电池的发明以及电池工业的发展史 电池的发明以及电池工业的发展史

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电池

不管制作这个陶瓶的祖先是否知道静电，可以肯定的是古希腊人绝对知道。

他们知道，如果他们摩擦一块琥珀，他们可以吸引轻的物体。

亚里士多德也知道有磁铁，是一种磁力很强的矿石，可以吸引铁和金属。

1780年的一天，当意大利解剖学家加尔瓦尼解剖青蛙时，他的手拿着不同的金属器具，同时他们不小心碰到了青蛙的大腿。青蛙腿上的肌肉立刻抽动起来，好像受到了电流的刺激，但是只用了一个金属器具去触摸青蛙，却没有这样的反应。

根据加尔瓦尼的说法，这种现象是由动物体内产生的一种电引起的，他称之为“生物电”。

加尔瓦尼在1791年写了一篇关于实验结果的论文，并在学术界发表。

原电池的发现引起了物理学家的极大兴趣，他们试图通过重复实验来找到产生电流的方法。经过多次实验，意大利物理学家伏特认为伽伐尼的“生物电”理论是不正确的，青蛙的肌肉能产生电流可能是因为肌肉中的某种液体在起作用。

为了证明自己的观点，Volt将两种不同的金属片浸泡在各种溶液中进行实验。

发现只要两个金属片中的一个与溶液反应，金属片之间就会产生电流。

1799年，伏特将一块锌板和一块银板浸入盐水中，发现有电流通过连接两种金属的导线。

于是，他把大量浸过盐水的绒布或纸放在锌和银片之间，把它们折平。

当你用手触摸两端时，你会感觉到强烈的电流刺激。

伏特用这种方法成功制造了世界上第一个电池——“伏特电池组”。

这个“伏特堆”其实是一个串联电池组。

它成为早期电学实验和电报的动力来源。

意大利物理学家沃尔特多次重复伽伐尼实验。

作为一名物理学家，他的重点主要是这两种金属，而不是青蛙的神经。

至于加尔瓦尼发现的青蛙腿抽搐现象，他认为这可能与电有关，但他认为青蛙的肌肉和神经中没有电。他推断，电流可能是由两种不同金属之间的接触引起的，与金属是否与活的或死的动物接触无关。

实验表明，只要用硬纸、亚麻布、皮革或其他浸泡在盐水或碱水中的海绵状的东西将两种金属片分开，用金属丝将两种金属片连接起来，不管有没有蛙肌，都会有电流通过。

这说明电不是从青蛙的组织中产生的，青蛙腿的作用只相当于一个非常灵敏的验电器。

1836年，英国的丹尼尔改进了“伏打堆”。

他用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制成了第一个锌铜电池，又称丹尼尔电池，非极化，能保持平衡电流。

自此，去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”相继出现。

然而，这些电池存在电压随着使用时间的延长而降低的问题。

1860年，法国的普朗特发明了以铅为电极的电池。

这种电池的独特之处在于，当电池使用一段时间以降低电压时，可以向其提供反向电流以使电池电压升高。

这种电池被称为“蓄电池”，因为它可以充电和重复使用。

但是无论哪种电池，都需要在两块金属板之间填充液体，所以运输非常不方便，尤其是电池中使用的液体是硫酸，移动时非常危险。

1887年，英国人海勒森发明了最早的干电池。

干电池的电解液呈糊状，不会溢出，携带方便，因此得到了广泛的应用。

把化学能、光能、热能、核能直接转换成电能的装置。

有化学电池、太阳能电池、热电电池、核电池等。

一般来说，电池是指化学电池。

电池的性能参数主要包括电动势、容量、比能和电阻。

电动势等于单位正电荷通过电池内部从负极向正极移动时，电池的非静电力所做的功。

电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。

电池可以输出的总电量是电池的容量，通常以安培小时为单位。

在电池反应中，1 kg反应物产生的电能称为电池的理论比能。

电池的实际比能小于理论比能。

由于电池中的反应物并不都是按照电池反应进行的，电池的内阻也造成电动势下降，所以比能量较高的电池往往被称为高能电池。

电池面积越大，内阻越小。

电池种类繁多，常用的电池主要是干电池、蓄电池和小型微型电池。

此外还有金属-空气体电池、燃料电池等太阳能电池、热电电池、核电池等能量转换电池。

干电池是应用最广泛的化学电池之一。

1865年，法国勒克朗彻在伏打电池的基础上，开发了碳/二氧化锰/氯化铵溶液/锌体系的湿电池。

经过发展，干电池有100多种。

除了锌锰干电池，还有镁锰干电池、锌汞氧化物干电池、锌银氧化物干电池等等。

由于干电池氧化还原反应的可逆性很差，一般无法通过使用后的充电将正负极活性物质恢复到原来的状态，所以干电池也被称为原电池。

最常用的干电池是锌锰干电池，包括粘贴式、纸板式、碱式和叠层式。

粘贴式锌锰干电池由锌罐、电粘贴层、二氧化锰正极、碳棒、铜帽等组成。

最外层是锌管，它既是电池的负极，又是容器，在放电过程中会逐渐溶解；中间是一根可以收集电流的碳棒。这个碳棒的周围是深棕色或黑色二氧化锰粉末和导电材料的混合物，它们与碳棒一起构成电池的正极，也称为碳包。

为避免水分蒸发，干电池上部用石蜡或沥青密封。

锌锰干电池的电极反应为Zn → Zn2++2e

碳棒:

纸板型锌锰干电池是在粘贴型锌锰干电池的基础上改进的。

以70 ~ 100微米的优质牛皮纸为基础，不含金属杂质。牛皮纸表面涂上制备好的浆料，然后干燥制成纸板，以替代糊状锌锰干电池中的糊状电解质层。

纸板锌锰干电池的实际放电容量比普通膏状锌锰干电池高2 ~ 3倍。

标有“高性能”的干电池大部分是纸板。

碱性锌锰干电池电解液由汞齐锌粉、35%氢氧化钾溶液和部分羧甲基纤维素钠糊成。

由于氢氧化钾溶液凝固点低，内阻小，碱性锌锰干电池可以在-20℃工作，大电流放电。

碱性锌锰干电池可充放电40次以上，但充电前不能深度放电，充电期末应严格控制充电电流和电压。

叠层锌锰干电池是由几个扁平的单体电池组成，结构紧凑。

每个单体电池由塑料外壳、锌皮、导电膜、隔膜纸和碳饼组成。

隔膜纸是一种电解质表面有淀粉层的浆纸，附着在锌皮上；横隔膜纸上有炭饼。

隔膜纸和糊干电池的电糊层一样，起到隔离锌皮阴极和碳饼阳极的作用。

叠层锌锰干电池减少了圆柱形糊状干电池串联组合的麻烦。它结构紧凑，体积小，比容量大，但储存寿命短，内阻大，放电电流不宜过大。

蓄电池是一种化学电池，通过充电将电能转化为化学能储存，使用时再将化学能转化为电能释放。

转变的过程是可逆的。

当电池完全放电或部分放电时，新的化合物在两个电极板的表面上形成。此时，如果使用适当的反向电流流入电池，放电过程中形成的化合物可以还原为原始活性物质，以便在下一次放电中重复使用。这个过程叫做充电，即电能以化学能的形式储存在电池中。

电池连接到负载以向外部电路提供电流的过程称为放电。

蓄电池的充放电过程可以重复多次，所以蓄电池又叫二次电池。

根据所用电解液的不同，电池可分为酸性和碱性两类。

根据正负极板，有几种活性物质，如铅电池、镉镍、铁镍、银锌、镉银电池等。

铅电池是酸性电池，后四种是碱性电池。

铅蓄电池由正极板组、负极板组、电解液和容器组成。

充电后正极板为棕色二氧化铅，负极板为灰色蓬松铅。将两块极板置于27% ~ 37%的硫酸水溶液中，极板的铅和硫酸发生化学反应，二价铅正离子转移到电解液中，在负极板上留下两个电子。

由于正负电荷的吸引，铅正离子聚集在负极板周围，而少量二氧化铅在正极板电解液中水分子的作用下渗入电解液，其中二价氧离子与水结合，使二氧化铅分子成为可离解的不稳定物质——氢氧化铅[Pb]。

氢氧化铅由4价铅离子和4个氢氧自由基组成。

4价铅的正离子留在正极板上，使正极板带正电。

因为负极板带负电，所以两块板之间有一定的电位差，这就是电池的电动势。

当外部电路接通时，电流从正极流向负极。

在放电过程中，负极板上的电子通过外部电路不断流向正极板。这时硫酸分子在电解液中电离成氢正离子和硫酸根负离子。在离子电场力的作用下，两个离子分别向正负电极移动。到达负极板后，硫酸根负离子与铅正离子结合形成硫酸铅。

在正极板上，电子与四价铅正电离形成二价铅正离子，二价铅正离子在正极板附近立即与硫酸根负离子结合，形成附着在正极板上的硫酸铅。

铅酸蓄电池正负极板在放电过程中的化学反应如下

随着电池的放电，正负极板都被硫化，而电解液中的硫酸逐渐减少，含水量增加，导致电解液比重下降。在实际使用中，可以通过测量电解液的比重来确定电池的放电程度。

铅蓄电池在正常使用情况下，不应过放电，否则，混有活性物质的硫酸铅细晶体会形成较大的体，不仅增加了极板的电阻，而且使其在充电过程中难以恢复，直接影响蓄电池的容量和寿命。

铅酸电池的充电是放电的逆过程。

充电期间的总化学反应为

铅酸蓄电池因其工作电压稳定、工作温度和电流范围宽、储存性能好、成本低而得到广泛应用。

使用新型铅合金可以提高铅蓄电池的性能。

如果采用铅钙合金作为栅极，可以保证最小的浮动充电电流，减少加水量，延长使用寿命；采用铅锂合金铸造正极板栅可以减少自放电，满足密封的需要。

此外，应逐步将开放式铅蓄电池改为封闭式铅蓄电池，并开发耐酸、防爆、除氢铅蓄电池。

与同等容量的铅酸电池相比，碱性电池体积小、寿命长、能大电流放电，但成本较高。

碱性电池根据极板的活性物质分为铁镍、镉镍、锌银电池等系列。

以镉镍电池为例，碱性电池的工作原理是:电池极板活性物质充电后，正极板为氢氧化镍[Ni3]，负极板为金属镉；放电结束时，正极板变为氢氧化镍(Ni)，负极板变为氢氧化镉(1230∶Cd2 ),电解液多采用氢氧化钾溶液。

在充放电过程中，总

从充放电过程中的化学反应可以看出，电解液只是作为电流的载体，浓度不变，所以只能根据电压的变化来判断

充放电程度。

在充电过程中，氧从正极释放，氢从负极释放。

由于镉镍密封电池负极材料在制造过程中过量，避免了氢气的产生；然而，阳极上产生的氧气由于电化学作用被阴极吸收，从而防止气体积聚在电池内部，从而保证电池在密封条件下的正常运行。

镉镍电池已经有几十年的历史了。最初用作牵引、起动、照明和信号的电源，现在用作内燃机车和飞机起动和点火的电源。

20世纪60年代制造的密封电池被用作人造卫星、便携式电动工具和应急设备的电源。

镍镉电池的改进方向之一是采用双极结构，内阻小，适合脉冲大电流放电，能满足大功率设备的供电需求，另外电极经过压制、烧结和箔化。

金属-空气体电池是以空气体中的氧为正极活性物质，金属为负极活性物质的高能电池。

使用的金属一般是镁、铝、锌、镉、铁等。电解质是水溶液。

其中锌？空气体电池已经成为成熟产品。

金属-空气体电池比能量更高，因为空气体不计入电池重量。

锌？空气体电池的比能量是目前生产的电池中最高的，达到400 W·h/kg。是高性能中功率电池，正在向大功率电池发展。

目前生产的金属-空气体电池主要是原电池。正在开发的二次金属-空气电电池是一种使用更多金属电极的机械可充电电池。

由于金属-空气体电池在运行过程中需要持续供应空气体，因此无法在密封状态或缺少空气体的环境下工作。

此外，电池中的电解液容易受到空气体湿度的影响，导致电池性能下降。空气体中的氧气会通过空气体电极扩散到金属电极，形成腐蚀电池，引起自放电。

燃料电池是一种能与化学原料不断反应，将化学能转化为电能的电解质电池。

当这些化学原料在电池内部发生反应时，必须防止其直接反应，否则会发生化学短路，无法从反应中获得电能。

适用于燃料电池的化学反应主要是燃烧反应，只有氢氧燃料电池进入实用阶段。

氢氧燃料电池因为使用铂作为电极材料，成本太高，所以只用作航天器的电源。

该燃料电池具有转换效率高、比能量高、运行时无噪音、无污染、结构简单的优点。

其他能量转换电池主要有:①太阳能电池。

由半导体制成的将太阳光能量转化为光能的装置。

太阳光照射电池表面时，半导体PN结两侧形成电位差。

其效率超过10%。

②温差电池。

当两种金属连接成一个闭合回路，两个接头保持不同的温度时，回路中就会产生热电电动势，称为热电偶。

当热电偶串联成热电堆时，形成温差电池。

也可以用半导体材料制作，温差效果强。

③核电池。

将核能直接转化为电能的装置称为核电池。

一般来说，它由辐射β射线的放射源、收集这些电子的集电器和绝缘体组成。

放射源的一端因失去负电而变成正极，集流体的一端因负电而变成负极，从而在两个电极之间形成电位差。

这种核电池电压高但电流小