說起手機(jī)電池，鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池大家都不陌生。然而，歷史上還曾經(jīng)出現(xiàn)過一種與眾不同的電池，它的能量密度很高，但是又有天生缺陷，這就是甲醇燃料電池。
需要“加油”的電池
上世紀(jì)九十年代末至本世紀(jì)初，鋰離子電池技術(shù)還不是非常成熟，手機(jī)電池容量有待進(jìn)一步提升，有的企業(yè)索性推出了甲醇燃料電池的手機(jī)。
日本東京舉辦的CEATEC展會(huì)上，KDDI和東芝公司聯(lián)合推出的甲醇燃料電池手機(jī)
這是一種以燃料電池為電源的手機(jī)。與其他電池不同的是，這種手機(jī)的電用光后，不能通過充電恢復(fù)電量，而是需要像加汽油一樣給手機(jī)添加甲醇，電池會(huì)將儲(chǔ)存在甲醇中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能。
鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池中的化學(xué)能直接存儲(chǔ)在電池的正負(fù)極材料當(dāng)中。放電時(shí)，兩種物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成另一種物質(zhì)，同時(shí)對(duì)外釋放電子，提供電能；充電時(shí)，生成物可以通過逆向反應(yīng)變回原來的樣子，于是又可以接著放電。這種可以反復(fù)充放電的電池叫做二次電池。
帶有燃料盒的甲醇燃料電池
甲醇燃料電池的不同之處在于，電池的化學(xué)能不是存儲(chǔ)在電池材料中，而是儲(chǔ)存在燃料當(dāng)中，這里燃料指的就是甲醇，而正負(fù)極材料則起到催化的作用。所以手機(jī)需要配置額外的空間來儲(chǔ)存甲醇，體積會(huì)相對(duì)比較大。當(dāng)手機(jī)快沒電的時(shí)候，我們需要往手機(jī)中注入甲醇，就像沒油的汽車需要添加汽油一樣。
甲醇燃料電池手機(jī)側(cè)面的燃料添加孔
無序的熱能→有序的電能
甲醇燃料電池的基本構(gòu)造主要可以分為陰極、電解質(zhì)和陽極，電池放電時(shí)，陰極就是電池的正極，陽極就是電池的負(fù)極，為了敘述上符合大部分人的習(xí)慣，下文就用以正極、電解質(zhì)和負(fù)極來進(jìn)行闡述。
甲醇燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖
正極和負(fù)極都是由金屬鉑制備而成，它們分別對(duì)氧氣和甲醇進(jìn)行催化。在電池工作時(shí)，正極通入空氣，負(fù)極通入液體的甲醇。甲醇在鉑的催化作用下，失去電子被氧化為二氧化碳，并生成氫離子。負(fù)極的電極反應(yīng)可以寫成：
接著產(chǎn)生的氫離子和電子分別沿著兩條不同的路徑傳輸。氫離子通過電解質(zhì)穿過電池內(nèi)部抵達(dá)正極。電解質(zhì)是一種選擇透過性膜，只有氫離子能從電解質(zhì)的一側(cè)穿過到達(dá)另一側(cè)，而其他原子、分子、離子一律被拒于門外。我們知道原子都是由原子核和核外電子構(gòu)成的，而氫原子又比較特殊，它只有一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子，當(dāng)它失去電子變成氫離子H+，就只剩下一個(gè)裸露的質(zhì)子，所以我們又稱氫離子為質(zhì)子，這種選擇透過性膜因而也叫質(zhì)子交換膜。
氫原子和氫離子
電子則通過外接電路流向正極，在流動(dòng)的過程中順便對(duì)負(fù)載，也就是手機(jī)做一下功，于是手機(jī)就能通語音、玩游戲、聽音樂了。
在正極，空氣中的氧氣在鉑的催化作用下，被分解為氧原子，然后與來自負(fù)極的氫離子和電子結(jié)合形成水。正極的電極反應(yīng)可以寫成：
我們把正極和負(fù)極的半反應(yīng)寫在一起，可以得到下面的反應(yīng)方程式：
看起來是不是有點(diǎn)似曾相識(shí)的感覺？沒錯(cuò)，這個(gè)其實(shí)就是甲醇燃燒的反應(yīng)方程式。所不同的是，燃燒時(shí)電子的轉(zhuǎn)移是混亂無序的，儲(chǔ)存在化學(xué)鍵中的化學(xué)能以熱能的形式釋放；而在燃料電池中，氧化和還原分開進(jìn)行，通過引入電解質(zhì)和外部電路實(shí)現(xiàn)電子的有序運(yùn)動(dòng)，化學(xué)鍵中的化學(xué)能以電能的形式釋放。
實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)待機(jī)
卻沒有被廣泛使用
甲醇燃料電池，最突出的優(yōu)點(diǎn)就是能量密度高，比其它所有電池都要高出很多。1998 年Manhattan Scientifics 公司注冊(cè)了商標(biāo)名為Micro-Fuel Cell用于手機(jī)電源的微型直接甲醇燃料電池，以這種電池為電源的手機(jī)可待機(jī)6個(gè)月， 連續(xù)通話1星期；而當(dāng)時(shí)使用的鋰離子電池只能待機(jī)2星期， 連續(xù)通話5小時(shí)。其續(xù)航能力簡(jiǎn)直不在同一個(gè)檔次。
與所有電池一樣，甲醇燃料電池的應(yīng)用可不僅僅局限于手機(jī)上，筆記本電腦、攝像機(jī)這類需要用到電的便攜式電子產(chǎn)品都能夠讓它一展身手。
一種用甲醇燃料電池的筆記本電腦
來源：科學(xué)大院
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