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电池革命:追寻理想的电池

1800年意大利物理学家亚历山德罗·伏特发明了世界上第一块电池。自那以后,人们研究出多种新型电池,但所有电池的基本运作原理其实是一样的:利用不同材料间的化学反应来储存和释放电能。


充电电池的过往由来


世界上最早的可充电电池,也即铅酸蓄电池,是由法国物理学家贾斯顿·普兰特于1859年发明的。19世纪末欧美主要发达国家的电气化进程促使人们开始研究蓄电池,将其使用在诸如电报、手电筒及后备能源等方面。但最大的一块市场可能还是在电车领域。在19世纪末至20世纪初,由蓄电池驱动的电车是当时城市街头一道常见的风景线。究其原因,在于电车很少有噪音,也不会排放有毒气体。但在行程方面,电车一直存有缺陷。到了1912年,随着电动启动器的发明,带有内燃机的汽油动力汽车登上历史舞台,电车随之遭到遗弃的命运。


镍镉充电电池大约在1900年问世,它多使用在对能量需求更大的场合。与铅酸蓄电池一样,镍镉电池在使用中容易产生化学气体,尤其在过度充电的情况下。在上世纪40年代末,德国工程师乔治·纽曼通过调整充电电池的化学组成而解决了这一问题,使得密封型充电电池成为现实。从20世纪60年代起,镍镉电池的应用范围日益扩大,为诸如电动剃须刀和电动牙刷这样的小电器提供动力。


在20世纪大多数时间里,铅酸蓄电池和镍镉电池主宰了整个充电电池市场,这两种电池至今仍被人们使用着。尽管就单位体积存储的电能而言,它们无法与新型电池相比,但从成本方面来说,它们是极为合算的。如今几乎所有汽车的启动发动机都是靠小型铅酸蓄电池组提供脉冲电能的。它们也被使用在大型后备能源系统中,并占据了全球充电电池市场的近一半。在飞机及火车上,人们使用镍镉电池作为紧急备用动力来源。


新型电池时代的到来


在过去二十年里,两种新型可充电电池开始在市场上崭露头角。单位体积存储的电能两倍于铅酸蓄电池的镍金属氢化物电池1989年开始进入市场。在上世纪90年代,镍金属氢化物电池成为了便携式电子产品最理想的驱动能源,它也取代镍镉电池,在诸多领域得到应用。丰田公司1997年推出的新型油电混合车普锐斯所采用的也是镍金属氢化物电池。


当今手机和掌上电脑上所普遍使用的电池仍以氧化钴为电池正极材料。这类充电电池也开始在汽车上使用,如Tesla汽车公司的跑车。但由于氧化钴化学活性高、代价昂贵,大多数专家认为,它不适宜广泛使用在混合动力汽车或纯电动车上。


于是研究人员开始尝试另辟蹊径。总部位于密歇根州的CompactPower公司已开始用锰来取代电池中的钴,原因在于锰成本更低且在高温下性能更稳定。但坏消息是,由于锰元素会溶解在电解液中,寿命也要短一些。不过,美国阿贡国家实验室的资深科学家迈克尔·撒克里认为,将锰与其他元素,如镍和钴,混合起来使用能解决这些问题。


1997年,美国科学家称,有望使用磷酸铁作为新型的电池正极材料。相比于氧化钴,磷酸铁具有价格低廉、安全及环保等优点。但其缺点是能量密度低、导电性能差,从而影响了电池的储电、放电性能。后来,2002年麻省理工学院的研究人员发表论文称,在磷酸铁中掺杂一些铝、铌、锆元素可以极大提高其导电性能。不过,该研究结果尚存在一些值得商榷之处。


磷酸铁电池技术目前正被几家公司投入商业用途,美国的A123Systems公司和加拿大的PhostechLithium都在其中。PhostechLithium公司拥有生产和销售基于古登纳夫博士专利的电池材料的专有权。不过,虽然两家公司都在为市场份额而竞争,但其结果还很难料,因为这其中还涉及到专利侵权等问题。(2008年4月9日10:23第一财经日报)
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