电池基础知识和电池技术历史概要

发表于 2022-9-14 15:48:14
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电池基础知识
电池将储存的化学能直接转化为电能。电池有三个主要组成部分:

(-) 阳极:被氧化,释放电子的负极

(+) 阴极:通过获取电子而被还原的正极

电解质:在电池的阴极和阳极之间提供离子传输机制的介质。它可以是液体或固体。

在最基本的层面上,电池非常简单。事实上,甚至可以用铜便士、镀锌钉(锌)和柠檬或土豆制成原始电池。

电池技术的演进
虽然制造一个简单的电池很容易,但挑战在于制造一个好的电池非常困难。平衡功率、重量、成本和其他因素涉及管理许多权衡,科学家们已经工作了数百年才达到今天的效率水平。

以下是电池多年来如何变化的简要历史:

伏打电堆(1799)

1799 年,意大利物理学家亚历山德罗·伏打创造了第一个可以为电路提供连续电流的电池。伏打电堆使用锌和铜作为电极,用盐水浸泡的纸作为电解质。

他的发明反驳了电只能由生物创造的普遍理论。

丹尼尔·赛尔(1836)
大约 40 年后,一位名叫约翰·弗雷德里克·丹尼尔 (John Frederic Daniell) 的英国化学家创造了一种新电池,可以解决伏打电堆的“氢气泡”问题。先前的问题是,气泡聚集在锌电极的底部,限制了电堆的使用寿命和使用。

1836年发明的丹尼尔电池使用了一个装满硫酸铜溶液的铜锅,再将其浸入一个装满硫酸和锌电极的陶制容器中。

丹尼尔电池的电势成为电压的基本单位,等于一伏。

铅酸(1859)
铅酸电池是第一个可充电电池,由法国物理学家加斯顿·普兰特于 1859 年发明。

铅酸电池在两个方面表现出色:成本非常低,并且还可以提供高浪涌电流。
即使采用当今的技术,这也使得它们适用于汽车启动电机,这也是 2014 年全球铅酸电池销售额达 447 亿美元的部分原因。

镍镉(1899)
1899 年,瑞典的 Waldemar Jungner 发明了镍镉电池。第一个是类似于铅酸电池的“湿电池”,使用液体电解质。

镍镉电池为现代技术铺平了道路,但由于镉的毒性,它们的使用越来越少。NiCd 电池在 1990 年代失去了 80% 的市场份额,被我们今天更熟悉的电池所取代。

碱性电池(1950 年代)
由金霸王和劲量等品牌推广,碱性电池用于从遥控器到手电筒的普通家用设备。它们价格便宜且通常不可充电,但可以通过使用专门设计的电池使其可充电。

现代碱性电池是由加拿大工程师 Lewis Urry 在 1950 年代发明的。在电极中使用锌和锰氧化物,这种电池类型的名称来源于所使用的碱性电解质:氢氧化钾。

全世界已经制造了超过 100 亿个碱性电池。

镍金属氢化物(1989)
与可充电 NiCd 电池类似,NiMH 配方使用吸氢合金代替有毒的镉。这使得它对环境更加安全——它还有助于提高能量密度。

镍氢电池用于电动工具、数码相机和其他一些电子设备。它们还用于早期的混合动力汽车,如丰田普锐斯。

NiMH 的开发跨越了 20 年,由戴姆勒-奔驰和大众汽车公司赞助。第一个商用电池是在 1989 年。

锂离子(1991)
索尼于 1991 年发布了第一款商用锂离子电池。

锂离子电池具有高能量密度,并具有许多针对不同应用的特定阴极配方。

例如,二氧化钴锂 (LiCoO2) 阴极用于笔记本电脑和智能手机,而锂镍钴铝氧化物 (LiNiCoAlO2) 阴极,也称为 NCA,用于特斯拉 Model S 等车辆的电池。

石墨是一种常用的阳极材料,电解质通常是一种悬浮在有机溶剂中的锂盐。

可充电电池谱
有几个因素可能会影响电池的选择,包括成本。

然而,这里有两个最重要的因素决定了充电电池的适合性和使用性:

将比能想象为水箱中的水量。它是一个电池所拥有的总能量。

同时,比功率是水从水箱中倒出的速度。它是电池可以为给定用途提供的电流量。

虽然今天锂离子电池是小工具和电动汽车的主力,但哪些电池对我们的未来至关重要?那个市场有多大?

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