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这么厉害吗?充甲醇一分钟,通话一星期?

2019-08-27 09:19:36  来源:科学大院

说起手机电池,镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池大家都不陌生。然而,历史上还曾经出现过一种与众不同的电池,它的能量密度很高,但是又有天生缺陷,这就是甲醇燃料电池。

 (图片来源:veer图库)

(图片来源:veer图库)

需要“加油”的电池

上世纪九十年代末至本世纪初,锂离子电池技术还不是非常成熟,手机电池容量有待进一步提升,有的企业索性推出了甲醇燃料电池的手机。

日本东京举办的CEATEC展会上,KDDI和东芝公司联合推出的甲醇燃料电池手机(图片来源:http://news.mydrivers.com/1/146/146118.htm?fr=m)

日本东京举办的CEATEC展会上,KDDI和东芝公司联合推出的甲醇燃料电池手机(图片来源:http://news.mydrivers.com/1/146/146118.htm?fr=m)

这是一种以燃料电池为电源的手机。与其他电池不同的是,这种手机的电用光后,不能通过充电恢复电量,而是需要像加汽油一样给手机添加甲醇,电池会将储存在甲醇中的化学能转换为电能。

镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池中的化学能直接存储在电池的正负极材料当中。放电时,两种物质发生氧化还原反应生成另一种物质,同时对外释放电子,提供电能;充电时,生成物可以通过逆向反应变回原来的样子,于是又可以接着放电。这种可以反复充放电的电池叫做二次电池。

 带有燃料盒的甲醇燃料电池

带有燃料盒的甲醇燃料电池

甲醇燃料电池的不同之处在于,电池的化学能不是存储在电池材料中,而是储存在燃料当中,这里燃料指的就是甲醇,而正负极材料则起到催化的作用。所以手机需要配置额外的空间来储存甲醇,体积会相对比较大。当手机快没电的时候,我们需要往手机中注入甲醇,就像没油的汽车需要添加汽油一样。

甲醇燃料电池手机侧面的燃料添加孔

甲醇燃料电池手机侧面的燃料添加孔

无序的热能→有序的电能

甲醇燃料电池的基本构造主要可以分为阴极、电解质和阳极,电池放电时,阴极就是电池的正极,阳极就是电池的负极,为了叙述上符合大部分人的习惯,下文就用以正极、电解质和负极来进行阐述。

 甲醇燃料电池的结构示意图

甲醇燃料电池的结构示意图

正极和负极都是由金属铂制备而成,它们分别对氧气和甲醇进行催化。在电池工作时,正极通入空气,负极通入液体的甲醇。甲醇在铂的催化作用下,失去电子被氧化为二氧化碳,并生成氢离子。负极的电极反应可以写成:

接着产生的氢离子和电子分别沿着两条不同的路径传输。氢离子通过电解质穿过电池内部抵达正极。电解质是一种选择透过性膜,只有氢离子能从电解质的一侧穿过到达另一侧,而其他原子、分子、离子一律被拒于门外。我们知道原子都是由原子核和核外电子构成的,而氢原子又比较特殊,它只有一个电子和一个质子,当它失去电子变成氢离子H+,就只剩下一个裸露的质子,所以我们又称氢离子为质子,这种选择透过性膜因而也叫质子交换膜。

氢原子和氢离子(图片来源:作者绘制)

氢原子和氢离子(图片来源:作者绘制)

电子则通过外接电路流向正极,在流动的过程中顺便对负载,也就是手机做一下功,于是手机就能通语音、玩游戏、听音乐了。

在正极,空气中的氧气在铂的催化作用下,被分解为氧原子,然后与来自负极的氢离子和电子结合形成水。正极的电极反应可以写成:

我们把正极和负极的半反应写在一起,可以得到下面的反应方程式:

看起来是不是有点似曾相识的感觉?没错,这个其实就是甲醇燃烧的反应方程式。所不同的是,燃烧时电子的转移是混乱无序的,储存在化学键中的化学能以热能的形式释放;而在燃料电池中,氧化和还原分开进行,通过引入电解质和外部电路实现电子的有序运动,化学键中的化学能以电能的形式释放。

熊熊燃烧的火焰(图片来源:veer)

熊熊燃烧的火焰(图片来源:veer)

实现了超长待机

却没有被广泛使用

甲醇燃料电池,最突出的优点就是能量密度高,比其它所有电池都要高出很多。1998 年Manhattan Scientifics 公司注册了商标名为Micro-Fuel Cell用于手机电源的微型直接甲醇燃料电池,以这种电池为电源的手机可待机6个月, 连续通话1星期;而当时使用的锂离子电池只能待机2星期, 连续通话5小时。其续航能力简直不在同一个档次。

与所有电池一样,甲醇燃料电池的应用可不仅仅局限于手机上,笔记本电脑、摄像机这类需要用到电的便携式电子产品都能够让它一展身手。

一种用甲醇燃料电池的笔记本电脑

一种用甲醇燃料电池的笔记本电脑

甲醇燃料电池有优点,但是不足之处也十分明显:

成本:

前面提到过,电池的催化剂是铂。铂也称为白金、铂金,是一种比黄金还要贵的贵金属,由它制备成的电池,其成本可想而知。

铂金戒指(图片来源:veer)

铂金戒指(图片来源:veer)

电池中的电解质——质子交换膜

理论上质子交换膜只允许氢离子通过,可是实际上甲醇也能够穿过质子膜,这些穿过电解质的甲醇会抵达正极,直接和氧气反应,造成甲醇自放电,不但不产生电,而且会产生额外的热量,这部分的能量就被浪费掉了。开发一种可以阻止甲醇穿透的质子交换膜一直都是让科研人员头疼的问题。另一方面,为了阻止甲醇穿透,只能使用低浓度的甲醇水溶液,这无疑需要增大甲醇的储存空间。

功率密度小,且甲醇不易携带

甲醇燃料电池工作时会产生水、热量,所以需要水、热管理系统,电池的制造比二次电池更加复杂。而且它的功率密度很小,对于大功率的电子产品的应用非常不利。另外使用这种电池需要你手头时常备着一瓶甲醇,而甲醇又是易燃物品,很多场合不允许携带,这多多少少带来了一些使用上的不便。

会有光明的未来么?

甲醇燃料电池只在历史上出现过很短的时间,很快它就淡出了人们视野。不过近年来它似乎又有卷土重来之势。

近几年,为响应低碳环保出行,新能源汽车做得风风火火,可是纯电动车的续航里程令人担忧,氢燃料汽车又面临着储氢、输氢上的诸多不便。随着中国甲醇产能的增速,有人便盯上了甲醇燃料电池汽车。

与纯电动车相比,甲醇燃料电池汽车没有续航里程的忧虑;甲醇的加注和汽油一样方便,不存在充电时间长的问题。与氢燃料汽车相比,由于甲醇是液体燃料,不需要使用昂贵的储氢罐,存储和运输更加简单方便。丹麦甲醇燃料电池制造商SerEnergy研制了一种甲醇燃料电池汽车,用一罐甲醇行驶距离可达800公里。不过,如果甲醇燃料电池的固有缺点得不到解决,这种汽车何时能投放市场还不得而知。

甲醇燃料电池汽车(https://serenergy.com/next-generation-of-methanol-fuel-cell-vehicles-sees-the-light-of-day/)

甲醇燃料电池汽车(https://serenergy.com/next-generation-of-methanol-fuel-cell-vehicles-sees-the-light-of-day/)

有人认为,甲醇燃料电池只是技术尚未成熟,有人认为它纯粹是一个商业噱头。究竟,甲醇燃料电池会就这样销声匿迹,还是会迎来意想不到的未来,我们拭目以待。

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