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电池技术的进展和基因工程的介入

2019-4-16 20:34:01      点击:

电池是指把非电能(如:化学能、辐射能、生物能等)直接转变为电能的独立直流电源。如:干电池、蓄电池、光电池、温差电池等,一般常说的就是指‘化学电池’。1799年,伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里,发现连接两块金属的导线中有电流通过。于是,他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片,平叠起来。用手触摸两端时,会感到强烈的电流刺激。伏特用这种方法成功地制成了世界上第一个电池──“伏特电堆” 。1836年,英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电解液,制造出了一个能稳定工作的锌─铜电池,称为“丹尼尔电池”。 1860年,法国的雷克兰士还发明了 负极是锌和汞的合金棒,正极是一个多孔的杯子,里面装着二氧化锰和碳粉末的混合物。混合物中插了一根碳棒作为电流收集器。负极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中,这个装置被称为“湿电池”。 1880年又把 负极改进成为锌罐,也就是电池的外壳; 1887年,英国人赫勒森发明了最早的‘干电池’。电解液是把氯化铵和氯化锌加淀粉成为糊状,不会溢漏,便于携带,又称为‘原电池’或‘一次电池’ ,意思是通过电极反应将活性物质不断消耗,把化学能变为电能,但活性物质耗尽后,基本不能通过反向电流充电使其恢复再放电的电池。1859年,法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池,把两块铅板放入作为电解液的稀硫酸中,铅板表面就变成了硫酸铅。加上电压充电时,正极变成了褐色的氧化铅,负极恢复成了纯铅,电解液中稀硫酸失去了水份,变成了浓硫酸;充电后电极间有2V左右的电压;连接上负载放电时,电流与充电时的电流方向相反,氧化铅的正极板和铅的负极板表面就又变成了硫酸铅,同时反应出水使电解液变稀,成了稀硫酸。这种电池的特点是,当电池使用一段时间后电压下降时,可以给它通反向电流,把电能又转换回化学能,电池电压回升。因为这种电池能充电,可以反复使用,所以称它为“蓄电池”或‘二次电池’,意思是放电时消耗的活性物质,在充电时能够恢复,因此它是化学能与电能互相转换的一种储能装置。铅蓄电池放电和充电的化学反应式是:PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

  近百年来电气、电子设备日益增多,对电源提出了更高的要求。各种电池的发明如雨后春笋,1900年发明了可充电的铁镍电池1899年发明了镍镉电池.1914年发明了碱性电池.;1954年美国贝尔公司发明了太阳能电池.;1956年.制造出了第一个9伏电池 1970出现了免维护铅酸电池.1976年飞利浦公司发明了镍氢电池.;.1990镍氢电池正式生产.;1991年日本索尼.公司开始生产可充电锂离子电池;1999年可充电锂聚合物电池商业化生产。

  除一般化学电池外,太阳能电池、燃料电池、生物电池的发展也很快。

  太阳能电池或阻挡层光电池主要是通过半导体的PN结把辐射能转换为电能的电池,

  燃料电池是一种把存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不要充电也不能“储电”而是一个“发电厂”。它工作时需要连续不断地向电池内输入燃料和氧化剂通过电化学反应释放出电能;只要保持原料供应,电池就会不间断地提供电能。可以用氢、联氨、甲醇、甲醛、甲烷、乙烷等作燃料,以氧气、空气为氧化剂。

  微生物电池就是利用微生物的代谢产物作为电池的活性物质,引起电池中的电极电位发生偏移,产生电位差,从而获得电能的装置。微生物电池是利用微生物活体细胞作催化剂,对所利用的营养物质进行化学作用,并 把作用过程中产生的化学能转变为电能的装置。微生物电池是一种燃料电池, 电池燃料主要是氢、氨、甲烷等等.

  生物电池是指将生物质能直接转化为电能的装置。生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能,从原理上来讲,生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响,互相依存,进行生物的能量代谢。与传统的化学电池相比,生物电池具有操作上和功能上的优势: 它将生物质能直接转化为电能,就保证高的能量转化效率。

  其它的电池还有近来英国科学家宣布,他们已经发明了一种可以储存和释放电能的塑料,塑料片的上下层是碳纤维层,。充电后就形成正负两极。.该电池与负载连接时,产生的电流与一般电池完全一样。

  目前电池的主流仍然是化学能电池,电池的基本性能有:开路电压、内阻、工作电压、充电电压、电池容量、电池的贮存性能和寿命等。

  充电电压是指二次电池在充电时,外电源加在电池两端的电压。 电池容量(能量)是指从电池获得电量的量,常用C表示,单位用Ah或mAh表示。 电池的贮存性能和寿命是化学电源的主要特点之一,在使用时能够放出电能,不用时能贮存电能。所谓贮存性能对于二次电池来说为充电保持能力。使用寿命是衡量电池性能好坏的一个重要参数。二次电池经过一次充电和放电,称为一个周期。在一定的充放电制度下,电池容量降到某一规定值时电池能经受的充放电次数称为二次电池的使用寿命。

  近年来锂电池、锂离子电池已进入大规模的研发实用阶段。

  锂电池是目前性能很好的电池。与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相比,电量储备最大,重量最轻(锂是地球上最轻的金属,是铝比重的五分之一)、寿命最长、充电时间最短,由于锂电池不含有重金属,大大减少了对环境的污染。使用时间也更长久。锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

  锂离子电池是目前最好的电池,锂离子电池按正极材料不同分为铁锂、钴锂、锰锂等; 从外形分类一般分圆柱形和方形,而聚合物锂离子还可制成任意形状;

  按锂离子电池所用电解质材料不同,可以分为液态锂离子电池和固态锂离子电池两大类,聚合物锂离子电池属于固态锂离子电池中的一种。

  锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长,是21世纪发展的理想能源。 锂离子电池发展前景广阔,以其特有的性能优势已在便携式电器如笔记本电脑、摄像机、移动通信设备中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用,预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。

  现在的锂离子电池轻便,供电能力也不错,但放电速度不快,是它的严重缺点,亟待改进。 美国麻省理工学院的研究人员已经研制出了一种新型电池,将经过基因工程修改的良性病毒与电池材料结合在一起,可以改善锂离子电池的正负二极,使放电速度加快,就能转化更多的电力。与用于混合动力汽车上的最先进的可再充电电池具有相同的容量密度和动力性能。这种新颖的电池可在室温条件下生产,并且不会产生有毒的副产品。几年前已经取得了首次突破,成功地合成了电池正极,据《科学》杂志报道,研究小组最近已研制成功了由病毒构建的电池负极,是由锂离子磷酸盐与银所组成的纳米线;这种材料会复合其顶部的单一碳纳米管,以增加其导电性。需要说明的是,新的“病毒”电池并不是说用基因工程病毒来产生电能,而是利用它们制作出更理想的电池正极和负极,从而提高了电池的性能。利用的病毒名为噬菌体(bacteriophage),它是一种常见的能够感染细菌但对人体无害的病毒,且能够识别并附着于某些特定的材料(如本次研究中的碳纳米管)上。借助经过基因工程处理的噬菌体,人们在磷酸铁纳米导线表面组合成导电的碳纳米管网。电子沿着碳纳米管网行进,渗透到电极,快速传递能量。加进碳纳米管后,阴极的重量没有多大的变化,但导电性却大幅度提高。在实验室的测试中,安装了新阴极材料的电池在不减少电池容量的同时,其充电和放电速度提高了至少100倍。充电周期要略少些,但是研究人员期望今后新电池的寿命会更长。 目前,新电池的原型如同人们常见的纽扣电池。不过,由于利用了新的技术,研究人员有能力制造出重量极轻且韧性好的“病毒”电池,能满足各种不同电池座对其形状的要求。此外,生产含有基因工程病毒的新电池的工艺既经济又有利于环境保护,其原因是“病毒”电池的合成温度在室温或室温以下,同时又不需使用有害的有机溶剂,且用于电池的材料没有毒性。不久前,麻省理工学院院长苏珊携带原型电池出现在白宫新闻发布会上。在白宫,她和奥巴马总统就政府资助先进的新清洁能源技术问题进行了交谈。

  “基因”一词,是由“GENE”音译而来的。基因原称遗传因子,这一概念由来已久,例如斯宾塞的“生理单位”,达尔文的“微芽”,魏斯曼的“定子”等都是为了企图说明世代之间性状遗传机理的早期遗传因子的假说。‘基因’的创始人是奥地利遗传学家孟德尔(1822―1884年),他出生在一个贫苦的农民家庭,幼年就喜欢‘自然’和‘数学’,父亲去世后进了隐修院,1851年到维也纳大学学习自然科学,对都是白色的雌雄二羊能生出黑色的子羊进行探讨,1856年用豌豆作了大量的杂交实验,用数学分析得出了基因的重要结论,1865年在自然科学学会上宣读论文,没有得到重视。他一生平易近人,但没有被承认是生物学家。他去世十六年后被科学家们发现,后来人又发现了基因排列的双螺旋模型和能切断、连接遗传物质的工具酶,从而为改进生命提供了可能。孟德尔对人类的贡献是空前的,‘基因’不仅成了当今生物学的基础,使人类行为的改善成为可能,而且正跨越到了各行各业,甚至号称‘第三次生命科学的革命’,也就是生命科学与其它学科的有机结合。