化学电源的原理和发展趋势

 

 

化学电源是一种直接把化学能转变为电能的装置，习惯上称作电池。电池由正极、负极、电解质、隔膜和容器五个部分组成，其中 主要的是正极、负极和电解质三个部分。

    一般地，电池放电时，负极上总是发生氧化反应，并放出电子；而正极上总是获得电子，发生还原反应。但有些电池的反应，并不都按氧化还原反应进行，而是以“嵌入--脱嵌”的方式进行。

    电池的电容量，常简称容量，是指在一定的放电条件下，即在一定的温度和一定的放电电流下，它所能放出的电量。在恒电流放电情况下，电容量等于工作电流与工作时间之乘积。

    电池的自放电。日常生活中，大家都有这样的经验，电池放置久了，再用时就感到它的放电性能不如以前好，放置越久，电池的性能越差，容量下降越大，甚至放不出电了。在此期间，虽然电池没有放出电能，但是在电池内部却不断地进行着反应，使电容量逐渐下降，这种现象通常称之为电池的自放电。

     一、镍镉电池

     镍镉电池的负极为金属镉，正极为三价镍的氢氧化物NiOOH,电解质为氢氧化钾溶液。电池在放电过程中，负极镉被氧化，生成Cd(OH)2；充电时Cd(OH)2还原为Cd。因此，镉负极在充放电时的反应为：
     Cd+2OH-===Cd(OH)2+2e

     在正极上，放电时NiOOH被还原为Ni(OH)2,充电时Ni(OH)2氧化成NiOOH。因此，正极在充放电时的反应为：
                   NiOOH+H2O+e===Ni(OH)2+OH-

     电池在充、放电时，总的反应式可表式为：

                   2NiOOH+Cd+2H2O===2Ni(OH)2+Cd(OH)2

     二、镍氢电池

     利用金属间化合物（也称吸氢合金）的氢化物能在电池工作温度的范围内以大约1.0*105Pa的氢分压稳定存在的特性，研制了金属氢化物镍电池。吸氢合金制成的电极称吸氢电极以（以M.H表示）。吸氢电极和合适的烧结式镍电极一起，以一般镍镉电池相同的结构组装成镍氢电池。其充放电反应可用下式表示：

                M+xNi(OH)2===MHx+xNiOOH
式中M表示吸氢合金。镍氢电池能耐过充电和过放电，具有较高的比能量，是镍镉电池比能量的1.5倍，循环寿命也比镍镉电池长。

     三、锂离子电池

锂离子电池的原理
    锂离子电池正极采用钴酸锂（LiCoO2），负极采用碳（C）。在充电时，Li+的一部分会从正极中脱出，嵌入到负极碳的层间去，形成层间化合物。在放电时，则进行此反映的可逆反应。以上称为嵌入和脱嵌的两个过程是Li－ion电池的工作原理。故电池也称为“摇椅电池”

其电化学反应方程式为：

锂离子电池结构

锂离子电池内部成螺旋型结构，正极与负极之间由一层具有许多细微小孔的薄膜纸隔开。 锂离子电池的正极采用钴酸锂，正极集流体是铝箔；负极采用碳，负极集流体是铜箔，锂离子电池的电解液是溶解了LiPF6的有机体。
锂离子电池盖帽上有防爆孔，在内部压力过大的情况下，防爆孔会自动打开泄压，以防止出现爆炸的现象。　　　

锂离子电池的性能

１、高能量密度
　　与同等容量的ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ电池相比，锂离子电池的重量轻，其体积比能量是这两类电池的１.５～２倍。
　　２、高电压
　　锂离子电池使用高电负性的含元素锂电极，使其端电压高达３.７Ｖ，这一电压是ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ电池电压的３倍。
　　３、无污染，环保型
　　４、循环寿命长
　　寿命超过５００次
　　５、高负载能力
　　锂离子电池可以大电流连续放电，从而使这种电池可被应用于摄象机、手提电脑等大功率用电器上。
　　６、优良的安全性
　　由于使用优良的负极材料，克服了电池充电过程中锂枝晶的生长问题，使得锂离子电池的安全性大大提高。同时采用特殊的可恢复配件，保证了电池在使用过程中的安全性。

     四、燃料电池

    燃料电池是一种能连续地把燃料的化学能通过电极反应直接变成电能的装置，它由以下主要部件组成：

    1、负极（燃料电极）
    它必须为燃料和电解液提供公有的界面，并对燃料的氧化产生催化作用，同时把反应中产生的电子传输到外电路（或者先传输到集流板后再向外电路传输电子）。
    2、正极（氧电极）
    它必须为氧和电解液提供公有的界面，并对氧的还原产生催化作用，同时还能从外电路向氧电极的反应部位传输电子。
    3、电解液
    它必须能输送燃料电极和氧电极在电极反应中所产生的离子，并能阻止电极间直接传递电子。
    4、隔膜
    为了阻止电子在电极间直接传递，或是为了贮存电解液，有的燃料电池的电极间装有隔膜。隔膜必须具有良好的润湿性，并对两电极上的气体反应剂形成隔离作用。

    燃料电池 终参加电化学反应的燃料和氧化剂大多是氢和氧。

    酸性氢氧燃料电池：两个催化电极浸在酸性电解液中，两电极由气体阻挡层隔开，氢通过燃料电极表面，氧通过氧电极表面，当两个电极通过外部负载相互接通时，将发生如下过程：

    1、氢在燃料电极的有催化剂的一面离解，生成氢离子和电子。
    2、氢离子通过电解液和气体阻挡层传输到氢电极催化剂的表面。
    3、与此同时，电子通过外电路进入氧电极的催化层。
    4、氢离子、电子和氧在氧电极的催化层表面上生成水。

    碱性氢氧燃料电池：

    1、氢在燃料电极有催化剂的一面发生反应，生成水分子和电子。
    2、电子通过外电路进入氧电极的催化层。
    3、氧在正极的催化层表面接受电子与水反应生成氢氧根离子。
    4、氢氧根离子通过电解液和气体阻挡层传输到氢电极催化层的表面。

太阳能和燃料电池不久将应用在掌上电脑上

　　　电池技术实力雄厚的德国弗赖堡Fraunhofer研究所，近日介绍了应用太阳能和燃料电池供电的掌上设备的样机。预计在未来1--3年内量产。

　　目前的掌上电脑大都采用蓄电池供电的形式，这种电池需要不断充电。然而，假如连续数日在野外作业，恐怕很难找到地方对电池充电，这就是充电电池的局限性。而太阳能和燃料电池很好地突破了此局限性。

　　但随之而来的问题是：必须具备良好的采光条件，而且必须更便宜、更有效率。

　　使用光电的硅模块有着效率方面的物理限制：转换率只有28%。尽管在Fraunbofer研究所的实验中，太阳能模块的电力转换率已达到23.5%，已接近理论限制，但相当昂贵和复杂。该研究所决定以另外开发中的模块代替之，此模块成本低得多，但转换率要低些。

　　Fraunhofer研究所展示了采用太阳能电池供电的样机：一台卡西欧（Casio）掌上电脑和西门子（Siemens）手机。在两台样机上太阳能模块的电力转换率约在20%。

　　在Fraunhofer研究所工作的Christopher Hebling博士说道，在卡西欧掌上电脑样机上，太阳能模块能产生的1瓦特的电能，足够应付对电池充电了。不过，此模块成本约100美元，远比普通电池贵。

　　Hebling又说道：“这些太阳能电池模块效率高，即使在采光不良或囱灯光打照下，也能工作。”

　                         笔记本电池的发展趋势

  　电池作为笔记本电脑中的重要组成部分，从诞生起就引起了移动办公一族的广泛关注。随着笔记本电脑和掌上电子产品技术的迅速发展，人们对其稳定性、使用时间、体积乃至充电次数、充电时间等方面都提出了更高的要求，而电池技术也紧随市场需求，在诸多方面做出了相应的改进和发展。

　　为减小体积，同时达到延长使用时间、增加使用次数、减少记忆效应所产生的负面影响等目的，考虑到电池的成本及使用的安全性，电池在选材上不断细化。以锂离子电池的正极材料为例，目前可细分出锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物等众多原材料。从技术角度上讲，目前电池以锂钴氧化物为主。为进一步提升产品的能源储备量，技术层次更高的锂镍材料可望在2000年进入市场。但由于正极材料对电池自身特性的影响有限，据专家估计，到2000年时，锂离子电池的体积能源密度约在400wh/l，同时单颗电池的 小厚度应做到4～5mm之间，在性能上几乎已经没有太多的发展余地。

　　从整体上讲，发展替代锂离子电池的新一代电池已迫在眉睫，而专业电池生产厂商也在积极进行选材和研发工作。在有望取代锂钴氧化物的新材料中，金属锂充电电池备受瞩目。金属锂充电电池属于负极材料直接采用锂金属的新型充电电池，其 大特点在于能充分发挥负极金属材料的电池反应，使新型电池的能源储备量达到传统锂离子电池的2倍以上，而在放电容量方面，甚至能达到传统产品的10倍。联想电脑公司一直关注笔记本电脑专用高效电池的发展，在投入大量经费进行独立研究的同时，与专业电池厂商保持密切联系，努力为中国用户提供高效、经济的 新电池技术。

　　空气锌电池也是取代锂钴氧化物新材料中的佼佼者，它的负极采用锌，极具特性。目前，空气锌电池在自由充电方面还存在一定问题，但广大电池生产厂商正积极寻求解决方案，相信成熟的锌电池产品将很快问世。----由此可以预见，在不远的将来，无论是笔记本电脑生产厂商还是用户都将面对更多、更高效和更实用的选择，而众多采用新技术和新材料的电池的诞生将对今后的电池市场产生革命性的影响。

　　在外型上，为适应笔记本电脑轻薄短小的发展趋势，电池的外观由原本单纯采用圆形串接、方形串接的长条外观发展到软（光）碟机抽换形以及锂高分子聚合体电池等众多自定义不规则形状。各笔记本电脑生产厂商可根据用户的需求设计出更轻、更薄而各方面性能更高的笔记本电脑。如联想昭阳近期推出的超便携式笔记本电脑，因为采用了 新电池科技，使笔记本电脑的散热、体积等指标都达到了一个新的水准。

　　据专家预测，未来的笔记本电脑在理论上可以做到电池使用时间超过20小时，而整个电池模块的厚度仅为12.7mm（约为现在的1/2到2/3），同时重量也会大大减轻，使更多的用户充分享受移动办公的乐趣。