《电池的科学研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电池的科学研究.doc（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、电池的科学研究电池指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。电池的能量储存有限，电池所能输出的总电荷量叫做它的容量，通常用安培小时作单位，它也是电池的一个性能参数。电池的容量与电极物质的数量有关，即与电极的体积有关。实用的化学电池可以分成两个基本类型：原电池与蓄电池。原电池制成后即可以产生电流，但在放电完毕即被废弃。蓄电池又称为二次电池，使用前须先进行充电，充电后可放电使用，放电完毕后还可以充电再用。蓄电池充电时，电能转换成化学能；放电时，化学能转换成电能。（1）电池的主要原理在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠
2、电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化锰、二氧化铅、氧化镍等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。当外电路断开时，两极之间虽然有电位差(开路电压)，但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内部，由于电解质中不存在自由电
3、子，电荷的传递必然伴随两极活性物质与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移。（2）电池的发展历程在十八世纪的四、五十年代， 发电装置的改善和大气电现象的研究，吸引了物理学家们的广泛兴趣。1745年，普鲁士的克莱斯特利用导线将摩擦所起的电引向装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时，受到猛烈的一击。在这个发现的启发下，莱顿大学的马森布罗克在1746年发明了收集电荷的“莱顿瓶”。1799年，意大利物理学家伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池
4、“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。它成为早期电学实验，电报机的电力来源。1860年，法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池。因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池”。几乎在同时，法国的雷克兰士发明了世界广受使用的电池（碳锌电池）的前身，这就是 “湿电池”。雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜，因此一直到1880年才被改进的“干电池”所取代。干电池是英国人赫勒森在1887年发明的。干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。1890年爱迪生发明了可充电的铁镍电池。1914年爱迪生发明碱性电池。1954年Gerald Pearson, Calvin F
5、uller and Daryl Chapin 开发出太阳能电池。 1970前后一次锂电池实用化。1976年Philips Research的科学家发明镍氢电池。1980前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金。1990前出现角型（口香糖型）电池，太阳能电池板1990前后镍氢电池商业化生产.。1991年Sony.可充电锂离子电池商业化生产。2000后燃料电池，太阳能电池成为全世界瞩目的新能源发展问题的焦点。（3）电池的类别电池的种类很多，常用电池主要是干电池、蓄电池，以及体积小的微型电池。此外，还有金属-空气电池、燃料电池以及其他能量转换电池如太阳电池、温差电池、核电池等。干电池常用的一种干电池是碳锌
6、干电池。负极是锌做的圆筒，内有氯化铵作为电解质，少量氯化锌、惰性填料及水调成的糊状电解质，正极是四周裹以掺有二氧化锰的糊状电解质的一根碳棒。随着科学技术的发展，干电池已经发展成为一个大的家族，到目前为止已经约有100多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池、锌-空气电池、锌-氧化汞电池、锌-氧化银电池、锂-锰电池等。蓄电池蓄电池的种类很多，共同的特点是可以经历多次充电、放电循环，反复使用。铅蓄电池是最为常用的一种电池，其极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸。两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后，正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅，负极处硫酸铅转变成金属铅。放电时，则发生反方向
7、的化学反应。它用填满海绵状铅的铅板作负极，填满二氧化铅的铅板作正极，并用1.28的稀硫酸作电解质。在充电时，电能转化为化学能，放电时化学能又转化为电能。电池在放电时，金属铅是负极，发生氧化反应，被氧化为硫酸铅；二氧化铅是正极，发生还原反应，被还原为硫酸铅。电池在用直流电充电时，两极分别生成铅和二氧化铅。移去电源后，它又恢复到放电前的状态，组成化学电池。铅蓄电池是能反复充电、放电的电池，叫做二次电池。它的电压是2V，通常把三个铅蓄电池串联起来使用，电压是6V。微型电池随着电子元件的小型化，特别是晶体管和集成电路的出现而发展起来的体积小、比能高、工作电压平稳、密封性好、自放电小、可靠性高的电池。俗
8、称纽扣电池。微型电池通常由正极、负极、电解质溶液、隔膜和密装零部件组成。微型电池种类很多，可分为两大类。一类是微型碱性电池，包括氧化银电池、汞电池、锌-空气电池、锌-镍电池、锌-锰电池、镉-镍电池、镉-汞电池等;另一类是微型锂电池。燃料电池燃料电池是一种把燃料在燃烧过程中释放的化学能直接转换成电能的装置。与蓄电池不同之处，是它可以从外部分别向两个电极区域连续地补充燃料和氧化剂而不需要充电。燃料电池由燃料、氧化剂、电极和电解液等四部分构成。其电极具有催化性能，且是多孔结构的，以保证较大的活性面积。工作时将燃料通入负极，氧化剂通入正极，它们各自在电极的催化下进行电化学反应以获得电能。燃料电池的构造
9、涉及化学热力学、电化学、电催化、材料科学、电力系统及自动控制等学科的有关理论。燃料电池效率高，燃料电池发电不经过从热能到机械能再到电能的转换过程，因而没有中间环节的能量损失。它还有重量轻、体积小、比功率高，移动起来比较容易，燃料多样，无污染，工作时振动很小，噪音很低等优点太阳电池太阳电池是把太阳光的能量转换为电能的装置。当日光照射时，产生端电压，得到电流，用于人造卫星、宇宙飞船中的太阳电池是半导体制成的。它可以有效吸收太阳能，并将其转化成电能。太阳能取之不尽用之不完而且环保清洁，在缺少交流电源供电的情况下更有不可替代的作用。太阳能电池和二次充电电池配合使用时可以组成一个独立的不间断直流供电系统
10、，可以为无法提供电源的自动控制设备等负载提供电能。温差电池温差电池是利用温度差异，使热能直接转化为电能的装置。温差电池的材料一般有金属和半导体两种。用金属制成的电池赛贝克效应较小，常用于测量温度、辐射强度等。这种电池一般把若干个温差电偶串联起来，把其中一头暴露于热源，另一个接点固定在一个特定温度环境中，这样产生的电动势等于各个电偶之和。再根据测量的电动势换算成温度或强度。核电池核电池又叫“放射性同位素电池”，它是通过半导体换能器将同位素在衰变过程中不断地放出具有热能的射线的热能转变为电能而制造而成。核电池已成功地用作航天器的电源、心脏起搏器电源和一些特殊军事用途。一般核电池在外形上与普通干电池
11、相似，呈圆柱形。在圆柱的中心密封有放射性同位素源，其外面是热离子转换器或热电偶式的换能器。换能器的外层为防辐射的屏蔽层，最外面一层是金属筒外壳。核电池在衰变时放出的能量大小、速度，不受外界环境中的温度、化学反应、压力、电磁场等的影响。核电池提供电能的同位素工作时间非常长，甚至可能达到5000年。（5）废电池的危害及相应策略当电池内部的化学物质反应完全后，电池再也不能供电了，成了一颗废电池，废电池里含有大量重金属汞、镉、锰、铅等。当废电池日晒雨淋表面皮层锈蚀了，其中的成分就会渗透到土壤和地下水，人们一旦食用受污染的土地生产的农作物或是喝了受污染了的水，这些有毒的重金属就会进入人的体内，慢慢的沉积
12、下来，对人类健康造成极大的威胁！废电池危害如此之大，解决这个问题已势在必行。要解决电池的污染问题，对人类现在来讲，不管是资金还是技术上都存在着困难。所以我们只能降低电池对环境造成的危害。我们首要做的便是将废旧电池回收。对于电池的回收，我们可以采取在街道设置回收箱的形式，或者在社会各地建立废电池回收站，与此同时，我们还要加强人们对电池危害性的认识，形成自觉收集、上交废旧电池的观念和意识。（6）电池的发展趋势现代电池越来越朝着科技化方向发展，燃料电池和太阳能电池有着相当可观的应用前景。燃料电池作为一种新型能源，现在造价还比较高，寿命还不够长，功率还比较小。但是，随着有关研究工作的深入，这些问题将会得到解决。许多科学家认为，在21世纪知识经济时代，燃料电池在能源领域里将占举足轻重的地位。从长远的角度看，随着太阳能电池制造技术的改进以及新的光电转换装置的发明，各国对环境的保护和对再生清洁能源的巨大需求，太阳能电池仍将是利用太阳辐射能比较切实可行的方法，可为人类未来大规模地利用太阳能开辟广阔的前景。总之，电池技术将不断发展，它将在能源领域继续发挥重要的作用，为人类社会的进步添上亮丽的一笔。
