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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。 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） 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 （图片来源：https://www./about/press/2009_10/pr2201.htm） 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（图片来源：http://news.mydrivers.com/1/146/146118.htm?fr=m） 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（图片来源：Xueye Chen et al. From structures, packaging to application: A system-level review for micro direct methanol fuel cell. 2017.） 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） 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。 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（图片来源：https://www./content.asp?contentid=4348https://news./news/New-Filter-May-Develop-Smaller-Fuel-Cells-for-Laptops-and-Cellphones-52853.shtml）  MTI Micro提出的甲醇燃料电池相机，左边是它的电池盒（图片来源：https://www./latest/photo-news/mystery-camera-maker-signs-fuel-cell-deal-25986） 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。 |
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