形形色色的电池

形形色色的电池

目前，我们使用的电，很大一部分是从化石燃料煤和石油中的化学能转化而得的。在这种转换过程中，能量的利用率只有10%～40%，而且还造成环境的严重污染。早在1799年，就发明了能使负极和正极活性物质分别进行氧化和还原而使它们的化学能直接转化为电能的电池，后来被通称为化学电源。由于化学电源的能量利用率可高达70%，并具有无噪音、对空气无污染、可做成任意大小、使用方便等优点，所以一直受到很大的重视，并已在国民经济众多的领域获得广泛的应用。近年来发现，城市大气中大约50%的污染是由汽车引起的。因此，世界各国开始大力提倡无污染的电动车，而电动车的关键是要有一种价廉物美的电池，作动力源。研制新型的、能用作电动车动力源的二次电池是目前一个很紧迫的课题。

化学电池分为一次电池、二次电池（又称蓄电池）和燃料电池三种。顾名思义，一次电池是用一次后就废弃的电池，二次电池是在充电后又能使用的电池。严格来讲，燃料电池也属于一次电池，但一般的一次电池的正负极活性物质是固体并放在电池内，用完后不能补充，因而其容量较小，而燃料电池的活性物质是放在电池外储罐中的气体或液体，只要气态或液态的活性物质源源不断地输入燃料电池，电池就连续发电，现在试验中的燃料电池最长的连续发电时间已达4万小时。电池的种类很多，这里只介绍经常使用的和很有发展前途的几种一次和二次电池。

一次电池虽然只使用一次，但由于使用方便和价格低廉而被广泛地使用，特别是用作家用电器的电源，需求量很大，其中最常用的是锌－锰电池，就是常说的干电池。干电池发明至今已有100多年的历史，由于价格便宜而被广泛使用，干电池的负极和正极的活性物质是锌和锰的氧化物，电解液为氯化铵水溶液。其主要缺点是单位重量所能放出的能量小，即比能量小，一个电池不长时间就用完了；另一个缺点是放电电流小。人们发现，当用氢氧化钾水溶液代替氯化铵水溶液做电解液时，电池的比能量和放电电流都能得到提高，因而发展成现在市场上常能见到的碱性锌－锰电池。有人提出了另一种提高电池容量的办法，即用空气中的氧代替锰的氧化物作正极活性物质，并发展成锌－空气电池，这种电池由于氧不必放在电池内而容量大，但由于要用空气中的氧作活性物质，电池不能密闭，电池内的水分就会慢慢地蒸发干而导致电池失效，因此只在一些特殊的场合，如铁路信号、航标灯和无线电通讯等方面使用。增加电池容量的另一个方法是用很轻的金属锂来代替锌，锂电池有较高的电压，但是，由于锂是一种很活泼的金属，在电池的使用过程中，特别是在电池用完丢弃后，万一电池壳破裂，没有完全用完的锂会发生燃烧和爆炸。因此，锂电池的不安全性妨碍了它的大规模使用。

二次电池中，历史最悠久、用量最大、价格最便宜的是铅酸蓄电池，它的负极是金属铅，正极是二氧化铅，电解液为硫酸溶液。但它单位重量的放电容量，即比容量太低，因此一般用作汽车启动电池等，而不适合制成小型电池用于家电设备上。现在科学家们正在努力改进其性能，特别是提高它的容量和充放电的寿命，使其能用作电动车的动力源。这种电池的价格便宜，每千瓦只有40美元，与现有的内燃机价格不相上下。但由于这种电池的容量小，其最大的行程只有100千米，只能用于市内的公共汽车。第二种较广泛使用的二次电池是镉－镍电池，它是由金属镉负极、羟基氧化镍正极和氢氧化钾电解液组成。它的比容量比铅酸蓄电池要高，可制成小型的电池而用于家用电器等小型设备上。另外，它的充放电寿命较长，可充放1千次左右。但它的一个最大的缺点是镉有毒，大量的使用会对环境造成很严重的污染，因此，国际上正逐步淘汰这种电池。与镉－镍电池很相似的另一种电池叫铁－镍电池，除了用金属铁作电池负极外，其他基本上与镉－镍电池相似。铁－镍电池的最大缺点是能量低而只能在一些特定的场合使用。还有一种以金属锌作负极、过氧化银作正极和氢氧化钾溶液作电解液的银－锌蓄电池，这种电池可大电流放电，但充放电只能在150次左右，加上由于用银作电极材料价格高，所以，一般只在导弹、火箭、人造卫星、鱼雷等航天和军事方面使用。

近年来，已研制成一种以储氢材料代替镉作负极的氢－镍电池，这种电池充放电寿命和输出电压与镍－镉电池相当，但避免了使用镉而基本上没有对环境造成污染的问题。另外，由于其比能量比镍－镉电池大很多，因此可用作电动汽车的动力源而备受各国产业界重视。现在，氢－镍电池已投入工业生产，以氢－镍电池为动力的电动车也有小量的生产，但其最大行程也只有150千米左右，而且价格较高，每千瓦要350美元，所以还不能大规模使用。能用作氢－镍电池的储氢材料有很多种，如混合稀土金属与镍的1：5型金属间化合物等。现在这方面的研究还在继续，以期得到性能更好的氢－镍电池。

近年来发展起来的最奇异的电池要算锂离子电池，这与传统的电池的概念完全不同。一般来说，电池之所以能产生电是由于负极和正极活性物质的氧化和还原引起的。但在锂离子电池中，当电池放电时，活性物质锂离子只是从负极迁移到正极而不发生氧化或还原反应，充电时，锂离子也只是发生反向的迁移。虽然，科学家们努力想确证锂离子在正负极材料中存在的状态，以便清楚了解这种电池产生电的机理，但至今还没有定论。锂离子电池的最大优点是容量大，因此，是小型家用电器，如手机等的最佳电源。目前，锂离子电池改进的方向是进一步提高电池的容量、提高电池的充放电电流和降低电池的价格。这与电池的电极材料有很大的关系，因此，现在锂离子电池研究的热点是寻找新型的性能优良的正负极材料。目前常用的负极材料是石墨化碳，正极材料是钴酸锂。另一个研究的热点是电解液，目前一般用有机电解液，发展的方向是用固体电解质。当然，电池的价格也是一个很大的问题，特别是如要想把锂离子电池用作电动车电源，目前每千瓦1500美元的价格是绝对不行的。