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    电池发展史:电池的前世与今生
    发布时间: 2019-03-22 14:19:04 | 444 次浏览

          电池在我们今天的生活中无处不在,以至于几乎被我们忽视。然而,它们却是漫长而传奇历史中的一项卓越发明,而且它们也拥有同样精彩的未来。

      电池实际上是一个将储存的化学能转化成电能的装置。基本上,电池是小型化学反应器,随着化学反应产生高能电子,时刻准备流向外部设备。

      电池已经伴随了我们相当长的时间。1938年巴格达博物馆主任在博物馆地下室发现了一个电池,现在被称为“巴格达电池”。据分析它的起源时间和地点可以追溯到公元前250年的美索不达米亚。

      关于这个最早的电池学术界存在不少争议,它的具体用途也包括电镀,缓解疼痛或一种宗教惩罚等不同说法。

      美国科学家和发明家本杰明·富兰克林在1749年用一组串联电容进行电力实验时首次使用了“电池”这个术语。

      第一个真正意义上的电池是由意大利物理学家亚历山德罗·伏特在1800年发明的。伏特将圆形的铜片和锌片相间地叠起来,每一对铜、锌片之间隔以盐水浸湿的麻布片。

      这时只要用两条金属线与任何两种金属接触时就会产生连续稳定的电流。每个单元(一组铜片、锌片和盐水)产生0.76伏特。把一组组的单元堆积起来,会获得成倍的电量。

      历史最悠久的电池之一是1859年发明的铅酸电池,今天启动大部分内燃机汽车仍然采用这项技术。它是充电电池最古老的例子。

      今天的电池尺寸多样,大到用于太阳能发电厂或变电站存储能源的保证整个村庄或岛屿供电的大型兆瓦尺寸,小到用于电子表的微型电池。

      电池是基于不同的化学物质,这些物质产生的电池电压一般在1-3.6V范围。串联电池增大电压,并联则增加电流。这个原理用来达到所需的电流和电压,一直到兆瓦的尺寸。

      电池是如何工作的?

      电池放电时内部物质发生化学反应产生电能。一个产生电子的化学反应例子是,氧化铁产生铁锈。铁与氧气发生反应,电子与氧发生转移生成氧化铁。

      电池的标准制造是使用具有不同电极电势的两种金属或化合物,并将它们用一个多孔绝缘体分隔开。电极电势是存储在原子和化合物中的能量,当具有可用的外部设备连接时,实现电子的转移。

      导电流体如盐水和用于传输可溶性离子的水溶液在化学反应中从一个金属流向另一个金属,被称为电解质

      在放电过程中失去电子的金属或化合物叫做阴极,接收电子的金属或化合物叫阳极。通过外部连接实现电子从阳极到阴极的流动就是我们用来运转我们的电子设备。

      原电池和充电电池

      产生电子流的化学反应过程不可逆的称为原电池。反应物一次放电后电池容量耗尽。

      最常见的原电池是碳锌电池。当电解液是碱时,电池的持续时间更长。我们从超市买的都是碱性电池。

      处理这些原电池的挑战是找到重复利用它们的办法。当使用的电池数量越来越多而且经常替换它们非常不经济时,处理它们就变得更加重要。

      最早的可充电电池,镍镉电池(NiCd),也使用碱作为电解液。1989年开发除了镍氢电池(NiMH),它比镍镉电池寿命更长。

      这些类型的电池对于充电过程中的过度充电和过热非常敏感,因此充电率被控制在最大充电率之下。

      复杂控制器可以加速充电过程,不需要花费数个小时来充电。

      大多数简单的充电器,充电过程需要一夜时间。

      便携式应用,如手机和笔记本电脑,一直在寻觅存贮量大体积小的充电装置。这虽然增加了剧烈放电的风险,但是可以通过手机电池中电流限制器来进行控制。

    第一次飞跃:锂电池

      新技术往往需要更紧凑、高容量,更安全的充电电池。

      1980年美国物理学家John Goodenough教授发明了新型锂电池,锂(Li)可以通过电池从一个电极迁移到另一个电极形成Li+离子形态。

      锂是元素周期表中最轻的化学元素之一,具有最大的电化电势,因此这样的组合可以在最紧凑和最轻的体积下产生最大的电压。

      这是锂离子电池的基础。在这个新的电池中结合了过渡金属,如钴、镍、锰、铁和氧形成了阴极。在充电产生电压时,带正电的锂离子从阴极迁移到石墨阳极成为金属锂。

      由于锂具有很强的被氧化的电化学驱动力,如果条件允许的话,它会回到阴极再次成为锂离子形态并释放出电子重回钴离子状态。这种电路中的电子运动就可以被我们当做电流加以利用。

      第二次飞跃:纳米技术

      由于锂离子电池中存在过渡金属,电池的电容量较高,也因此更具活性容易出现热失控现象。

      索尼公司在上世纪90年代制造的锂钴氧化物(LiCoO2)电池例子中,发生了多起起火事件。用纳米材料制作电池阴极,使得电池更具活性有可能导致事故发生。

      但在上世纪90年代,Goodenough再一次引发了电池技术飞跃,通过引入锂铁磷酸盐用于制作稳定的锂离子阴极。

      该阴极具备热稳定性。这也意味着纳米磷酸铁锂(LiFePO4)或磷酸铁锂(LFP)材料现在可以安全地用于大型电池领域而且可以快速充电和放电。

      这些新电池有了许多新的应用,从电动工具到混合电动汽车。也许最重要的应用将是国内家庭的电力存储。

      电动汽车

      为汽车制造这种新电池格式的领导者是特斯拉电动汽车公司,这家企业计划建设一个“Giga-plants”用于电池的生产。

      特斯拉Model S的锂电池组的容量能达到让人惊讶的85kWh。

      这已经足够一个国内家庭的用电需要了,这也就是为什么大家对特斯拉创始人Elon Musk最近揭晓的产品有如此多的猜测。

      模块化的电池设计可能创造电池模式的互换性,既适用于汽车也可用于家庭应用,无需重新设计和制造。

      也许我们能够见证由不起眼的电池驱动的能量生产和存储的下一代技术变迁。


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