第1 章 化學電池的發展史

1.1 電池的種類及現狀                                        2

1.1.1 化學電池                                        2

1.1.2 物理電池和生物電池                                        4

1.1.3 實用電池應具備的條件及常用電池的特性             6

1.1.4 一次電池和二次電池的主要用途                         8

1.2 電池的發展簡史①——從巴格達電池到伏打電池             10

1.2.1 世界早的電池——制作於陶罐中的巴格達電池     10

1.2.2 利用青蛙腿制作電池？——伽伐尼的實驗           12

1.2.3 電池的發明——干電池起始於濕式                   14

1.3 電池的發展簡史②——從伏打電池到丹聶耳電池             16

1.3.1 伏打電池的起電原理                                     16

1.3.2 伏打電池的缺點——正極析氫                         18

1.3.3 克服伏打電池缺點的丹聶耳電池——無隔斷的情況分析                                  20

1.3.4 克服伏打電池缺點的丹聶耳電池——采用無孔隙的完全隔斷的情況分析             22

1.4 電池的發展簡史③——從丹聶耳電池到勒克朗謝電池                               24

1.4.1 丹聶耳電池的關鍵——素燒瓷隔斷中的微孔       24

1.4.2 丹聶耳電池的缺點——離子化傾向                   26

1.4.3 從勒克朗謝（濕）電池到干電池                         28

1.4.4 干電池的代表                                              30

1.4.5 常用干電池的分類                                        32

1.5 電池的三個基本參量和構成電池的四要素                      34

1.5.1 用儲水罐說明電池的三個基本參量                   34

1.5.2 電池的容量——可取出電（荷）的量                   36

1.5.3 電池的電壓——起電力                                  38

1.5.4 電池的電能——電池電壓與電荷量的乘積          40

1.5.5 構成電池的四要素                                        42

書角茶桌

從氧化還原反應認識化學電池用電極材料                44

字數限制，僅顯示部分目錄。

化學電池是靠內部的化學反應產生電力，並將該電能取出的電源的總稱。化學電池包括一次電池、二次電池、燃料電池以及特殊電池四大類。

在人類文明發展史上，先後經歷了生物質能源，煤炭、石油和天然氣等化石能源時代，由於不可再生能源的枯竭引發的環境污染、全球氣候變暖等問題日益嚴重，人們對可再生能源產生了越來越濃厚的興趣。

在諸多儲能器件中，電池因其出色的性能而備受關注。其中，鋰離子電池具有較大的體積能量密度和質量能量密度，較長的壽命，的標稱電壓，較低的自放電率以及較好的穩定性等。另外，由於鋰離子電池中不含鉛、鎘素，更符合綠色能源的要求。

在商用鋰離子電池中，液態電解質作為供鋰離子在正負極之間穿梭的媒介，難以避免出現揮發、洩漏甚至著火爆炸等問題，使用不慎會帶來非常嚴重的安全隱患，尤其是在飛機、電動汽車等鋰離子電池大規模應用的場合。

將液態電解質替換為固體電解質，從而制備全固態電池是解決上述安全問題有效途徑之一。此外，全固態電池還具有不受液態電解質-20 ～ 60℃使用溫度的限制，可以在高溫或超低溫的環境下服役；可以避免在電極材料與電解液界面處生成SEI 素的消耗，從而有效降低不可逆容量的損失；固體電解質可以有效抑制鋰枝晶的生長，從而使鋰金屬可以作為負極來使用；部分固體電解質的使用電壓區間超過5V，這為高電壓正極等新型正極材料的使用提供了有力支持。全固態鋰電池憑借上述優勢，有望成為鋰電池發展的必然趨勢。

一方面，早晚有一天，人類會進入不可避免的倒數20 年石油枯竭（20 年之後徹底枯竭）的時代，另一方面，地球溫暖化問題越來越嚴重。現在看來，能對可持續發展做出貢獻的新的能源中氫是有希望的。由於燃料電池是通過氫和氧的反應產生電力，幾乎不排放污染環境的產物，而且其理論能量轉換效率極高，可達82.9%，所以從航天用到民用都在積極開發氫能源。但是，如果沒有媒介，氫並不能作為能源。以氫為媒介的新的繫統必不可少。燃料電池就是其中的代表。用化學方式替代發電的即為燃料電池。

化學電池涉及化學、材料、電子、設計、制作、封裝、測試、應用等各個方面。由於多學科交叉，即使某一學科的專家，也難以做到“一專百通”。面對涉及面廣、發展快、內容新，而又相當深奧的化學電池專門技術，迫切需要深入淺出，通俗易懂，內容廣泛，既針對現實又照顧到發展前景的科普讀物。

考慮到方方面面的需求，本書兼顧以下四個層次的讀者加以論述。

（1）面向化學電池的入門者。化學電池的入門，包括名詞術語解釋，電池反應及特征，各種電池的比較，如何選擇電池等。

（2）面向化學電池的使用者。針對應用目的選擇合適的電池，使用中的注意事項，安全措施等。

（3）面向化學電池的制作、開發者。為開發新電池，了解正極材料、負極材料、隔膜材料、電解液、固體電解質等。

（4）面向化學電池的開發、決策者。介紹每類電池的發展動向，特別是全固體電解質鋰離子二次電池和燃料電池。

本書既不是海闊天空的漫談，也不是基礎理論的壓縮。在內容上避免深、難、偏、窄、玄，強調淺、寬、新、活、鮮。針對化學電池的入門者、制作者、研究開發者、決策者等多方面的需求，力求做到深入淺出，通俗易懂；層次分明，思路清晰；內容豐富，重點突出；選材新穎，強調應用。

本書得到清華大學本科教材立項資助並受到清華大學材料學院的全力支持。在此致謝。

限於編者水平及時間有限，書中不妥或疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。

2019年3月