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电池那些事儿

(2019-04-12 12:23:19) 下一个

说起电池,好像每个人都很熟悉,其实细究起来,里头学问还挺大的, 也很有趣!我们每天都给手机充电,以为发电厂发的电是原生的,而电池应该是后出现的附属品。但事实上,电池比电磁发电机出现得早得多,在很长一段时间内,大家所理解的和使用的电,都是化学电池所产生的。

化学电池的原理,就是有个电极,通常是活泼的元素,和周围环境中的东西发生了化学还原反应,在其表面积蓄了多余的电子,有了电势能。这时如果用导线联结这个电极(阴极)和另一个无电子积蓄的电极(阳极),导线里就会出现电流。

有驴友在荒郊野岭迷路,手机没电无法求救,但身边还有几瓶没喝的易拉罐可乐。他剥了根电线往可乐里一插,就成了个简单的化学电池,够打个电话的了。所以有点电池基本知识,关键时刻能救命!

电池的发展,虽然还有很大空间,但迄今为止还是相当的成功,对于一般应用基本是够了。但自从环境问题成为一个急迫的全球性难题后,对电池提出了新的要求。要减低大气的碳排放,改善空气污染,其中最重要的措施,就是减少化石类燃料的使用。要减少汽油柴油机动车的使用,如果只是改用可再生燃料,碳排放并没有减低,因此根本性的措施,是改用电动汽车,这就对电池提出了更高的要求。发电则要更多地依赖风电,太阳能等清洁能源,但这些能源的随机性强,如果没有可靠的电力储存设备,无法成为实用的电力来源。电力储存设备是广义的电池,发展能大规模高效率储存电力的电池,是新能源经济成败的关键!

我们的汽油汽车上的蓄电池,叫铅酸电池,这是很经典的可充电蓄电池,上个世纪初就发明了,一度用铅酸电池驱动的车子还比刚上市的汽油汽车更拉风。就是现在,撑起中国机动车大部分的电动自行车,三轮车也是用的铅酸电池。其构成很简单,就是在硫酸溶液中插两块铅板就成了,但和以上提到的化学电池不一样,只有向其中一个铅板(正极)充电后(加入电子),化学反应才能发生。其化学反应式如下:

   正极: PbO2 + 2e + SO4 2- + 4H+ == PbSO4 + 2H2O  
 负极: Pb -2e + SO4 2- == PbSO4  
 总反应: PbO2 + 2 H2SO4 + Pb == 2 PbSO4 + 2H2O

以后有更多的依据类似原理的蓄电池被发明出来,成了主流的电池种类。锂电池是其中的姣姣者。看看元素周期表,锂在最左侧一族,位置在氢和钠之间,可以想象这是个非常活跃的元素。事实上它也很活跃,如果把金属锂块扔进水里,就会引起大爆炸(这也就是飞机行李中不能带锂电池的原因)。锂的优点是重量轻,电容量大,因此成了主要的便携式电器用电池。电动汽车需要大容量的电池,重量和容积又不能太大,因此锂电池便成了首选。但容易起火爆炸成了锂电池的亟待解决的缺点!

除了化学电池,还有利用其它原理产电蓄电的电池。太阳能电池利用光电效应,核电池利用放射性同位素释放出电子射线(Beta射线)产电,注意了,这和核能发电没半毛关系。还有浓差电池,热差电池等。其中在电动汽车上大有前途的叫燃料电池,通过加入氢,甲烷或氨气等,在反应器内与氧气发生化学反应,出现电子的转移。由于加注这些燃料比较方便,也可携带备用瓶,避免了充电的不足,因此燃料电池是一个很有希望的方向!

电池的另一个大方向是大规模储电。由于电发出来就要马上用掉,否则就会以光速消失。现在使用的最多的是能量转换式储电,如用低谷电,或风电发出来没法及时用掉的电,把水泵到高处,需要时再放水发电。类似的能量转换方式还有:把废弃的矿井充满气体,需要时放气驱动发电机;电驱动沉重的飞轮,需要时利用飞轮的动能驱动发电机;用电制造氢,氨气等含能量物质。也有转换成某种应用的,如用臃余电制冰,代替空调降温;或烧成热水等。

但电化学方法储电也是一个重要的方向。由于目的是大规模储电,便携不用考虑了,而成本倒是一个重要的考量了。有人发展出了非常便宜的电极和电解液材料,蓄电池做的像座山那么大。还有的开发出流动电池,充了电的物质可以流动,就像肾小管的结构,在单位体积内极大增加了储存量和反应面积。现在,有无数公司和科研机构都在研究大规模电池,并已经取得相当的成功。未来,可能出现一种消灭了所有竞争者的超级方案,也可能是这些方法的改进和并行。总之,电池的未来,方兴未艾!

 

 

 

 

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