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電池的發展史回顧

鉅大LARGE  |  點擊量:10931次  |  2018年10月26日  

摘要
隨著人們環保意識的日益增加,鉛、鎘等有毒金屬的使用日益受到限制,因此需要尋找新的可代替傳統鉛酸電池和鎳-鎘電池的可充電電池。鋰離子電池自然成為有力的候選者之一。

電池發展歷史

1800年

AlessandroVolta發明世界上第一個電池.

1802年

Dr.WilliamCruikshank設計了第一個便于生產制造的電池.

1836年

JohnDaniell為提供穩定的放電電流,對電池做了改進

1859年

GastonPlanté發明可充電的鉛酸電池.

1868年

GeorgeLeclanché開發出使用電解液的電池

1881年

J.A.Thiebaut取得干電池專利.

1888年

Dr.Gassner開發出第一個干電池.

1890年

ThomasEdison發明可充電的鐵鎳電池

1896年

在美國批量生產干電池

1896年

發明D型電池.

1899年

WaldmarJungner發明鎳鎘電池.

1910年

可充電的鐵鎳電池商業化生產

1911年

我國建廠生產干電池和鉛酸蓄電池(上海交通部電池廠)

1914年

ThomasEdison發明堿性電池.

1934年

SchlechtandAkermann發明鎳鎘電池燒結極板.

1947年

Neumann開發出密封鎳鎘電池.

1949年

LewUrry(Energizer)開發出小型堿性電池.

1954年

GeraldPearson,CalvinFullerandDarylChapin開發出太陽能電池.

1956年

Energizer.制造第一個9伏電池

1956年

我國建設第一個鎳鎘電池工廠(風云器材廠(755廠))

1960前后

UnionCarbide.商業化生產堿性電池,我國開始研究堿性電池(西安慶華廠等三家合作研發)

1970前后

出現免維護鉛酸電池.

1970前后

一次鋰電池實用化.

1976年

PhilipsResearch的科學家發明鎳氫電池.

1980前后

開發出穩定的用于鎳氫電池的合金.

1983年

我國開始研究鎳氫電池(南開大學)

1987年

我國改進鎳鎘電池工藝,采用發泡鎳,電池容量提升40%

1987前

我國商業化生產一次鋰電池

1989年

我國鎳氫電池研究列入國家計劃

1990前

出現角型(口香糖型)電池,

1990前后

鎳氫電池商業化生產.

1991年

Sony.可充電鋰離子電池商業化生產

1992年

KarlKordesch,JosefGsellmannandKlausTomantschger取得堿性充電電池專利

1992年

BatteryTechnologies,Inc.生產堿性充電電池

1995年

我國鎳氫電池商業化生產初具規模

1999年

可充電鋰聚合物電池商業化生產

2000年

我國鋰離子電池商業化生產

2000后

燃料電池,太陽能電池成為全世界矚目的新能源發展問題的焦點

電池的發展史由1836年丹尼爾電池的誕生到1859年鉛酸電池的發明,至1883年發明了氧化銀電池,1888年實現了電池的商品化,1899年發明了鎳-鎘電池,1901年發明了鎳-鐵電池,進入20世紀后,電池理論和技術處于一度停滯時期。但在第二次世界大戰之后,電池技術又進入快速發展時期。首先是為了適應重負荷用途的需要,發展了堿性鋅錳電池,1951年實現了鎳-鎘電池的密封化。1958年Harris提出了采用有機電解液作為鋰一次電池的電解質,20世紀70年代初期便實現了軍用和民用。隨后基于環??紤],研究重點轉向蓄電池。鎳-鎘電池在20世紀初實現商品化以后,在20世紀80年代得到迅速發展。

隨著人們環保意識的日益增加,鉛、鎘等有毒金屬的使用日益受到限制,因此需要尋找新的可代替傳統鉛酸電池和鎳-鎘電池的可充電電池。鋰離子電池自然成為有力的候選者之一。

1990年前后發明了鋰離子電池。1991年鋰離子電池實現商品化。1995年發明了聚合物鋰離子電池,(采用凝膠聚合物電解質為隔膜和電解質)1999年開始商品化?,F代社會電池的使用范圍已經由40年代的手電筒、收音機、汽車、和摩托車的啟動電源發展到現在的40-50種用途。小到從電子表手表、CD唱機、移動電話、MP3、MP4、照相機、攝影機、各種遙控器、剔須刀、手槍鉆、兒童玩具等。大到從醫院、賓館、超市、電話交換機等場合的應急電源,電動工具、拖船、拖車、鏟車、輪椅車、高爾夫球運動車、電動自行車、電動汽車、風力發電站用電池、導彈、潛艇和魚雷等軍用電池。還有可以滿足各種特殊要求的專用電池等。電池已經成為人類社會必不可少的便捷能源。

我國電池發展的歷程

我國第一家電池廠于1911年誕生于上海。1921年第一家專業鉛蓄電池廠-上海蓄電池廠也建于上海。1941年在延安中央軍委三局所屬電信材料廠開始生產鋅錳干電池和修理鉛酸蓄電池。1957年組建機電部電材局化學電源研究室,1958年成為我國第一個專業研究所,既原一機部化學電源研究所(原電子工業部天津電源研究所)。1960年我國第一家堿性蓄電池廠“風云器材廠”在河南新鄉正式驗收投產。20世紀90年代初,國家開始了“863”重點攻關,使Ni-MH電池的生產化得到了迅速發展。以后國家又開始了鋰離子電池“863”重點攻關,希望能借此推動鋰離子電池及其材料的國產化。

我國發展鋰離子電池生產的必要性

對于我國目前的電池工業而言,存在的主要問題是環境污染和資源浪費嚴重。對于環境污染而言,由于我國電池工業的自動化、機械化程度不高,很多企業多為手工操作,導致生產過程中污染很大,對工人身體危害大。干電池行業曾被人戲稱為“污染企業”,“黑工業”。這些污染物主要有MnO2粉、HgO、瀝青煙、煙霧、石蠟煙氣等。其中汞是最受關注的、有劇毒的重金屬,極微量的汞對人體有很大毒性。目前發達國家已宣布自1994年起禁止有汞電池的生產和進口。目前我國多數廠家仍然生產有汞電池。鉛酸電池行業的主要污染物有Pb、Pbo粉塵、酸霧及廢酸等。鉛也是毒性較大的重金屬,慢性鉛中毒主要表現在神經系統受損、腎功能障礙和貧血等。Cd-Ni電池所用原料多為粉狀,也存在粉塵污染問題;而且Cd的毒性較大,可以積累在腎臟和骨骼中,引起腎功能失調。另外,骨骼中鈣被鎘取代,使骨骼軟化,疼痛難忍。此外,堿霧、廢酸也是重要的污染物。鋅錳干電池經常會出現銅綠、冒漿現象,總有一些MH-Ni電池在使用中會出現噴堿或爆裂現象。鉛酸蓄電池仍有較大比例為老式開口電池,使用中仍有冒氣冒酸現象。

廢舊電池的大量棄用浪費了大量的有用材料。例如對于干電池的銀電池而言,我國基本上未加以回收利用,至于價值低的鋅錳干電池利用效果更差。

為了減少污染,保護環境,維護生態平衡以及保護地球上的有限資源,應當盡可能擴大資源種類,選用儲量豐富的資源以及利用有利于環保的資源。因此,鋰離子電池成為我國必須發展的電池品種。

堿性鋅錳電池的發展史

鋅錳電池發展至今經歷了漫長的演變,早在1868年法國工程師喬治-勒克蘭社采用二氧化錳和炭粉作正極粉料,將它壓入多孔陶瓷的圓筒體中,并插上一根炭棒集流器作正極,用一根鋅棒部分插入溶液中作負極,電解液是用20%的氯化銨水溶液,電池的容器是用玻璃瓶,做成第一個鋅錳濕電池。1886年蓋斯將氯化銨水溶液改用氯化銨,氯化鋅,石膏和水合成的糊狀物,并將鋅片作成圓筒形作電池的容器,同時用石蠟封口,從而做成原電池的雛形。此后不久,又將面粉和淀粉作為電解質溶液的凝膠劑,是鋅錳電池的便攜性大大提高,為這種電池的工業化生產和廣泛地使用打下了良好的基礎。1890年前后這種電池在全世界范圍內投入工業化生產。

1870年前后采用了汞齊化鋅陽極,以減輕鋅的自放電。1877年對碳棒采用浸蠟處理,以防止炭棒爬液,減輕對金屬集流體的腐蝕。

1923年采用乙炔黑代替石墨粉,使容量提高40%-50%,1945年電解二氧化錳在電池中的應用使鋅錳電池的放電性能進一步有大的提高。然而,隨著時代的發展,普通堿性鋅錳電池不能滿足市場的需求。

早在100多年前就有人提出過用鋅做負極,MnO2做正極,KOH或NaOH做電解液,在漫長的研究過程中主要圍繞四個問題進行:一是用粉狀多孔鋅電極代替片狀電極,降低放電電流密度和解決鋅片在堿液中易于鈍化的缺點;二是采用反極結構,提高MnO2的填充量,使正負極容量相匹配;三是對鋅粉汞齊化處理和堿液中加ZnO,解決鋅在堿液中的腐蝕;四是密封結構和密封材料的改進,解決爬堿現象。

直到1950代前后在鋅錳干電池的基礎上成功研制出堿性鋅錳電池,。它以鋅粉為負極,電解二氧化錳為正極,電解液采用NaOH或KOH,使電池性能成倍的提高。它不僅容量高,還適合于大電流連續放電。還具有優良的低溫性能,儲存性能和防漏性能。

但在前期的堿錳電池中要控制負極鋅粉在堿液中的氣量,當時電池的用汞量非常大,用汞量在2%-6%,八十年代末隨著人們環保意識的加強,掀起了無汞堿錳電池的研究熱潮,尋找有機或無機代汞緩蝕劑和鋅粉中合金元素(主要是Al,Bi,In,Pb)成為主要的研究方向。到九十年代中旬,無汞堿錳電池進入市場。

同時,從60年代開始,對可充的堿性鋅錳二次電池開展了廣泛的研究,經過30多年的研究已取得突破性的進展,但由于其放電深度淺,循環壽命短,還未能實現商品化。

進入二十一世紀以來,堿性鋅錳電池得到飛速的發展,大有替代普通鋅錳電池和其他電池的趨勢。同時用電器具的發展對堿錳電池高容量和大電流放電提出更高的要求。因此,未來堿錳電池的研究主要集中在高功率重負荷放電性能,電池容量的提升以及儲存壽命的提高上。

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