摘要：本文分类列举了目前常见的一次电池、二次电池和燃料电池，从原理和具体应用两方面对其进行了简要的介绍说明，并在此基础上对今后化学电源的发展进行了展望。 关键词：化学电源、工作原理、应用领域、发展前景
一、概述
化学电源是一种能将化学能直接转变为电能的装置，其通过化学反应消耗化学物质，发生化学变化，同时产生电能。化学电源在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用，为社会发展和科技进步做出巨大贡献。
化学电源的历史可追溯到1800年Volta发明的Volta电堆，这种由锌片、铜片和浸有盐水的布片组成的装置由于能够产生连续的电流被认为是人类历史上的第一个化学电源。此后，铅酸电池、锌-空气电池、锌-氯化铵电池等多种化学电源被设计出来并投入实际生产，其中的佼佼者——铅酸电池和干电池分别于1882年和1888年实现商业化，为人类对电能的运用打开了崭新的一页。[1]进入20世纪，以镍氢电池（80年代）和锂电池（90年代）为代表的新型电池
更加扩展了电池的应用领域，特别是后者，由于其体积小、比能量高、电流大等特点，被越来越多的应用于各类电子产品，对其的研究热潮一直延续至今。
另一方面，燃料电池作为化学电源的另一分支，早在1801年就有人提出相关理论，但受限于材料等相关学科的发展，一直未能有显著的成就。在上世纪五六十年代，随着航空航天事业的兴起，燃料电池也随之被重视起来并最终实用化。如美国的11号登月飞船，使用的就是氢氧燃料电池。近年来由于固体氧化物燃料电池、质子膜交换燃料电池等新型燃料电池的兴起，对燃料电池的研究也越发受到研究人员的重视。 目前经济社会的发展对所使用能源的清洁和可持续性提出了更高的要求，而化学电源由于其对能量的高转化效率和优越的可重复性受到越来越多的关注。特别是在电动汽车方面的应用前景，更是受到全世界研究人员的青睐，其发展前景真正可称得上不可估量。
二、化学电源的简介及其应用
化学电源的种类繁多，大体上可分为一次电池、二次电池（蓄电池）、燃料电池三大类，每一大类中根据电极材料、电解液和隔膜等的差别分为许多种类。以下就每一大类分别列举出几种具有代表性的例子，对其原理和应用加以简介。
一次电池：锌锰电池、一次锂电池、铝空气电池
二次电池：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池
燃料电池：质子交换膜燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池
2.1 一次电池
2.1.1 锌锰电池
1）工作原理
锌锰电池早在1882年就已经研制成功，其电池反应如下所示：
(-) Zn∣NH4Cl，ZnCl2∣MnO2，C (+)
利用这一反应制成的中性锌锰电池即为我们通常所说的干电池。负极为锌失去电子，采用NH4Cl和ZnCl2作为电解质，正极为MnO2接受电子。但由于使用该反应生产电池的过程中对环境存在污染，制得的电池品质也不尽如人意，后来又开发出了相对环保、性能更加优越的碱性锌锰电池。其反应原理如下所示：
(-) Zn∣KOH∣MnO2(+)
由于采用了KOH的水溶液作为电解液，碱锰电池相较于普通锌锰电池能够大电流持续放电，这也是碱锰电池逐渐取代普通干电池的原因之一。两者的相关特性见下表。
| 中性锌锰电池 | 碱性锌锰电池 |
应用 | 中小电流，间歇放电 | 大电流，连续放电 |
正极活性物质 | 天然MnO2 | 电解MnO2 |
负极活性物质 | Zn（筒） | Zn粉、面积大 |
电解液 | NH4Cl、ZnCl2、淀粉 导电性差（糊状） | KOH水溶液 导电性好 |
外壳 | Zn筒（负极） | 镀镍钢壳，防漏性好 |
成流反应 | 负极 Zn+2NH4Cl-2e- →Zn(NH3)2Cl2↓+2H+ 正极 2MnO2 + 2H+ +2e- → 2林业部MnOOH | 负极 Zn + 2OH- - 2e- → ZnO +H2O夏望平- 正极 MnO2 + 2H2O + 2e- → Mn(OH)2↓+ 2OH- |
| | |
2）具体应用
锌锰电池是所有电池中历史最久远，产业产品技术发展最为成熟者，近年来，锌锰电池除在传统的手电、收音机、遥控器、剃胡刀等领域使用，随着电子产品的急速发展与普及，电池的需求量大增，预计21世纪前20年锌锰电池仍会有较大的发展。可以预见的是，锌锰电池将向着小型化、轻型化和高功率化发展。但不容忽视的是，普通锌锰电池的环保问题已引起全社会的高度关注，废弃电池的回收将随着资源的循环利用被提到议事日程和逐步实施。相较之下，碱性锌锰电池则是民用电池中最有发展前途的产品，其对环境友好特点相较于普通碱锰电池有着明显的优势，在发达国家的锌锰电池产业已达80％碱性化率的今天，我国碱性电池的生产和销售具有极具潜力的发展空间，预计在2010年，我国碱性锌锰电池的产量将超过美国，成为世界上碱锰电池产量最大的国家。[2]
2.1.2 一次锂电池
1） 工作原理
一次锂电池通常是指Li/MnO2电池，是以金属锂作为负极的一种化学电源。其电池反应如下所示：
(-) Li∣LiClO4，PC，DME∣MnO2 (C) (+)
（PC—碳酸丙烯酯，DME—二甲氧基乙烷）
其负极发生的反应即为金属锂失去电子生成锂离子，正极则是锂离子与MnO2发生反应，在获得电子后锂离子进入MnO2的晶格当中，形成化合物LiMnO2。
2)具体应用
目前一次锂电池的应用还较为有限，尽管其比能量高达比能量200Wh/kg，相较于其他种类的化学电源有着较大优势。但是由于一次锂电池的负极为金属锂，不能进行充电反复利用，所以目前一次锂电池多为纽扣电池，使用范围也十分有限，通常用于一些小型的电子设备，如电子钟表、遥控器、儿童玩具等。也正因如此，促进了对能够多次使用的锂离子电池的研制，对这一类型的化学电源将在后文进行讨论。
2.1.3 铝空气电池
1）工作原理
铝空气电池的负极是铝合金，在电池放电时被不断消耗，并生成Al(OH)3；正极是多孔性氧电极，跟氢氧燃料电池的氧电极相同，电池放电时，从外界进入电极的氧（空气）发生电化学反应，生成OH-；电解液可分为两种，其一为中性溶液（NaCl或NH4Cl水溶液或海水），另一种是碱性溶液。可以认为铝空气电池是半个燃料电池。电池总的放电反应为：
中性溶液：2Al+1.5O2+3H2O=2Al(OH)3
碱性溶液：2Al+1.5O2+2OH-+3H2O=2 Al(OH)4
2）具体应用
从目前的研究成果和理论分析来看，铝空气电池具有许多优越的性能，例如比能量高，电池理论比能量可达2290wh/kg，目前实际上已经达到300-400wh/ kg。这一数值远高于当今各种电池的比能量。并且铝空气电池的使用寿命可以达到3-4年，加之铝电极是可以不断更换的，其使用年限更是可以大大延长。同时铝空气电池无毒有害气体，不污染环境，电池反应消耗铝、氧和水，生成Al(OH)3。后者是当今用于污水处理的优异沉淀剂。由于铝空气电池具有诸多的优越性能，使其成为电动车动力电源的有力竞争者。首先，铝空气电池
具有300-400wh/kg高比能量，这是上述任何一个竞争对手难以达到的，同时也是电动车行驶距离得以跟汽油车相比的根本保证。其次，铝空气电池可以采取机械式“充电”，只要几分钟就可以方便地更换新的铝电极，使电池“爱听高雅音乐的跳舞草充足电”，又可继续行驶，虽然就其本质而言铝空气电池确实是一次电池，但就补充“燃料”的方便快捷而言，这是任何二次电池做不到的，甚至能够与汽油车相媲美。[3]由于其高比能量，铝空气电池也可以用于潜艇上的能源供应，使用液态氧作为氧化剂，负极铝的利用率高达90%，甚至超过了传统的燃料电池,成为潜艇长时间水下航行时的理想能源。民用方面，移动通信网络和广播电视网络遍布全国各地，中继站起到了极其重要的作用。众多的中继站往往都在无人居住的高山上或林区。当前使用的电源基本上都是阀控式密封铅蓄电池，由于其所处环境难免发生变化，铅蓄电池使用过程中的能量密度无法保证。如果使用铝空气电池进行替换，有其较高的比能量作为保证，可以维持较长时间的使用，保证了供给电能的稳定性。
2.2 二次电池
2.2.1铅酸电池
1）工作原理
作为历史最为悠久的化学电源之一，铅酸电池早在1882年就投入实际生产，甚至早于干电池，而时至今日，铅酸电池在二次电池领域仍然有绝对数量上的优势，占据了使用中二次电源的一半以上。其放电时工作原理为：
(-) Pb∣H2SO4∣PbO2 (+)
负极（PbSO4/Pb）： Pb + HSO4- - 2e- PbSO4 + H+
正极（PbO2/PbSO4）： PbO2 + HSO4- +3H+ +2e- PbSO4 + 2H2O
总反应： PbO2 + Pb + 2H2SO4贤妻良母电影日本 2PbSO4 + 2H2O
当对铅蓄电池进行充电的时候，以上反应逆向进行。
2）具体应用
作为人类历史上使用时间最为悠久的化学电源，铅酸电池在各个领域都得到了广泛应用，在车船启动、电动自行车、电动汽车(HEV、BEV)、电厂调峰、风能太阳能储能等领域都
有所建树。铅酸电池的优缺点均十分明显：其优点在于造价便宜、原理简单，同时具有较好的可逆性，能够进行大电流的充放电；但是缺点也同样突出，即质量比能量低，只有30-40Wh/kg，正极活性物质利用率只有30% -40%，同时生产过程中使用了铅，会对环境造成污染。目前，通过对传统铅酸电池的改进，人们制造出了阀控铅酸（VRLA）蓄电池、卷绕式铅酸电池、两极性铅酸电池、Pd-C电池等先进铅酸电池，在保留其原有优点的基础上对其性能进行提升。如双极性铅酸电池的比能量能够达到60 Wh/kg，相较于传统铅酸电池有了很大提高，同时也改进了使用的基板，改善了电池的密封性，延长了其使用寿命。随着对铅酸电池研究的不断进行，这一历史悠久的化学电源一定能够在21世纪重新焕发光彩。
2.2.2 镍氢电池
1）工作原理
镍氢电池全称为金属氢化物镍电池，是因为储氢合金的发明而诞生的一种二次化学电源。其工作原理如下：
(-) MH∣KOH∣NiOOH (+)
负极：MH + OHg2a- - e- M + H2O
正极：NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH-
总反应：MH + NiOOH M + Ni(OH)2
镍氢电池中使用的较为常用的储氢合金有LaNi5、Mg2Ni等，根据种类的不同其储氢能力存在一定的差别。
2） 具体应用
镍氢电池是在镉镍电池基础上发展起来的碱性电池，只是负极用贮氢合金( MH) 代替镍镉电池镉电极，在结构设计生产工艺以及电性能上镍氢电池继承了镉镍电池的特点，但与镉镍电池相比，镍氢电池有以下显著优点：能量密度高，同尺寸电池，容量是镉镍电池的1.5～2倍；无镉污染，所以镍氢电池又被称为绿电池 而且二者工作电压相同，因此镍氢电池是镉镍电池良好的替代产品。[4]镍氢电池最为常见的用途也是作为电动汽车（HEV）的动力电源，在一些其他中小型的电子器械上也有应用。不容忽视的是镍氢电池在各个领域
都受到来自锂离子电池的竞争压力，应用空间不断受到压缩。但在HEV用大型镍氢电池，由于锂离子电池电动汽车销量有限，而且镍氢电池经受了市场的考验，未来几年仍以搭载镍氢电池的HEV车为主，HEV用镍氢电池将稳定增长。
2.2.3 锂离子电池
1）工作原理
锂离子电池是指用含锂化合物作为负极的二次化学电源。其负极常用的材料为锂嵌入化合物，例如石墨 、中间相碳微球（MCMB）、钛酸锂、硅材料等，正极常用的材料为电势较正的脱嵌锂化合物，如LiCoO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2、LiMn2O4、LiFePO4等。其反应原理如下所示：
(-) LixC6∣LiPF6,PC,DME∣Li1-xCoO2 (+)
负极：
正极：
总反应：
2)具体应用
丙烯酸羟乙酯锂离子二次电池由于具有输出电压高、比能量大、循环寿命长等优点，已成为电池中的生力军。特别是在目前的商品化充电电池中，聚合物锂离子电池的比能量密度最高，可以实现充电电池的薄形化，近期发展较快的锂离子电池主要市场在手机笔记本电脑以及电子产品上。和全球锂离子电池市场相比，国内生产的锂离子电池主要市场在手机用电池，笔记本电脑用电池的市场份额很低，主要原因在于笔记本电脑用的电池组对安全要求高，同时对产品的一致性均有较高要求，而国内的厂家产品的一致性很难保障。[5]锂离子电池的另一个重要用途是作为电动汽车的动力电源使用。例如著名的电动汽车品牌Tesla使用的就是以钴酸锂为正极材料的锂离子电池，其生产的电动汽车性能足以与大部分汽油车相媲美，而在快速充电技术的帮助下，只需要45分钟就能完成充电。但在具有如此众多优点的同时，锂离子电池的缺点也不容忽视，就是其安全性仍有待提高。前不久也同样是Tesla的一辆电动汽车，因为电池故障发生自燃，最后导致整辆车报废。如何提高安全性，正是摆在锂离子电池发展前途上的一大难题。
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