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计算机与信息学院 第1章 电池发展 1.1电池发展史 电池是将物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置，尽管电池诞生已有上百年历史，然而近年来电池才得到飞速发展与广泛应用，因此被人们称为新生事物。电池是一种可以将化学能直接转化为电能的化学电源，主要分为一次电池和二次电池。一次电池在使用一次之后即废弃，而二次电池则可以充电并多次使用。电池的基本原理即是用“活性较高”的金属材料制作阳极（即负极-），而用较为稳定的材料制作阴极（即正极+），阳极材料由于库仑力的原因丢失电子（还原反应），流向阴极使其获得电子（氧化反应），而电池内部（电解液）则发生阴极的阴离子流向阳极与阳离子结合，由此形成回路，产生电能。电池内部化学能量消耗完毕，则电池就没用了。可充电的电池，需能够通过外部通电将内部的化学反应“还原”（归位），也就需要选择特别的材料和设计，能够“完美”恢复原样，使得电池重新获得化学能量。 * 第一章 电池发展 1.1电池发展史 * 图 1-1 铅酸电池结构原理 1799年，意大利物理学家Alessandro Volta发明了第一款电池（Vlotaic Pile伏特堆），这被认为是人类历史上第一套电源装置。 1859年法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸电池，阳极为铅，阴极为铅氧化物，硫酸溶液为电解质，如图1-1所示。利用铅不仅仅做到了极低的成本，还能够提供12V的电压，且能够充电循环使用。铅酸蓄电池的试制成功，标志着化学电源进入了萌芽状态。 第一章 电池发展 1.1电池发展史 1868年法国科学家勒克郎谢（Leclanche）研制成功了以NH4Cl为电解液的锌—二氧化锰干电池。 1899年，瑞典人WaldemarJungner发明了镍镉电池。 1900年爱迪生（Edison）研制成功铁-镍蓄电池。 1950年之后，加拿大工程师Lewis Urry发明了现在非常常见的碱性电池，碱性电池是当前常用的一次性电池。 进入80年代，科学技术发展越发迅速，对化学电源的要求也日益增多、增高。电池池的研究重点转向蓄电池。 1988年，镍镉电池实现商品化。 1989年，第一款商业镍氢电池问世。镍氢电池相较于镍镉电池提高了能量密度，并且污染减少。无记忆效应。 * 第一章 电池发展 1.1电池发展史 * 图 1-2 锂离子电池结构原理 1981年日本三洋公司的H.Ikeda提出石墨在有机溶液中可以作为一种嵌入式材料。贝尔实验室在此基础上发现室温下锂离子可以嵌入到石墨中。 1991年，索尼公司推出了第一款商业化锂离子电池，使用锂化合物LiMnO2作为阴极，石墨作阳极，电解液为溶入锂盐的有机溶剂，如图1-2所示。 1992年，锂离子电池实现商品化。 1999年，聚合物锂离子蓄电池进入市场。 第一章 电池发展 1.1电池发展史 我国二次电池工业发展历程： 第一个时期是五十年代兴起的铅酸蓄电池，成本低且能够充电循环使用。 第二个时期是六十年代成功开发的镉镍碱性蓄电池，该类型电池由于具备高功率、高寿命的特点以及良好的低温性能，被广泛地应用于航海、通讯、电力、铁路、通讯、电动工具、办工自动化等诸多领域。 第三个时期是从进入九十年代至今，九十年代初期中国已开始研制锂电池的初级产品，主要是用于电子计算器上的二氧化锰扣式电池，以及少量的锂、碘和卷边封口的锂、二氧化硫电池，随后又研制出小型碳包式的锂、亚硫氯电池。 * 此外90年代初，中国才开始自主规模化生产可供军方使用的安全可靠的锂电池。到了90年代末期，我国对锂离子电池的研究有了突破性的进展，国内一些公司都在大规模生产液态锂离子电池，产品的技术水平已达到或超过日本同类电池的水平。1999年12月国内自行设计开发了日产1万只聚合物锂离子电池的生产线，这也是世界上形成规模的第三条聚合物锂离子电池生产线。 第一章 电池发展 1.2锂离子电池 迄今为止，二次电池体系历经了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池四代的发展，随着人类对电池体系认识的不断深化，电池性能也不断提升，锂离子电池是比能量密度与能量效率最高的二次电池体系，也是目前最成功的商业化二次电池体系。 锂元素是由Johan August Arfwedson于1817年发现的。锂的特性决定了它非常适合做高能量密度、高电压的电池，由于锂的活性过高，遇到水或者空气都可能发生剧烈反应以至于燃烧和爆炸，给锂电池研究带来了极大的挑战。 1912年，锂金属电池由Gilbert N.Lewis提出并研究，在1970年初实现了锂原电池商品化。这种锂原电池采用金属锂，正极活性物质采用二氧化锰和氟化碳等材料。与传统的原电池相比，这种锂原电池的放电容量高数倍，而且其电动势在3V以上，可用作特殊需求的长寿命电池或高电压电池。 * 第一章 电池发展 1.2锂离子电池