化學電源的原理和發展趨勢

化學電源是一種直接把化學能轉變為電能的裝置，習慣上稱作電池。電池由正極、負極、電解質、隔膜和容器五個部分組成，其中 主要的是正極、負極和電解質三個部分。

一般地，電池放電時，負極上總是發生氧化反應，并放出電子；而正極上總是獲得電子，發生還原反應。但有些電池的反應，并不都按氧化還原反應進行，而是以“嵌入--脫嵌”的方式進行。

電池的電容量，常簡稱容量，是指在一定的放電條件下，即在一定的溫度和一定的放電電流下，它所能放出的電量。在恒電流放電情況下，電容量等于工作電流與工作時間之乘積。

電池的自放電。日常生活中，大家都有這樣的經驗，電池放置久了，再用時就感到它的放電性能不如以前好，放置越久，電池的性能越差，容量下降越大，甚至放不出電了。在此期間，雖然電池沒有放出電能，但是在電池內部卻不斷地進行著反應，使電容量逐漸下降，這種現象通常稱之為電池的自放電。

一、鎳鎘電池

鎳鎘電池的負極為金屬鎘，正極為三價鎳的氫氧化物NiOOH,電解質為氫氧化鉀溶液。電池在放電過程中，負極鎘被氧化，生成Cd(OH)2；充電時Cd(OH)2還原為Cd。因此，鎘負極在充放電時的反應為：
Cd 2OH-===Cd(OH)2 2e

在正極上，放電時NiOOH被還原為Ni(OH)2,充電時Ni(OH)2氧化成NiOOH。因此，正極在充放電時的反應為：
NiOOH H2O e===Ni(OH)2 OH-

電池在充、放電時，總的反應式可表式為：

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

二、鎳氫電池

利用金屬間化合物（也稱吸氫合金）的氫化物能在電池工作溫度的范圍內以大約1.0*105Pa的氫分壓穩定存在的特性，研制了金屬氫化物鎳電池。吸氫合金制成的電極稱吸氫電極以（以M.H表示）。吸氫電極和合適的燒結式鎳電極一起，以一般鎳鎘電池相同的結構組裝成鎳氫電池。其充放電反應可用下式表示：

M xNi(OH)2===MHx xNiOOH
式中M表示吸氫合金。鎳氫電池能耐過充電和過放電，具有較高的比能量，是鎳鎘電池比能量的1.5倍，循環壽命也比鎳鎘電池長。

三、鋰離子電池

鋰離子電池的原理
鋰離子電池正極采用鈷酸鋰（LiCoO2），負極采用碳（C）。在充電時，Li 的一部分會從正極中脫出，嵌入到負極碳的層間去，形成層間化合物。在放電時，則進行此反映的可逆反應。以上稱為嵌入和脫嵌的兩個過程是Li－ion電池的工作原理。故電池也稱為“搖椅電池”

其電化學反應方程式為：

鋰離子電池結構

鋰離子電池內部成螺旋型結構，正極與負極之間由一層具有許多細微小孔的薄膜紙隔開。 鋰離子電池的正極采用鈷酸鋰，正極集流體是鋁箔；負極采用碳，負極集流體是銅箔，鋰離子電池的電解液是溶解了LiPF6的有機體。
鋰離子電池蓋帽上有防爆孔，在內部壓力過大的情況下，防爆孔會自動打開泄壓，以防止出現爆炸的現象。　　　

鋰離子電池的性能

１、高能量密度
　　與同等容量的ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ電池相比，鋰離子電池的重量輕，其體積比能量是這兩類電池的１.５～２倍。
　　２、高電壓
　　鋰離子電池使用高電負性的含元素鋰電極，使其端電壓高達３.７Ｖ，這一電壓是ＮＩ／ＣＤ或ＮＩ／ＭＨ電池電壓的３倍。
　　３、無污染，環保型
　　４、循環壽命長
　　壽命超過５００次
　　５、高負載能力
　　鋰離子電池可以大電流連續放電，從而使這種電池可被應用于攝象機、手提電腦等大功率用電器上。
　　６、優良的安全性
　　由于使用優良的負極材料，克服了電池充電過程中鋰枝晶的生長問題，使得鋰離子電池的安全性大大提高。同時采用特殊的可恢復配件，保證了電池在使用過程中的安全性。

四、燃料電池

燃料電池是一種能連續地把燃料的化學能通過電極反應直接變成電能的裝置，它由以下主要部件組成：

1、負極（燃料電極）
它必須為燃料和電解液提供公有的界面，并對燃料的氧化產生催化作用，同時把反應中產生的電子傳輸到外電路（或者先傳輸到集流板后再向外電路傳輸電子）。
2、正極（氧電極）
它必須為氧和電解液提供公有的界面，并對氧的還原產生催化作用，同時還能從外電路向氧電極的反應部位傳輸電子。
3、電解液
它必須能輸送燃料電極和氧電極在電極反應中所產生的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子。
4、隔膜
為了阻止電子在電極間直接傳遞，或是為了貯存電解液，有的燃料電池的電極間裝有隔膜。隔膜必須具有良好的潤濕性，并對兩電極上的氣體反應劑形成隔離作用。

燃料電池 終參加電化學反應的燃料和氧化劑大多是氫和氧。

酸性氫氧燃料電池：兩個催化電極浸在酸性電解液中，兩電極由氣體阻擋層隔開，氫通過燃料電極表面，氧通過氧電極表面，當兩個電極通過外部負載相互接通時，將發生如下過程：

1、氫在燃料電極的有催化劑的一面離解，生成氫離子和電子。
2、氫離子通過電解液和氣體阻擋層傳輸到氫電極催化劑的表面。
3、與此同時，電子通過外電路進入氧電極的催化層。
4、氫離子、電子和氧在氧電極的催化層表面上生成水。

堿性氫氧燃料電池：

1、氫在燃料電極有催化劑的一面發生反應，生成水分子和電子。
2、電子通過外電路進入氧電極的催化層。
3、氧在正極的催化層表面接受電子與水反應生成氫氧根離子。
4、氫氧根離子通過電解液和氣體阻擋層傳輸到氫電極催化層的表面。

太陽能和燃料電池不久將應用在掌上電腦上

　　　電池技術實力雄厚的德國弗賴堡Fraunhofer研究所，近日介紹了應用太陽能和燃料電池供電的掌上設備的樣機。預計在未來1--3年內量產。

　　目前的掌上電腦大都采用蓄電池供電的形式，這種電池需要不斷充電。然而，假如連續數日在野外作業，恐怕很難找到地方對電池充電，這就是充電電池的局限性。而太陽能和燃料電池很好地突破了此局限性。

　　但隨之而來的問題是：必須具備良好的采光條件，而且必須更便宜、更有效率。

　　使用光電的硅模塊有著效率方面的物理限制：轉換率只有28%。盡管在Fraunbofer研究所的實驗中，太陽能模塊的電力轉換率已達到23.5%，已接近理論限制，但相當昂貴和復雜。該研究所決定以另外開發中的模塊代替之，此模塊成本低得多，但轉換率要低些。

　　Fraunhofer研究所展示了采用太陽能電池供電的樣機：一臺卡西歐（Casio）掌上電腦和西門子（Siemens）手機。在兩臺樣機上太陽能模塊的電力轉換率約在20%。

　　在Fraunhofer研究所工作的Christopher Hebling博士說道，在卡西歐掌上電腦樣機上，太陽能模塊能產生的1瓦特的電能，足夠應付對電池充電了。不過，此模塊成本約100美元，遠比普通電池貴。

　　Hebling又說道：“這些太陽能電池模塊效率高，即使在采光不良或囪燈光打照下，也能工作。”

　 筆記本電池的發展趨勢

　電池作為筆記本電腦中的重要組成部分，從誕生起就引起了移動辦公一族的廣泛關注。隨著筆記本電腦和掌上電子產品技術的迅速發展，人們對其穩定性、使用時間、體積乃至充電次數、充電時間等方面都提出了更高的要求，而電池技術也緊隨市場需求，在諸多方面做出了相應的改進和發展。

　　為減小體積，同時達到延長使用時間、增加使用次數、減少記憶效應所產生的負面影響等目的，考慮到電池的成本及使用的安全性，電池在選材上不斷細化。以鋰離子電池的正極材料為例，目前可細分出鋰鈷氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物等眾多原材料。從技術角度上講，目前電池以鋰鈷氧化物為主。為進一步提升產品的能源儲備量，技術層次更高的鋰鎳材料可望在2000年進入市場。但由于正極材料對電池自身特性的影響有限，據專家估計，到2000年時，鋰離子電池的體積能源密度約在400wh/l，同時單顆電池的 小厚度應做到4～5mm之間，在性能上幾乎已經沒有太多的發展余地。

　　從整體上講，發展替代鋰離子電池的新一代電池已迫在眉睫，而專業電池生產廠商也在積極進行選材和研發工作。在有望取代鋰鈷氧化物的新材料中，金屬鋰充電電池備受矚目。金屬鋰充電電池屬于負極材料直接采用鋰金屬的新型充電電池，其 大特點在于能充分發揮負極金屬材料的電池反應，使新型電池的能源儲備量達到傳統鋰離子電池的2倍以上，而在放電容量方面，甚至能達到傳統產品的10倍。聯想電腦公司一直關注筆記本電腦專用高效電池的發展，在投入大量經費進行獨立研究的同時，與專業電池廠商保持密切聯系，努力為中國用戶提供高效、經濟的 新電池技術。

　　空氣鋅電池也是取代鋰鈷氧化物新材料中的佼佼者，它的負極采用鋅，極具特性。目前，空氣鋅電池在自由充電方面還存在一定問題，但廣大電池生產廠商正積極尋求解決方案，相信成熟的鋅電池產品將很快問世。----由此可以預見，在不遠的將來，無論是筆記本電腦生產廠商還是用戶都將面對更多、更高效和更實用的選擇，而眾多采用新技術和新材料的電池的誕生將對今后的電池市場產生革命性的影響。

　　在外型上，為適應筆記本電腦輕薄短小的發展趨勢，電池的外觀由原本單純采用圓形串接、方形串接的長條外觀發展到軟（光）碟機抽換形以及鋰高分子聚合體電池等眾多自定義不規則形狀。各筆記本電腦生產廠商可根據用戶的需求設計出更輕、更薄而各方面性能更高的筆記本電腦。如聯想昭陽近期推出的超便攜式筆記本電腦，因為采用了 新電池科技，使筆記本電腦的散熱、體積等指標都達到了一個新的水準。

　　據專家預測，未來的筆記本電腦在理論上可以做到電池使用時間超過20小時，而整個電池模塊的厚度僅為12.7mm（約為現在的1/2到2/3），同時重量也會大大減輕，使更多的用戶充分享受移動辦公的樂趣。

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