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电池的发展史


(一)电源分为化学电源和物理电源。化学电源是指将物质化学反应所产生的能量直接 转变为电能的一种装置,通常称为电池,其中包括原电池、蓄电池、储备电池和燃料电池。 物理电源则包括太阳电池和温差发电器等。

巴格达电池(外部)

(内部结构)

在古代,人类有可能已经不断地在研究和测试“电”这种东西了。一个被认为有数千年 历史

的粘土瓶在 1932 年于伊拉克的巴格达附近被发现。它有一根插在铜制圆筒里的 铁条-可能是用来储存静电用的,然而瓶子的秘密可能永远无法被揭晓。

磁石

亚里斯多德

磁石

不管制造这个粘土瓶的祖先是否知道有关静电的事情,但可以确定的是古希腊人绝对 知道。他们晓得如果摩擦一块琥珀,就能吸引轻的物体。亚里斯多德(Aristotle)也知 道有磁石这种东西,它是一种具有强大磁力能吸引铁和金属的矿石。 (二)在十八世纪的四、五十年代, 发电装置的改善和大气电现象的研究,吸引了 物理学家们的广泛兴趣,1745 年,普鲁士的克莱斯特利用导线将摩擦所起的电引向 装有铁钉的玻璃瓶。当他用手触及铁钉时,受到猛烈的一击。

(收集电荷德莱顿瓶) 可能是在这个发现的启发下, [3] 顿大学的马森布罗克在 1746 莱 年发明了收集电荷的“莱顿瓶”。 因为他看到好不容易收集的电却很容易地在空气中逐 渐消失,他想寻找一种保存电的方法。有一天,他用一支枪管悬在空中,用起电机 与枪管连着,另用一根铜线从枪管中引出,浸入一个盛有水的玻璃瓶中,他让一个 助手一只手握着玻璃瓶,马森布罗克在一旁使劲摇动起电机。这时他的助手不小心 将中另一只手与枪管碰上,他猛然感到一次强烈的电击,喊了起来。马森布罗克于 是与助手互换了一下,让助手摇起电机,他自己一手拿水瓶子,另一只手去碰枪管。 在一封信里他描述了这次实验结果: “我想告诉你一个新奇但是可怕的实验事实,但我警告你无论如何也不要再重复 这个实验。……把容器放在右手上,我试图用另一只手从充电的铁柱上引出火花。 突然,我的手受到了一下力量很大的打击,使我的全身都震动了,……手臂和身体 产生了一种无法形容的恐怖感觉。一句话,我以为 我命休矣。” 虽然马森布罗克不愿再做这个实验,但他由此得出结论:把带电体放在玻 璃瓶内可以把电保存下来。只是当时搞不清楚起保存电作用的究竟是瓶子还是瓶子 里的水,后来人们就把这个蓄电的瓶子称作“莱顿瓶”,这个实验称为“莱顿瓶实验”。 这种“电震”现象的发现,轰动一时,极大的增加了人们对莱顿瓶的关注。

(三)

(解剖学家家伽伐尼)

还原伽伐尼实验的绘画

1786 年,意大利解剖学家伽伐尼在做青 蛙解剖时,两手分别拿着不同的金属器械,无意中同时碰在青蛙的大腿上,青蛙腿 部的肌肉立刻抽搐了一下,仿佛受到电流的刺激,而只用一种金属器械去触动青蛙, 却并无此种反应。伽伐尼认为,出现这种现象是因为动物躯体内部产生的一种电, 他称之为“生物电”。伽伐尼于 1791 年将此实验结果写成论文,公布于学术界。

( 伏打电池) 伏打受到伽伐尼青蛙实验的启发而发明了电池,即两种不同的金属中间以导电的物质隔 开,再以导线连结,就会产生电流。1800 年,他用铜、锡、食盐水为材料成功地制造了伏 打电池。 现在, 凡是将两种不同金属放入同一种电解质溶液所形成的电池均称为伏打电池。

(丹尼尔电池)

(本生电池)

1836 年,英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液,解决了 电池极化问题,制造出第一个不极化,能保持平衡电流的锌─铜电池,又称“丹尼尔 电池”。此后,又陆续有去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。但是这 些电池都存在电压随使用时间延长而下降的问题。 (四)1860 年,法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是, 当电池使用一段使电压下降时,可以给它通以反向电流,使电池电压回升。因为这种 电池能充电,可以反复使用,所以称它为“蓄电池”。 然而,无论哪种电池都需在两个金属板之间灌装液体,因此搬运很不方便,特别是蓄 电池所用液体是硫酸,在挪动时很危险。 也是在 1860 年,法国的雷克兰士(GeorgeLeclanche)还发明了世界广受使用的电池 (碳锌电池)的前身。它的负极是锌和汞的合金棒(锌-伏特原型电池的负极,经证 明是作为负极材料的最佳金属之一),而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的 二氧化锰和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作为电流收集器。负极棒和正极 杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中。此系统被称为“湿电池”。雷克兰士制造的电 池虽然简陋但却便宜,所以一直到 1880 年才被改进的“干电池”取代

雷克兰士发明的电池

。负极被改进成锌罐(即电池的外壳),电解液变为糊状而非液体,基本上这就 是现在我们所熟知的碳锌电池。

(最早的干电池)1887 年,英国人赫勒森发明了最 早的干电池。干电池的电解液为糊状,不会溢漏,便于携带,因此获得了广泛应用。 1890 年 Thomas Edison 发明可充电的铁镍电池 1896 年在美国批量生产干电池 1896 年发明 D 型电池. 1899 年 Waldmar Jungner 发明镍镉电池. 1910 年可充电的铁镍电池商业化产

(镍镉电池)

*(镍镉蓄电池)

1914 年 Thomas Edison 发明碱性电池. 1934 年 Schlecht and Akermann 发明镍镉电池烧结极板. 1947 年 Neumann 开发出密封镍镉电池. 1949 年 Lew Urry (Energizer) 开发出小型碱性电池

(碱性电池) (五)

太阳能电池板

1954 年 Gerald Pearson, Calvin Fuller and Daryl Chapin 开发出太阳能电池太阳 能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。 以光电效应工作的薄 膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段。. (锂电池结构示意)

1970 前后一次锂电池实用化. 1987 前我国商业化生产一次锂电池 1991 年 Sony. 可充电锂离子电池商业化生产

(镍氢电池充电器) 1976 年 Philips Research 的科学家发明镍氢电池. 1980 前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金. 1983 年我国开始研究镍氢电池(南开大学) 1995 年我国镍氢电池商业化生产初具规模

(六)

2000 后燃料电池,太阳能电池成为全世界瞩目的新能源发展问题的焦点 目前,许多国家正在制订中长期太阳能开发计划,准备在 21 世纪大规模开发太

阳能,美国能源部推出的是国家光伏计划, 日本推出的是阳光计划。NREL 光伏计划 是美国国家光伏计划的一项重要的内容, 该计划在单晶硅和高级器件、 薄膜光伏技术、

PVMaT、光伏组件以及系统性能和工程、 光伏应用和市场开发等 5 个领域开展研究 工作。

光伏发电 太阳能电池板

2002 年,国家有关部委启动了"西部省区无电乡通电计划",通过太阳能和小型风力发 电解决西部七省区无电乡的
多晶硅太阳能电池

用电问题。这一项目的启动大大刺激了太阳能发电产业,国内建起了几条太阳能电池 的封装线,使太阳能电池的年生产量迅速增加。我国目前已有 10 条太阳能电池生产 线,年生产能力约为 4.5MW,其中 8 条生产线是从国外引进的,在这 8 条生产线当中,有 6 条单晶硅太阳能电池生产线,2 条非晶硅太阳能电池生产线。 据专家预测,目前我国光 伏市场需求量为每年 5MW,2001~2010 年,年需求量将达 10MW,从 2011 年开始,我国 光伏市场年需求量将大于 20MW。

硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳 能电池三种。 单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率 为 24.7%,规模生产时的效率为 15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位, 但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶 硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池, 其实验室最高转换效率为 18%,工业规模生产的转换效率为 10%。因此,多晶硅薄膜 电池不久将会

国际空间站太阳能电池板

在太阳能电地市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻,转换效率较高,便于大规模生产,有极大 的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实 际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题,那么,非晶硅太阳能电池 无疑是太阳能电池的主要发展产品之一

纳米晶太阳能电池
纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池是新近发展的,优点在于它廉价的成本和简单 的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在 10%以上,制作成本仅为硅太阳电池的 1/ 5~1/10.寿命能达到 2O 年以上。 此类电池的研究和开发刚刚起步,不久的将来会逐步走上市场

(纳米晶太阳能电池)

太阳能电池只有拇指大小


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