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古老电铃180年敲了上百亿次,电池依然有电,神秘构造无解

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世界有秘密 2021-09-25 07:15

电的前途无可限量,如交通、照明、通讯等,可以说已经渗透到我们生活中的方方面面。电池就是我们生活中必不可少的一项发明,但是电池的耐用度却一直让人们非常头疼。一项市场调查结果表明,年轻人在生活中对充电宝占据着很大的需求量。

电池的容量是有限的,不同种类、体积的电池其容量各不相同,其中锂电池的容量较很多其他电池而言更高,其具有容量大、无记忆效应等优点,具有很低的自放电率,虽然价格相对较高,但仍得到了普遍应用。

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Gilbert N. Lewis

Tips:锂金属电池最早于1912年由Gilbert N. Lewis提出并研究。

电子产品日渐普及,但却没有与之匹配的高性能电池,随着使用的时间越长,电池的损耗也就越大,像人们给手机充电时,总会发现电池越来越不耐用了。因此人们普遍会希望,如果有一种长生不老的电池就好了,事实上这种电池是存在的。

牛津电铃

牛津电铃又称克拉伦登干电堆,正如其名,这个有趣的装置由牛津大学的物理学教授罗伯特·沃克于1840年采购,目前于英国牛津大学克拉伦登实验室门厅旁边的一条走廊上,并附有沃克亲笔写的 "1840年安装 "的字条。

Tips:该装置由伦敦一家仪器制造公司“沃特金斯和希尔”制造。

牛津电铃现在仍然在运作,除了偶尔因高湿度造成的短暂中断外,180多年以来一直不停地被敲响达100多亿次。这微弱的响声可能由于隔着玻璃罩无法被人类的听觉感知到,经过科学仪器的探测,撞击产生的振动频率为2赫兹

牛津电铃最外面是一个密封的玻璃罩,玻璃罩中有两个铜铃,每个铜铃的上方各有一个干电池。这两个干电池以串联的方式连接,装置的中间悬挂一个直径4毫米的金属球。

当金属球碰到一边的铃铛时,它就会被干电池充电,受静电的作用再敲响另一侧的铃铛,整个过程如此反复。虽然利用静电意味着需要高电压来使小球产生运动,但每次只有极少量的电荷从一个铃铛被带到另一个铃铛,极小的能量消耗也是牛津电铃自建立以来能一直持续工作的原因。

Tips:牛津电铃外层涂层是黄色硫磺,内部可能是带有银、锌和可其他材料层的电解液。

牛津电铃的运作原理

不过,就算科学家对牛津电铃的基本的组成情况已经了解得比较清楚了,也没有人确切地知道,这个被吉尼斯世界纪录称为 "世界上最耐用的电池 "的设备其干电池的内部构造究竟是怎样的。正如科布勒所说,打开这个装置有可能会破坏这个实验,使历史悠久的电铃停摆

由于人们无法得知其真正原理,很多人都把它看作是永动机,而实际上它并不是。在金属球磨损之前,当干电池均匀地分配了电荷后,装置将停止运作。因此为了彻底揭开牛津电铃之谜,研究人员可能要等到电池最终失去电量,或装置因老化而自己损坏再将它拆开进行研究。

对于牛津电铃的干电池内部构造,目前已知它们被涂上了熔融硫作为绝缘层,防止大气中的水分对其进行损害,因此科学界并普遍认为它的可能是与赞博尼电堆相似的结构

赞伯尼电堆由银箔、锌箔和纸片组成的电池,也可以使用一面镀金的银纸或涂有二氧化锰的银纸。几千个直径20毫米的圆片重叠起来压缩在一个末端带盖的玻璃管中,或堆在三个有木质端板的玻璃棒之间,通过浸入熔融硫进行绝缘。

Tips:赞伯尼电堆是由朱塞佩·赞博尼明的一种早期电池。

新型电池异军突起

  • 高效锂电池

英国帅福得公司研发了一种锂亚硫酰氯电池,它有着12.5Ah的额定容量,相较于同类型电池的容量它提高了25%。其研制的LSH20电池具有3.5V的额定电压和3.6V的开路电压,就算电池的电能受到了一定程度的耗损,它也能在放电的过程中表现出较平稳的电压

Tips:采用过剩的阴极材料,可有效预防电池在放电过程中和放电后可能会出现的一些安全事故。
  • 新型太阳能电池

南加利福尼亚爱迪生公司和美国德克萨斯仪器公司,联合研发了一种新型的太阳能电池。这种含磷、硅和硼的珠状太阳能电池,一旦被阳光照射,就能产生出电子流

在材料选用上,新型电池没有使用低价格的硅材料,而使用脆性晶体材料,虽然价格较贵,但得到的效果较好,没有浪费。

Tips:这种电池每100平方英尺能产生1000瓦电力,造价约为2000美元。
  • 太阳能薄片电池

美国波音公司的研究人员最新研制成功一种薄片型阻挡层光电池,它可将25%的太阳能转换成电能。这种电池质量非常轻,每公斤能转化600瓦电能,其最大的优点是可直接将太阳能转换成电能。主要材料是砷化镓、锑化镓和二硒酸铟铜等。

  • 新型燃料电池

美国贝尔可拉公司新生产出一种燃料电池,它利用的是氧化铝水聚合物技术,用氧化铝水合隔膜将两张铂金片分开来,当氧气和氢气燃料的混合物通过两块铂片时发生反应时,便能释放出能量,并生成副产物水,由于燃料和氧气在反应前并非一定要分开,减少了电池的体积和重量

Tips:电池的功率重量比超过50瓦每磅。
  • 聚合物固态电池

美国加利福尼亚工学院的科学家研制出新型聚合物固态电池,具有功率大、储存能量多、存放时间长等优点。这种电池的关键部分是一种由塑料聚合物制成的新型正极和几层由凝胶与锂构成的胶状锂层,重量只有相同功率电池的一半

新研制出来的这种电池具能量贮存于聚合物的二氧化硫键上,当这些键断开,键上的能量便能以电流的形式释放,而聚合物也因解聚作用变成了盐。直到给聚合物通上反向电流后,又再一次形成二氧化硫键,电池便因此充上电。

Tips:这种聚合物固态电池在80℃温度下,所产生的平均功率为160至180瓦每千克。

电池种类的鉴别

目前市场上出售的电池有国产的、进口的,有一次性使用的,也有可充电的。这里针对让人眼花缭乱的各种类型、各种型号的电池做一些简单的分辨。

Tips:按标准主要有1号(R20),2号(R14),5号(R6)和7号(R03)电池
  • 电池的特性

普通锌锰电池按其特性可分为普通型(S),高容量型(C)和高功率型(P)三种。普通型电池容:量小,放电电流较小,适用于中小电流间歇放电,有效工作时间较短,有漏液的情况发生,一不小心会腐蚀损坏电器,但价格相对便宜

高容量型电池:改进了制作工艺和材料,增大电容量延长了使用寿命。但不适用 大电流放电使用 ,也存在漏液的危险。

高功率型电池:其电容量和使用寿命相同于高容量电池。它选用的是新型电解质,因此其放电特性得到了很大的改善,这类电池输出功率大、连续使用、一般不会漏液等优点。

碱锰电池(LR):基本都是进口或中外合资厂家生产,该电池的制作采用强碱性物质代替了传统的电解质,使电容量大大增加,即使在大电流放电使用时,性能也非常好

Tips:碱锰电池由于采用冲压钢筒做外壳和先进的密封技术,解决了漏液现象。

使用蓄电产品时的七大注意事项

电作为能源的一种供给方式,给人类带来方便的同时也伴随着危险,在使用蓄电产品时,安全是第一位要考虑的。

  • 使用合适的充电器充电

充电地点保持阴凉通风,另外电池的电源箱和充电器一定要做好防水工作,避免发生触电事故以及电源箱内的电池短路。

  • 切忌亏电存放

亏电状态指电池使用后没及时充电,容易发生硫酸氧化导致的电池容量下降。亏电状态存放的时间的长短直接影响了电池容量下降程度。

Tips:如果电池长时间处于闲置状态,则需每月补充电一次。
  • 充电时间要合理

普遍情况下都在夜间对电池进行充电8小时左右,充足电后继续充电容易导致过充的现象,造成电池发热、失水,最终使电池的使用寿命降低。因此,电池最好是以放电深度为60%~70%时充1次电。

Tips:实际使用时可以将充的电折算为里程,按照实际情况来充电。
  • 不要大电流放电

车辆在起步、上坡时,应尽量避免瞬间大电流地放电。这样做往往会导致硫酸铅产生结晶,进一步对电池极板物理性能造成损坏。

  • 要定期检查维护

如果电池的续航里程在使用中,突然在短时间出现了严重的下降,那么其中的电池组里至少有一块电池有容量快速下降现象。这时需尽快到专业维修地点进行检查、配组或修复

  • 防止电池放置环境温度过高

电池应避免在阳光下暴晒,长时间处于高温环境中会增大蓄电池的内部的压力,从而自动打开电池的限压阀,直接导致失水量增大,过度失水的电池其电池活性也将下降,让极板软化加速。

Tips:充电时,若失水量增大,可能会造成壳体过热、膨胀变形等损伤。
  • 切勿随意增大电动车电机功率

改装后对电池负荷较大,影响使用寿命

结语

虽然牛津电铃只是一种实验性的电铃,并且目前其原理也还尚未知晓,但总会有彻底清楚的一天。牛津电铃实验看似没有意义,但当时在区分电化学理论和另一种过时的理论时,牛津电铃是提供了一定帮助的。

Tips:等到牛津电铃停下来的那天,科学家对其拆解研究后,或许能够将其中的原理利用到现实生活中。

电池的发明将人类的生活水平大幅提高了,在科技发展迅速的今天,各式各样充满科技元素电子设备围绕在我们身边,智能手机、蓝牙耳机、电动车等为我们带来了极大的方便与乐趣。不过,科技再高的电子产品,如果电子产品的续航条件跟不上,那么口碑也定将大打折扣,开发一种容量大,成本适中的高性能的化学电池目前来看是一个比较有前景的方向。

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