化学电源的演变历程

侯前进

【中图分类号】G718.5 【文献标识码】B 【文章编号】2095-3089（2014）8 -0212-01

1799年，意大利物理学家伏打使用多组不同的金属片中间夹以湿纸组成的第一个化学电源即“伏打堆”。其化学原理是：由于不同的金属化学活动性不同，活动性强的金属失去电子被氧化；其失去的电子经导线传输到另一活动性弱的金属，湿纸包含的水溶剂里含有的电解质电离生成的阳离子获得电子被还原。这是人类第一次获得了可供实用的持续电流电源，是化学电源最原始的装置。

在伏打电池的基础上，戴维组装了一个特别大的电堆用于实验：他将250对铜锌环交替叠放，铜锌环之间用盐水浸湿的毛毡片隔开，再把所有的铜环和锌环分别用导线连接，然后引出两根电极。戴维然后利用他的巨大电堆产生的强大电流和直流高压开展了一系列的研究。1836年，丹尼尔根据伏打电堆发明了世界上第一个实用电池丹尼尔电池。丹尼尔电池就是将Zn置于ZnSO4溶液中，将Cu置于CuSO4溶液中，并用盐桥或离子膜等方法将两电解质溶液连接的一种原电池。相比于新生期的化学電池雏形“伏打堆”， 丹尼尔电池采用双液加盐桥设计，有效消除了电极极化现象，使得电池能持续提供电流，且更高效更实用。丹尼尔电池没有从根本上改变化学电池工作的原理，但是，丹尼尔电池却从实验室里走出来，进入了更加成熟实用的新的历史阶段。在直流电机发明以前，丹尼尔电池是提供恒稳电流最具有实用价值的化学电源。

在这个历史时期，人们通过化学反应，获得了稳定的直流电源。

其后，化学电源有了长足的发展。

1860年，法国的雷克兰士（George Leclanche）将处于完全流动状态的液体电解质以粘稠不易流动的糨糊替代，发明了碳锌电池。相对于丹尼尔电池中的“湿” 性的电解质溶液，这种电池的电解质载体含水量低，不易流动，不会溢漏，表现出所谓的“干”性。至此，干电池雏形出现。1859年，法国科学家普兰特（R.L.G.Plante）发明了第一块铅酸蓄电池，使得化学电池能够充电放电的反复多次使用；开创了化学电源从一次电池成为二次电池的历史。到目前为止，干电池大约有100多种家族成员，如普通锌-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。

值得一提的化学电池首先应属锂电池。锂电池是目前使用最多锂钮扣电池；锂-二氧化锰电池的反应机理不同于一般电池，其工作原理是：在非水有机溶剂中，负极锂溶解下的锂离子通过电解质迁移进入到MnO2的晶格中，生成MnO2 （Li+）。Mn由+4价还原为+3价，其晶体结构不发生变化。锂电池的放电反应为：

负极反应：Li→Li++e-

正极反应：Mn+4O2 + Li++e-→Mn+3O2 （Li+）

总放电反应：Mn+4O2 +Li→Mn+3O2 （Li+）

1839年，英国的廉姆·格罗夫（WilliamGrove）把2片白金箔插入稀硫酸溶液中，并向其中一端供给氧气，另一端供给氢气；氢气在白金箔电极（负极）失去电子，生成H+，电子经外线路定向流向正极，氧气在正极上获得氢原子失去的电子，生成OH-，在电解质为酸性溶液条件下， 负极反应式为：2H2-4e-==4 H+正极反应式为：O2+ 4 H++4e?== 2H2O。反应过程中，电子的定向流动生成了电流；由于该反应的反应物、产物与氢气在氧气中燃烧的反应物、产物相同；上述电池反应好像氢气在氧气燃烧一样，所以，这种电池在1889年被Mood和Langer冠以燃料电池之名。

与传统电池相比，燃料电池优点主要有：

能量转化效率高 燃料电池是通过燃料与氧化剂的化学反应直接将化学能转变成电能，能量转化效率可高达50%。发电过程中产生的余热还可回收。回收的余热可再用于发电或供暖、供水等，综合效率能达到80%。

环保清洁 燃料电池发电装置中机械部件少、噪声低；化学反应的排出物洁净不会污染环境。

燃料粗放 燃料电池中所使用的可以是天然气、煤气和液化燃料，也可以是甲醇、沼气乃至木柴，这样可拓宽燃料来源，缓解对精细能源的需求。

启动迅速 燃料电池从中断运转到再启动，输电能力回升速度快，并可在短时间内增加和减少电力输出。

组装方便 燃料电池本身为一个“组合体”，所用部件可事先在工厂生产，然后组装；它的体积小，拆装都很方便，这可节省建电站的时间。

无待机状态 与一般化学电源相比，燃料电池更象一个发电装置：当停止向两极输入氧化剂与还原剂时，其电流停止产生，而一般化学电源中，产生电流的物质是预装的，只要是闭合回路，电流即刻产生。