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化學(xué)電源的原理和發(fā)展趨勢

時間:2010-06-15 09:47:55    整理:佚名    []
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化學(xué)電源是一種直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置,習(xí)慣上稱作電池。電池由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜和容器五個部分組成,其中 主要的是正極、負(fù)極和電解質(zhì)三個部分。

一般地,電池放電時,負(fù)極上總是發(fā)生氧化反應(yīng),并放出電子;而正極上總是獲得電子,發(fā)生還原反應(yīng)。但有些電池的反應(yīng),并不都按氧化還原反應(yīng)進(jìn)行,而是以“嵌入--脫嵌”的方式進(jìn)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(jīng)驗(yàn),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(nèi)部卻不斷地進(jìn)行著反應(yīng),使電容量逐漸下降,這種現(xiàn)象通常稱之為電池的自放電。

一、鎳鎘電池

鎳鎘電池的負(fù)極為金屬鎘,正極為三價鎳的氫氧化物NiOOH,電解質(zhì)為氫氧化鉀溶液。電池在放電過程中,負(fù)極鎘被氧化,生成Cd(OH)2;充電時Cd(OH)2還原為Cd。因此,鎘負(fù)極在充放電時的反應(yīng)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(yīng)為:
NiOOH H2O e===Ni(OH)2 OH-

電池在充、放電時,總的反應(yīng)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(nèi)以大約1.0*105Pa的氫分壓穩(wěn)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(jié)式鎳電極一起,以一般鎳鎘電池相同的結(jié)構(gòu)組裝成鎳氫電池。其充放電反應(yīng)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(huán)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(fù)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(fù)極碳的層間去,形成層間化合物。在放電時,則進(jìn)行此反映的可逆反應(yīng)。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(xué)反應(yīng)方程式為:

鋰離子電池結(jié)構(gòu)

鋰離子電池內(nèi)部成螺旋型結(jié)構(gòu),正極與負(fù)極之間由一層具有許多細(xì)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(fù)極采用碳,負(fù)極集流體是銅箔,鋰離子電池的電解液是溶解了LiPF6的有機(jī)體。
鋰離子電池蓋帽上有防爆孔,在內(nèi)部壓力過大的情況下,防爆孔會自動打開泄壓,以防止出現(xiàn)爆炸的現(xiàn)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(fù)性的含元素鋰電極,使其端電壓高達(dá)3.7V,這一電壓是NI/CD或NI/MH電池電壓的3倍。
  3、無污染,環(huán)保型
  4、循環(huán)壽命長
  壽命超過500次
  5、高負(fù)載能力
  鋰離子電池可以大電流連續(xù)放電,從而使這種電池可被應(yīng)用于攝象機(jī)、手提電腦等大功率用電器上。
  6、優(yōu)良的安全性
  由于使用優(yōu)良的負(fù)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(fù)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(xù)地把燃料的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接變成電能的裝置,它由以下主要部件組成:

1、負(fù)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(chǎn)生催化作用,同時把反應(yīng)中產(chǎn)生的電子傳輸?shù)酵怆娐罚ɑ蛘呦葌鬏數(shù)郊靼搴笤傧蛲怆娐穫鬏旊娮樱?br/> 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(chǎn)生催化作用,同時還能從外電路向氧電極的反應(yīng)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(yīng)中所產(chǎn)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(yīng)劑形成隔離作用。

燃料電池 終參加電化學(xué)反應(yīng)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(dāng)兩個電極通過外部負(fù)載相互接通時,將發(fā)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?shù)綒潆姌O催化劑的表面。
3、與此同時,電子通過外電路進(jìn)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(fā)生反應(yīng),生成水分子和電子。
2、電子通過外電路進(jìn)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(yīng)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?shù)綒潆姌O催化層的表面。

太陽能和燃料電池不久將應(yīng)用在掌上電腦上

   電池技術(shù)實(shí)力雄厚的德國弗賴堡Fraunhofer研究所,近日介紹了應(yīng)用太陽能和燃料電池供電的掌上設(shè)備的樣機(jī)。預(yù)計在未來1--3年內(nèi)量產(chǎn)。

  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(xù)數(shù)日在野外作業(yè),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(zhuǎn)換率只有28%。盡管在Fraunbofer研究所的實(shí)驗(yàn)中,太陽能模塊的電力轉(zhuǎn)換率已達(dá)到23.5%,已接近理論限制,但相當(dāng)昂貴和復(fù)雜。該研究所決定以另外開發(fā)中的模塊代替之,此模塊成本低得多,但轉(zhuǎn)換率要低些。

  Fraunhofer研究所展示了采用太陽能電池供電的樣機(jī):一臺卡西歐(Casio)掌上電腦和西門子(Siemens)手機(jī)。在兩臺樣機(jī)上太陽能模塊的電力轉(zhuǎn)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(jī)上,太陽能模塊能產(chǎn)生的1瓦特的電能,足夠應(yīng)付對電池充電了。不過,此模塊成本約100美元,遠(yuǎn)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(fā)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(guān)注。隨著筆記本電腦和掌上電子產(chǎn)品技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對其穩(wěn)定性、使用時間、體積乃至充電次數(shù)、充電時間等方面都提出了更高的要求,而電池技術(shù)也緊隨市場需求,在諸多方面做出了相應(yīng)的改進(jìn)和發(fā)展。

  為減小體積,同時達(dá)到延長使用時間、增加使用次數(shù)、減少記憶效應(yīng)所產(chǎn)生的負(fù)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(xì)化。以鋰離子電池的正極材料為例,目前可細(xì)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(shù)角度上講,目前電池以鋰鈷氧化物為主。為進(jìn)一步提升產(chǎn)品的能源儲備量,技術(shù)層次更高的鋰鎳材料可望在2000年進(jìn)入市場。但由于正極材料對電池自身特性的影響有限,據(jù)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(yīng)做到4~5mm之間,在性能上幾乎已經(jīng)沒有太多的發(fā)展余地。

  從整體上講,發(fā)展替代鋰離子電池的新一代電池已迫在眉睫,而專業(yè)電池生產(chǎn)廠商也在積極進(jìn)行選材和研發(fā)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(fù)極材料直接采用鋰金屬的新型充電電池,其 大特點(diǎn)在于能充分發(fā)揮負(fù)極金屬材料的電池反應(yīng),使新型電池的能源儲備量達(dá)到傳統(tǒng)鋰離子電池的2倍以上,而在放電容量方面,甚至能達(dá)到傳統(tǒng)產(chǎn)品的10倍。聯(lián)想電腦公司一直關(guān)注筆記本電腦專用高效電池的發(fā)展,在投入大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行獨(dú)立研究的同時,與專業(yè)電池廠商保持密切聯(lián)系,努力為中國用戶提供高效、經(jīng)濟(jì)的 新電池技術(shù)。

  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(fù)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(chǎn)廠商正積極尋求解決方案,相信成熟的鋅電池產(chǎn)品將很快問世。----由此可以預(yù)見,在不遠(yuǎn)的將來,無論是筆記本電腦生產(chǎn)廠商還是用戶都將面對更多、更高效和更實(shí)用的選擇,而眾多采用新技術(shù)和新材料的電池的誕生將對今后的電池市場產(chǎn)生革命性的影響。

  在外型上,為適應(yīng)筆記本電腦輕薄短小的發(fā)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(fā)展到軟(光)碟機(jī)抽換形以及鋰高分子聚合體電池等眾多自定義不規(guī)則形狀。各筆記本電腦生產(chǎn)廠商可根據(jù)用戶的需求設(shè)計出更輕、更薄而各方面性能更高的筆記本電腦。如聯(lián)想昭陽近期推出的超便攜式筆記本電腦,因?yàn)椴捎昧?新電池科技,使筆記本電腦的散熱、體積等指標(biāo)都達(dá)到了一個新的水準(zhǔn)。

  據(jù)專家預(yù)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(xiàn)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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