電池的前世今生(2)

1、電池的前世今生公共衛(wèi)生學院公共衛(wèi)生學院 預防醫(yī)學預防醫(yī)學144144班班 組員：陸明皓組員：陸明皓 羅澤延羅澤延 麥偉文麥偉文 莫秋彬莫秋彬 羅文照羅文照 王建英王建英電池是一項偉大的發(fā)明，擁有精彩而悠久的歷史，也將擁有同樣璀璨的未來。自從公元前自從公元前 250 250 年被發(fā)明以來，電池已經走過了一段漫長的旅程年被發(fā)明以來，電池已經走過了一段漫長的旅程。f 電池，從本質上來說，就是一種能夠將儲存的化學能轉化為電能電池，從本質上來說，就是一種能夠將儲存的化學能轉化為電能的設備?；旧希姵鼐褪且粋€小型化學反應器，通過反應產生高能的設備?；旧希姵鼐褪且粋€小型化學反應器，通過反應產生高能電子

2、，用以注入外部設備之中。電子，用以注入外部設備之中。f 電池出現(xiàn)的時間之早超出了我們的想象。電池出現(xiàn)的時間之早超出了我們的想象。1938 1938 年，巴格達博物年，巴格達博物館主任在該博物館的地下室中，找到了現(xiàn)在被稱為館主任在該博物館的地下室中，找到了現(xiàn)在被稱為 巴格達電池巴格達電池 的原始電池。分析表明，這一原始電池可以追溯到公元前的原始電池。分析表明，這一原始電池可以追溯到公元前 250 250 年，年，屬于美索不達米亞文明時期的造物。屬于美索不達米亞文明時期的造物。f 這枚最早的電池引發(fā)了很多的爭論。對于它的用途，人們眾說紛這枚最早的電池引發(fā)了很多的爭論。對于它的用途，人們眾說紛紜，可

3、能的假說包括用于電鍍，止痛或者是人們通過與之接觸時的刺紜，可能的假說包括用于電鍍，止痛或者是人們通過與之接觸時的刺痛感，來產生宗教體驗。痛感，來產生宗教體驗。f 美國發(fā)明家本杰明美國發(fā)明家本杰明 富蘭克林在富蘭克林在 1749 1749 年首次使用了年首次使用了 Battery Battery 這一詞語。當時他使用了一組串聯(lián)的電容器來進行電學實這一詞語。當時他使用了一組串聯(lián)的電容器來進行電學實驗。驗。f真正意義上的現(xiàn)代電池是由意大利物理學家真正意義上的現(xiàn)代電池是由意大利物理學家 Alessandro Volta Alessandro Volta 于于 1800 1800 年發(fā)明的。他通過在一枚

4、銅片和一枚鋅片中間夾上浸有鹽水年發(fā)明的。他通過在一枚銅片和一枚鋅片中間夾上浸有鹽水的布片構筑成一個小單元，再將這些小單元堆疊起來，就得到了的布片構筑成一個小單元，再將這些小單元堆疊起來，就得到了 伏打電堆伏打電堆 。f 導線將電堆的兩端連接起來，就能夠產生穩(wěn)定的電流。每一個小導線將電堆的兩端連接起來，就能夠產生穩(wěn)定的電流。每一個小單元能夠產生單元能夠產生 0.76 0.76 伏特（伏特（V V）的開路電壓。通過將這些小單元串聯(lián)，）的開路電壓。通過將這些小單元串聯(lián)，我們能夠得到電壓相當于每一個小單元電壓的總和。我們能夠得到電壓相當于每一個小單元電壓的總和。 鉛蓄電池是目前已知最持久的電池之一，它

5、發(fā)明于 1859 年，現(xiàn)在仍然用于大多數(shù)內燃機汽車的點火。它也是最早的可重復充電的電池。 f 汽車電池。汽車電池。 一次電池 vs 充電電池f 產生電流之后，有些電池的狀態(tài)無法逆轉，我們將這種電池稱為產生電流之后，有些電池的狀態(tài)無法逆轉，我們將這種電池稱為一次電池。當反應物之一消耗殆盡，這種電池便無法再使用了。一次電池。當反應物之一消耗殆盡，這種電池便無法再使用了。f最常見的一次電池是碳鋅電池。若電解質為堿性，這種電池能更加持最常見的一次電池是碳鋅電池。若電解質為堿性，這種電池能更加持久耐用。這也就是我們通常在超市購買到的堿性電池。久耐用。這也就是我們通常在超市購買到的堿性電池。 f 我們在日

6、常生活中常用的堿性電池我們在日常生活中常用的堿性電池。f 處理一次電池的難度在于，我們不能通過再次充電來回收利用這處理一次電池的難度在于，我們不能通過再次充電來回收利用這些電池。在電池大型化的的今天，回收利用變得愈發(fā)重要，并且頻繁些電池。在電池大型化的的今天，回收利用變得愈發(fā)重要，并且頻繁地更換電池也不具備商業(yè)上的可行性。地更換電池也不具備商業(yè)上的可行性。f世界上最早的充電電池之一，鎳鎘電池，同樣使用的是堿性電解世界上最早的充電電池之一，鎳鎘電池，同樣使用的是堿性電解質。在質。在 1989 1989 年，鎳氫電池（年，鎳氫電池（NiMHNiMH）發(fā)明，這種電池擁有比鎳）發(fā)明，這種電池擁有比鎳

7、- - 鎘鎘電池更長的壽命。電池更長的壽命。f這一類電池對于充電過量過熱十分敏感，因此充電功率應當控制這一類電池對于充電過量過熱十分敏感，因此充電功率應當控制在一個最大功率之下。不過設計精巧的控制器能夠使充電速度加快，在一個最大功率之下。不過設計精巧的控制器能夠使充電速度加快，我們也就不需要為了充電苦等幾個小時了。我們也就不需要為了充電苦等幾個小時了。f 充電電池能夠多次使用。充電電池的第一次飛躍：鋰離子電池f 1980 1980 年，美國物理學教授年，美國物理學教授 John John 發(fā)明了一種新型的鋰電池。在這發(fā)明了一種新型的鋰電池。在這種鋰電池中，鋰能夠在電池中以鋰離子的形式，穿梭于兩

8、個電極之間。種鋰電池中，鋰能夠在電池中以鋰離子的形式，穿梭于兩個電極之間。 f鋰是周期表中最輕的元素之一，同時擁有著極強的電化學勢，這兩鋰是周期表中最輕的元素之一，同時擁有著極強的電化學勢，這兩點優(yōu)勢使得它能夠以最小的體積提供最高的電壓。點優(yōu)勢使得它能夠以最小的體積提供最高的電壓。f而這一點正是鋰離子電池的基礎。在這種新電池中，鋰和過渡金屬而這一點正是鋰離子電池的基礎。在這種新電池中，鋰和過渡金屬（比如鈷，鎳，錳以及鐵）與氧的化合物作為陰極。在外加電壓之后，（比如鈷，鎳，錳以及鐵）與氧的化合物作為陰極。在外加電壓之后，再次充電開始，帶正電的鋰離子從陰極遷移到石墨材料制成的陽極，重再次充電開始，

9、帶正電的鋰離子從陰極遷移到石墨材料制成的陽極，重新變?yōu)榻饘黉?。新變?yōu)榻饘黉?。f 因為金屬鋰有著極強的電化學推動力，所以金屬鋰極容易被氧化，因為金屬鋰有著極強的電化學推動力，所以金屬鋰極容易被氧化，它會遷移至陰極并再次成為鋰離子，將外層電子交給過渡金屬離子（比它會遷移至陰極并再次成為鋰離子，將外層電子交給過渡金屬離子（比如鈷離子）。在這一循環(huán)中的電子移動為我們提供了我們所需的電流如鈷離子）。在這一循環(huán)中的電子移動為我們提供了我們所需的電流。充電電池的第二次飛躍：納米技術f 在在 90 90 年代，索尼生產了一種氧化鋰鈷電池（注：這也是第一款年代，索尼生產了一種氧化鋰鈷電池（注：這也是第一款商用鋰

10、離子電池），但是嚴重的商用鋰離子電池），但是嚴重的 熱逸散熱逸散 導致了很多這一型號的導致了很多這一型號的電池著火。如果這一問題無法得到解決，那么為了獲得更好的反應活電池著火。如果這一問題無法得到解決，那么為了獲得更好的反應活性，使用納米材料制作電池陰極的設想也就無從談起了。性，使用納米材料制作電池陰極的設想也就無從談起了。f這一次，站出來的依然是這一次，站出來的依然是 John John 教授。他引入了一種由鋰、鐵以教授。他引入了一種由鋰、鐵以及磷酸鹽構成的新的鋰離子電池陰極，這種穩(wěn)定的電極是電池技術的及磷酸鹽構成的新的鋰離子電池陰極，這種穩(wěn)定的電極是電池技術的又一大飛躍。又一大飛躍。f伴隨

11、著新電池的不斷發(fā)展，很多新應用也應運而生。從電動工具伴隨著新電池的不斷發(fā)展，很多新應用也應運而生。從電動工具到混合與電動力汽車，我們都能夠找到鋰離子電池的影子，或許其中到混合與電動力汽車，我們都能夠找到鋰離子電池的影子，或許其中最重要的應用，將是為住宅提供家用電能。最重要的應用，將是為住宅提供家用電能。太陽能電池f太陽能電池又稱為太陽能電池又稱為“太陽能芯片太陽能芯片”或或“光電池光電池”，是一種利用太陽光，是一種利用太陽光直接發(fā)電的光電半導體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及直接發(fā)電的光電半導體薄片。它只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及在 有 回 路 的 情 況 下 產 生 電 流 。

12、在 物 理 學 上 稱 為 太 陽 能 光 伏在 有 回 路 的 情 況 下 產 生 電 流 。 在 物 理 學 上 稱 為 太 陽 能 光 伏（PhotovoltaicPhotovoltaic，photophoto光，光，voltaicsvoltaics伏特，縮寫為伏特，縮寫為PVPV），簡稱光伏。），簡稱光伏。f太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應裝置。以光電效應工作的薄膜式太陽能電池為主流，而以光化學效應工作的實施太陽能電池則還處于萌芽階段。工作

13、的實施太陽能電池則還處于萌芽階段。f 太陽能電池太陽能電池在我國的發(fā)展f 太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業(yè)、商業(yè)、農太陽能電池的應用已從軍事領域、航天領域進入工業(yè)、商業(yè)、農業(yè)、業(yè)、 通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠通信、家用電器以及公用設施等部門，尤其可以分散地在邊遠地區(qū)、高山、沙漠、海島和農村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。地區(qū)、高山、沙漠、海島和農村使用，以節(jié)省造價很貴的輸電線路。但是在現(xiàn)階段，它的成本還很高，發(fā)出但是在現(xiàn)階段，它的成本還很高，發(fā)出1kW1kW電需要投資上萬美元，因電需要投資上萬美元，因此大規(guī)模使用仍然受到經濟上的限制。此大規(guī)模使用仍然受

14、到經濟上的限制。f 市場上銷售的光伏電池主要是單晶硅為原料生產的。由于單晶硅市場上銷售的光伏電池主要是單晶硅為原料生產的。由于單晶硅電池生產能耗大，一些專家認為現(xiàn)有單晶硅電池生產能耗大于其生命電池生產能耗大，一些專家認為現(xiàn)有單晶硅電池生產能耗大于其生命周期內捕獲的太陽能，是沒有價值的。最樂觀的估計是需要周期內捕獲的太陽能，是沒有價值的。最樂觀的估計是需要1010年左右年左右時間，使用單晶硅電池所獲得的太陽能才能大于其生產所消耗的能量。時間，使用單晶硅電池所獲得的太陽能才能大于其生產所消耗的能量。而單晶硅是石英砂經還原，融化后拉單晶得到的。生產過程能耗大，而單晶硅是石英砂經還原，融化后拉單晶得到

15、的。生產過程能耗大，產生的有毒有害物質多，環(huán)境污染嚴重。國外紛紛將其轉移到中國生產生的有毒有害物質多，環(huán)境污染嚴重。國外紛紛將其轉移到中國生產。我國各地大上單晶硅及單晶硅電池生產線。產。我國各地大上單晶硅及單晶硅電池生產線。f 然而，我們不掌握光伏電池生產技術。單晶硅光伏電池生產技術然而，我們不掌握光伏電池生產技術。單晶硅光伏電池生產技術雖然很成熟，然而還在不斷發(fā)展，其他各種光伏電池技術也在不斷涌雖然很成熟，然而還在不斷發(fā)展，其他各種光伏電池技術也在不斷涌現(xiàn)。光伏電池的成本和光電轉換效率離真正市場化還有很大差距，光現(xiàn)。光伏電池的成本和光電轉換效率離真正市場化還有很大差距，光伏電池市場主要靠各國

16、政府財政補貼。歐洲市場光伏發(fā)電補貼高達每伏電池市場主要靠各國政府財政補貼。歐洲市場光伏發(fā)電補貼高達每度電度電1 1元以上。今后，要使光伏電池大規(guī)模應用，必須不斷改進光伏元以上。今后，要使光伏電池大規(guī)模應用，必須不斷改進光伏電池效率和生產成本，在這個過程中，生產技術和產品會不斷更新?lián)Q電池效率和生產成本，在這個過程中，生產技術和產品會不斷更新?lián)Q代。其更新?lián)Q代周期短，僅代。其更新?lián)Q代周期短，僅3 35 5年。光伏電池生產企業(yè)投資大，回收年。光伏電池生產企業(yè)投資大，回收周期長，由于技術更新快，國內企業(yè)，如果不掌握技術，及時更新技周期長，由于技術更新快，國內企業(yè)，如果不掌握技術，及時更新技術，就會很快被

17、淘汰，很可能不能收回投資。術，就會很快被淘汰，很可能不能收回投資。f 但是，從長遠來看，隨著太陽能電池制造技術的改進以及新的但是，從長遠來看，隨著太陽能電池制造技術的改進以及新的光光電轉換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)境的保護和對再生清潔能源的巨大電轉換裝置的發(fā)明，各國對環(huán)境的保護和對再生清潔能源的巨大需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為需求，太陽能電池仍將是利用太陽輻射能比較切實可行的方法，可為人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。人類未來大規(guī)模地利用太陽能開辟廣闊的前景。f 科學家研制出來微生物燃料電池科學家研制出來微生物燃料電池 到了今天，生物電池技術正在高速發(fā)展到了今

18、天，生物電池技術正在高速發(fā)展生物電池生物電池( (bio-fuelbio-fuel cellscells) ) 是指將生物質能直接轉化為電能的裝置是指將生物質能直接轉化為電能的裝置( (生物質蘊涵的能量生物質蘊涵的能量絕大部分來自于太陽能，是綠色植物和光合細菌通過光絕大部分來自于太陽能，是綠色植物和光合細菌通過光合作用轉化而來的合作用轉化而來的) )。從原理上來講，生物質能能夠直接轉化為電能主要是因為生從原理上來講，生物質能能夠直接轉化為電能主要是因為生物體內存在與能量代謝關系密切的氧化還原反應。這些物體內存在與能量代謝關系密切的氧化還原反應。這些氧化還原反應彼此影響，互相依存，形成網絡，進行

19、生氧化還原反應彼此影響，互相依存，形成網絡，進行生物的能量代謝。物的能量代謝。 f 一、按場所的不同一、按場所的不同1 1、單步反應型生物電池，指利用生物體內的氧化還原物質發(fā)生氧化還原、單步反應型生物電池，指利用生物體內的氧化還原物質發(fā)生氧化還原反應制成的生物電池。反應制成的生物電池。2 2、多步反應型生物電池，指生物體外的氧化還原物質發(fā)生氧化還原反應、多步反應型生物電池，指生物體外的氧化還原物質發(fā)生氧化還原反應制成的生物電池。制成的生物電池。3 3、細胞型生物電池，指生物體細胞外的氧化還原物質發(fā)生氧化還原反應、細胞型生物電池，指生物體細胞外的氧化還原物質發(fā)生氧化還原反應制成的生物電池。制成的

20、生物電池。 它們的主要差別是反映場所不同。分別是它們的主要差別是反映場所不同。分別是 于生物體內于生物體內 ， 于生物體外于生物體外 以及以及 與生物體細胞外與生物體細胞外 。 f 分類分類 二、按催化劑的來源二、按催化劑的來源1 1、微生物電池、微生物電池 利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能利用微生物將有機物中的化學能直接轉化成電能2 2、酶電池、酶電池酶電池通常使用葡萄糖作為反應原料。酶電池通常使用葡萄糖作為反應原料。普遍使用的以葡萄糖為燃料的酶電池是模仿線粒體的反應機構而制成的，普遍使用的以葡萄糖為燃料的酶電池是模仿線粒體的反應機構而制成的，線粒體是以葡萄糖為燃料的酶電池的理想模

21、型線粒體是以葡萄糖為燃料的酶電池的理想模型。 f 用微生物中的芽孢桿菌來處理尿液，它會產生氨氣，以氨氣用微生物中的芽孢桿菌來處理尿液，它會產生氨氣，以氨氣作為微生物電池的電極活性物質，這樣既處理了尿液，又得到了電能作為微生物電池的電極活性物質，這樣既處理了尿液，又得到了電能。 與傳統(tǒng)的化學電池相比，生物電池具有操作上和功能上的優(yōu)與傳統(tǒng)的化學電池相比，生物電池具有操作上和功能上的優(yōu)勢：勢：f 1. 1. 它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率。（據(jù)它將底物直接轉化為電能，保證了具有高的能量轉化效率。（據(jù)說生物電池的效率近乎說生物電池的效率近乎100%100%）f 2. 2. 不同于現(xiàn)

22、有的生物能處理，生物燃料電池能在常溫常壓甚至是低不同于現(xiàn)有的生物能處理，生物燃料電池能在常溫常壓甚至是低溫的環(huán)境條件下都能夠有效運作，電池維護成本低，安全性強。溫的環(huán)境條件下都能夠有效運作，電池維護成本低，安全性強。f 3. 3. 生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要生物燃料電池不需要進行廢氣處理，因為它所產生的廢氣的主要組分是二氧化碳。組分是二氧化碳。f 4. 4. 生物燃料電池具有生物相容性，利用人體內的葡萄糖和氧為原料生物燃料電池具有生物相容性，利用人體內的葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體的生物燃料電池可以直接植入人體f 5. 5. 在缺乏電力基礎設施的

23、局部地區(qū)，生物燃料電池具有廣泛應用的在缺乏電力基礎設施的局部地區(qū)，生物燃料電池具有廣泛應用的潛力。潛力。 主要用途主要用途燃料結構燃料結構使用生物燃料電池，使用生物燃料電池，1L1L糖類物質（葡萄糖等）的濃溶液氧化產生的電能可提供糖類物質（葡萄糖等）的濃溶液氧化產生的電能可提供一輛中型汽車行駛一輛中型汽車行駛25-30Km25-30Km，如果汽車的油箱為，如果汽車的油箱為50L50L的話，裝滿后可連續(xù)行的話，裝滿后可連續(xù)行駛駛1000Km1000Km而不需要再補充能源。這樣，一方面可以控制因化石燃料燃燒導而不需要再補充能源。這樣，一方面可以控制因化石燃料燃燒導致的空氣污染問題，另一方面還可避免

24、因發(fā)生交通事故而引發(fā)的汽油起火致的空氣污染問題，另一方面還可避免因發(fā)生交通事故而引發(fā)的汽油起火燃燒甚至是爆炸。燃燒甚至是爆炸。污水處理污水處理20052005年，美國賓夕法尼亞大學的研究小組宣布，已成功研制一種新型的微生物年，美國賓夕法尼亞大學的研究小組宣布，已成功研制一種新型的微生物電池?？梢詫⑽刺幚磉^的污水，通過微生物降解，轉變?yōu)榍鍧嵉乃碗娔?。電池?？梢詫⑽刺幚磉^的污水，通過微生物降解，轉變?yōu)榍鍧嵉乃碗娔堋Ｄ芰恐С帜芰恐С?0052005年，日本東北大學研究小組新開發(fā)出一種利用血液中的糖分發(fā)電的生物電年，日本東北大學研究小組新開發(fā)出一種利用血液中的糖分發(fā)電的生物電池。這樣的生物電池可為

25、植入糖尿病患者體內的測定血糖值的裝置提供充池。這樣的生物電池可為植入糖尿病患者體內的測定血糖值的裝置提供充足電量、為心臟起搏器提供能量。足電量、為心臟起搏器提供能量。 f 機器人應用機器人應用20012001年，英國西英格蘭大學的科學家們研制出了一種名為年，英國西英格蘭大學的科學家們研制出了一種名為“Slugbot”“Slugbot”的的機器人，用于搜捕危害種植業(yè)的鼻涕蟲放在一容器中，在酶的作用下機器人，用于搜捕危害種植業(yè)的鼻涕蟲放在一容器中，在酶的作用下將其轉化為電能。將其轉化為電能。20002000年美國南佛羅里達大學科學家研制出一種可使用肉類食物補充能量的年美國南佛羅里達大學科學家研制出

26、一種可使用肉類食物補充能量的機器人。這種機器人體內裝備一塊微生物燃料電池，為機器人運動和機器人。這種機器人體內裝備一塊微生物燃料電池，為機器人運動和工作提供動力。工作提供動力。這種關于機器人的設想還有很多，比如在機器人體內安裝一塊微生物電池，這種關于機器人的設想還有很多，比如在機器人體內安裝一塊微生物電池，讓機器人和人類一樣可以讓機器人和人類一樣可以“吃飯吃飯”，并將，并將“吃吃”下的食物（或富含能下的食物（或富含能量的東西）通過微生物電池轉化成電能提供給機器人。這種技術主要量的東西）通過微生物電池轉化成電能提供給機器人。這種技術主要被用于高擬態(tài)機器人（與人類有極高相似度的機器人）、野外探險機被用于高擬態(tài)機器人（與人類有極高