目前，歐洲各國傾向于使用鎳氫電池。(4)銼離子電池銼離子電池于1992年首先由索尼公司商品化生產(chǎn).它具有能量密度大(比鎳氫電池高1.5倍)、放電電壓高(一節(jié)銼離子電池產(chǎn)生3.6V電壓，相當(dāng)于三節(jié)鎳錫或鎳氫電池)、重量輕、薄型結(jié)構(gòu)、放電穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).由于使用了大量價(jià)格昂貴的鉆和鉆化合物，故價(jià)格較高.鏗離子電池在生產(chǎn)過程中存在理金屬電鍍不安全間題，因此生產(chǎn)廠家少，產(chǎn)量低，造成目前供不應(yīng)求、奇貨可居的局面.(5)堿性可充電電池?fù)?jù)報(bào)道，加拿大擁有堿性可充電電池技術(shù)，已向韓國YOCNGI力ONG公司轉(zhuǎn)讓專利，該公司于1996年開始生產(chǎn)。該電他不含鍋、汞等污染元素，有利于環(huán)境保護(hù)，而且價(jià)格低廉，是鎳福電池的理想替代品。六、化學(xué)電源的發(fā)展熱點(diǎn)隨著以信息、通訊、視聽為主導(dǎo)的電子產(chǎn)品設(shè)備的便攜化、無繩化、多功能化，以及對電池提出的電流大、重量輕、體積小、無污染、使用壽命長等要求，各國都在致力發(fā)展新一代電池。其發(fā)展熱點(diǎn)有以下一些方面:—一次電池朝高容量、無水銀、堿性化方向發(fā)展，錳干電池漸趨萎縮，堿錳電池比例逐漸增大.日本干電池堿性化率從199。年的24%增長到1996年的50%?！坞姵刂校嚉浜弯S離子電池將逐漸擠占鎳福電池原有的市場份額，從而打破鎳錫電池一統(tǒng)天下的格局。1992年，索尼公司率先解決銼金屬電鍍安全間題，開始批量生產(chǎn)銼離子電池.可以預(yù)見，在不久的將來，理離子電池將會(huì)找到大幅度降低成本的措施，屆時(shí)，鎳鍋電淪、鎳氫電池和鏗離子電池將形成三足鼎立的大好局面.—新一代智能電池成為電池產(chǎn)業(yè)當(dāng)前研究發(fā)展的方向。智能電池最重要的特征是通過與充電器或與使用電池設(shè)備的接口獲得電池運(yùn)行的信息，使用戶能合理地管理充電和用電時(shí)間.為此，必須在電池或電他組內(nèi)安裝特種功能的IC，或者通過充電器、使用電他的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這種智能。七、電動(dòng)汽車召喚新的化學(xué)電源當(dāng)令汽車工業(yè)高速發(fā)展所引發(fā)的石油能源枯竭和環(huán)境污染是探深困擾人類的兩大優(yōu)患。即使在每輛汽車上裝上尾氣催化處理裝置，將有害氣體排放量降低到1/10，全球每日汽車排放的有害氣體仍高達(dá)數(shù)百萬噸.國際公認(rèn)，解決汽車污染和牙發(fā)汽車用新能源的最佳方案是電動(dòng)汽車。電動(dòng)汽車可在夜間用電低峰時(shí)充電，使電力負(fù)荷日夜得到均衡，因此在相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)，電動(dòng)汽車的增加，無需發(fā)電廠和變電設(shè)備擴(kuò)容。美國加利福尼亞州已立法:從1996年開始，汽車產(chǎn)量中的2腸應(yīng)是電動(dòng)汽車，以后每年增長一個(gè)百分點(diǎn)，并且免除電動(dòng)汽車的一切稅收，以鼓勵(lì)電動(dòng)汽車的發(fā)展。盡管電動(dòng)機(jī)、控制系統(tǒng)、微處理器和輕型材料等都是電動(dòng)汽車研究開發(fā)中必須解決的間題，但決定電動(dòng)汽車性能和價(jià)格的關(guān)鍵卻是化學(xué)電池。電動(dòng)汽車對充電電池的基本要求是高的比能量、比功率，長壽命和合理的價(jià)格。電動(dòng)汽車對充電電池的性能要求見表1和表2。

從表2可見:近期電動(dòng)汽車的電池主要是鉛酸蓄電池，雖然其比能量較低，大功率深充電時(shí)壽命較短，但其價(jià)格便宜，適用于低速、短途車輛。作為中期目標(biāo)可優(yōu)選鎳氫電池.其比能量可滿足中期要求，試驗(yàn)壽命最高可達(dá)1500次。另外可快速充電，穩(wěn)定放電，耐過充過放，無環(huán)境污染。遠(yuǎn)期目標(biāo)可優(yōu)選Na/S和Li/FeO:電池，其性能令人向往，但制造工藝復(fù)雜，價(jià)格較高，電池中有大量鈉和銼，可能引起意外的燃燒和爆炸，目前進(jìn)展不快。另外，離子文換薄膜電池也很有希望作為遠(yuǎn)期目標(biāo)的優(yōu)選對象之一。