名师讲科技前沿系列–图解化学电池

本书由清华大学教授编写，进口当今科技热点与前沿，通过图文并茂的形式展现了干电池、锌银电池、清洁的蓄电池、燃料电池的基本原理、电极和电解液材料、电池的构成以及性能评价。使读者全面了解当今电池和电化学工业的发展和方向。 

《图解化学电池》是“名师讲科技前沿系列”中的一册，内容包括化学电池原理和简史，一次电池和二次电池等6章，着重介绍了锂离子二次电池和燃料电池等内容。针对化学电池的入门者、制作者、应用者、研究开发者、决策者等多方面的需求，本书图文并茂，全面且简明扼要地介绍化学电池的工作原理、相关材料、制作工艺、新进展、新应用及发展前景等。采用每章之下 “节节清”的论述方式，图文对照，并给出“本节重点”。力求做到深入浅出，通俗易懂；层次分明，思路清晰；内容丰富，重点突出；选材新颖，强调应用。本书可作为化学、材料、化工、能源及动力、机械、微电子、显示器 、物理、计算机、精密仪器等相关领域的科技、工程技术人员参考书籍。

田民波，清华大学教授，博士生导师，长期从事材料学的教学预可研工作，在电子材料、封装技术、磁性材料、粉体材料等领域取得了原创性成就。已经和现承担的课题有：(1)国家 级科学基金重大项目“高密度封装的应用基础研究”，(2)国际合作项目“零收缩率LTCC研究”，(3)“十五”军工预研项目“新型叠层LCCC-3D MCM封装技术研究”，(4)“863”项目“银掺合型聚合物导体材料的研究和开发”，(5)“985”面上项目“低温共烧陶瓷多层基板及高密度封装研究”，(6)横向课题“环保及高频型复合材料基板及塑封料研究”，(7)横向课题“应用于微电子封装的硅微粉研究”，(8)横向课题“应用于微电子封装的各向异性导电胶、导电膜研究”。获专利3项：(1)中国实用新型专利：电机用永磁转子；(2)中国实用新型专利：永磁无刷直流电动机；(3)中国发明专利：一种制备零收缩率低温共烧陶瓷多层基板的工艺。

 

第1 章 化学电池的发展史

1.1 电池的种类及现状                                        2

1.1.1 化学电池                                        2

1.1.2 物理电池和生物电池                                        4

1.1.3 实用电池应具备的条件及常用电池的特性             6

1.1.4 一次电池和二次电池的主要用途                         8

1.2 电池的发展简史①——从巴格达电池到伏打电池             10

1.2.1 世界最早的电池——制作于陶罐中的巴格达电池     10

1.2.2 利用青蛙腿制作电池？——伽伐尼的实验           12

1.2.3 电池的发明——干电池起始于湿式                   14

1.3 电池的发展简史②——从伏打电池到丹聂耳电池             16

1.3.1 伏打电池的起电原理                                     16

1.3.2 伏打电池的缺点——正极析氢                         18

1.3.3 克服伏打电池缺点的丹聂耳电池——无隔断的情况分析                                  20

1.3.4 克服伏打电池缺点的丹聂耳电池——采用无孔隙的完全隔断的情况分析             22

1.4 电池的发展简史③——从丹聂耳电池到勒克朗谢电池                               24

1.4.1 丹聂耳电池的关键——素烧瓷隔断中的微孔       24

1.4.2 丹聂耳电池的缺点——离子化倾向                   26

1.4.3 从勒克朗谢（湿）电池到干电池                         28

1.4.4 干电池的代表                                             
30

1.4.5 常用干电池的分类                                        32

1.5 电池的三个基本参量和构成电池的四要素                      34

1.5.1 用储水罐说明电池的三个基本参量                   34

1.5.2 电池的容量——可取出电（荷）的量                   36

1.5.3 电池的电压——起电力                                  38

1.5.4 电池的电能——电池电压与电荷量的乘积          40

1.5.5 构成电池的四要素                                        42

书角茶桌

从氧化还原反应认识化学电池用电极材料                44

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化学电池是靠内部的化学反应产生电力，并将该电能取出的电源的总称。化学电池包括一次电池、二次电池、燃料电池以及特殊电池四大类。

在人类文明发展史上，先后经历了生物质能源，煤炭、石油和天然气等化石能源时代，由于不可再生能源的枯竭引发的环境污染、全球气候变暖等问题日益严重，人们对可再生能源产生了越来越浓厚的兴趣。

在诸多储能器件中，电池因其出色的性能而备受关注。其中，锂离子电池具有较大的体积能量密度和质量能量密度，较长的寿命，最高的标称电压，较低的自放电率以及较好的稳定性等。另外，由于锂离子电池中不含铅、镉等有害元素，更符合绿色能源的要求。

在商用锂离子电池中，液态电解质作为供锂离子在正负极之间穿梭的媒介，难以避免出现挥发、泄漏甚至着火爆炸等问题，使用不慎会带来非常严重的安全隐患，尤其是在飞机、电动汽车等锂离子电池大规模应用的场合。

将液态电解质替换为固体电解质，从而制备全固态电池是解决上述安全问题最有效途径之一。此外，全固态电池还具有不受液态电解质-20 ～ 60℃使用温度的限制，可以在高温或超低温的环境下服役；可以避免在电极材料与电解液界面处生成SEI 膜对锂元素的消耗，从而有效降低不可逆容量的损失；固体电解质可以有效抑制锂枝晶的生长，从而使锂金属可以作为负极来使用；部分固体电解质的使用电压区间超过5V，这为高电压正极等新型正极材料的使用提供了有力支持。全固态锂电池凭借上述优势，有望成为锂电池发展的必然趋势。

一方面，早晚有一天，人类会进入不可避免的倒数20 年石油枯竭（20
年之后彻底枯竭）的时代，另一方面，地球温暖化问题越来越严重。现在看来，能对可持续发展做出贡献的新的能源中氢是最有希望的。由于燃料电池是通过氢和氧的反应产生电力，几乎不排放污染环境的产物，而且其理论能量转换效率极高，可达82.9%，所以从航天用到民用都在积极开发氢能源。但是，如果没有媒介，氢并不能作为能源。以氢为媒介的新的系统必不可少。燃料电池就是其中的代表。用化学方式替代发电的即为燃料电池。

化学电池涉及化学、材料、电子、设计、制作、封装、测试、应用等各个方面。由于多学科交叉，即使某一学科的专家，也难以做到“一专百通”。面对涉及面广、发展快、内容新，而又相当深奥的化学电池专门技术，迫切需要深入浅出，通俗易懂，内容广泛，既针对现实又照顾到发展前景的科普读物。

考虑到方方面面的需求，本书兼顾以下四个层次的读者加以论述。

（1）面向化学电池的入门者。化学电池的入门，包括名词术语解释，电池反应及特征，各种电池的比较，如何选择电池等。

（2）面向化学电池的使用者。针对应用目的选择合适的电池，使用中的注意事项，安全措施等。

（3）面向化学电池的制作、开发者。为开发新电池，了解正极材料、负极材料、隔膜材料、电解液、固体电解质等。

（4）面向化学电池的开发、决策者。介绍每类电池的发展动向，特别是全固体电解质锂离子二次电池和燃料电池。

本书既不是海阔天空的漫谈，也不是基础理论的压缩。在内容上避免深、难、偏、窄、玄，强调浅、宽、新、活、鲜。针对化学电池的入门者、制作者、研究开发者、决策者等多方面的需求，力求做到深入浅出，通俗易懂；层次分明，思路清晰；内容丰富，重点突出；选材新颖，强调应用。

本书得到清华大学本科教材立项资助并受到清华大学材料学院的全力支持。在此致谢。

限于编者水平及时间有限，书中不妥或疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。

2019年3月