化學(xué)電源 第1章 緒論

1、1 化學(xué)電源工藝學(xué) 程新群程新群 2 電化學(xué)工業(yè) 化學(xué)電源 電鍍（表面工程） 腐蝕與防護(hù) 電解加工（精煉與提純、切削與拋光） 電化學(xué)合成 電化學(xué)傳感器 3 參考教材參考教材 1.化學(xué)電源化學(xué)電源 程新群，程新群，化學(xué)工業(yè)出版社，化學(xué)工業(yè)出版社，2008 2.化學(xué)電源工藝學(xué)化學(xué)電源工藝學(xué) 史鵬飛，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，史鵬飛，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006 3.化學(xué)電源：電池原理及制造技術(shù)化學(xué)電源：電池原理及制造技術(shù) 郭炳焜，中南大學(xué)出版社，郭炳焜，中南大學(xué)出版社，2009 4 參考期刊 國(guó)內(nèi) 電池 電源技術(shù) 電池工業(yè) 蓄電池 電化學(xué) 化學(xué)與物理電源系統(tǒng) 化學(xué)類其他期刊 國(guó)際 J. Power

2、Sources Solid State Ionics Fuel Cell Electrchemica Acta Electrochemical communication J. Electrochem Soc. Electrochemical and solid state letters J. Solid state electrochemistry J. Applied electrochemistry Electrochemistry J. New materials for electrochemical system Others 5 1.化學(xué)電源的重要意義化學(xué)電源的重要意義 化學(xué)電

3、源電池 electrochemical power source battery / cell 能源技術(shù)與工業(yè)在現(xiàn)代社會(huì)中的地位：能源危機(jī) 能源化學(xué)工程新專業(yè) 能源的使用：在線、離網(wǎng) 油氣煤：儲(chǔ)運(yùn)方便、效率低、污染大 電：清潔、缺乏有效儲(chǔ)電手段(電池、抽水電站、壓縮空氣等) 太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源技術(shù)發(fā)展的需要 現(xiàn)代電子設(shè)備：功能多,小巧便攜,自動(dòng)化程度高 設(shè)備大腦：芯片，設(shè)備心臟：電池 6 國(guó)家項(xiàng)目與政策支持： 973973項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究，電池方向至項(xiàng)目：國(guó)家重大基礎(chǔ)研究，電池方向至20201111年共年共8 8項(xiàng)項(xiàng) 20122012年：年： 高比能直接甲醇燃料電池關(guān)鍵納米材料與納米結(jié)

4、構(gòu)研究 碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎(chǔ)研究 基于貴金屬替代的新型動(dòng)力燃料電池關(guān)鍵技術(shù)和理論基礎(chǔ)研究 納米結(jié)構(gòu)材料在先進(jìn)能源器件應(yīng)用中的表界面研究 另外太陽(yáng)能電池方向約有另外太陽(yáng)能電池方向約有6 6項(xiàng)項(xiàng) 7 國(guó)家項(xiàng)目與政策支持： 國(guó)家863項(xiàng)目：節(jié)能與新能源汽車重大專項(xiàng)，十一五經(jīng)費(fèi)達(dá)12億元， 十二五一期經(jīng)費(fèi)為7.38億元，其中1/3用于電池 十城千輛：首批13城市，總共25城市，電動(dòng)車規(guī)模試 驗(yàn) 節(jié)能減排：電池是高效綠色能源 十二五期間國(guó)家優(yōu)先發(fā)展七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)：節(jié)能環(huán)保、 新能源、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造業(yè)、新材料、新能源汽車 名詞：“充電” 8 2. 生活中的電池品種 9

5、2. 生活中的電池品種 鋅錳電池（Zn-MnO2） 鎘鎳電池（Cd-NiOOH） 鉛酸電池（Pb-acid） 金屬氫化物-鎳電池(MH-NiOOH) 氫鎳電池（H2-NiOOH） 鋅鎳電池（Zn-NiOOH） 鋅氧化銀電池 鋰電池 鋰離子電池 金屬-空氣電池 燃料電池 Fuel Cell 海水電池：Mg(Al)-CuCl2電池電池(AgCl) 10 其他電池 Zn(Cd)-HgO電池： 聚合物電池 鈉硫電池：1.782.08V。比能量高，300，電力 調(diào)峰 熱電池：儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)、激活時(shí)間短，400600oC 鋅溴電池 液流電池：大規(guī)模儲(chǔ)能 其他新型電池 11 廢舊電池 12 3. 化學(xué)電源定義

6、化學(xué)電源化學(xué)電源：將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接直接轉(zhuǎn)變?yōu)?電能的裝置叫做化學(xué)電源（電池） Electrochemical power source, battery, cell 手電筒中用的干電池和汽車蓄電池是兩種在外 形上和使用上都不相同的電池，可是它們都靠 各自內(nèi)部的化學(xué)變化向外提供電能，所以我們 稱它為化學(xué)電源。 研究化學(xué)電源工作原理和制造技術(shù)的一門學(xué)科 稱為化學(xué)電源工藝學(xué)化學(xué)電源工藝學(xué)。 13 物理電源 通常把熱能、光能、機(jī)械能、核能 等轉(zhuǎn)變成電能的裝置叫做物理電源( 如發(fā)電機(jī)、太陽(yáng)能電池、溫差發(fā)電 器、原子能電池、風(fēng)能發(fā)電等) 14 生物電池 生物能 生物燃料電池 15 4.化學(xué)電源特點(diǎn)

7、化學(xué)電源特點(diǎn) 1. 既能釋放能量，又能貯存能量 能量貯存器能量貯存器，能量轉(zhuǎn)換器能量轉(zhuǎn)換器 2. 能量轉(zhuǎn)換效率高，無(wú)噪音 21世紀(jì)全新的高效、節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電方式之一 3. 電流、電壓、容量和幾何尺寸可調(diào) 扣式電池幾個(gè)毫安時(shí)，潛艇電池288塊大型鉛酸電池，每只 8000安時(shí)，重1噸。微型電池可制作在電路板上 16 4. 便于攜帶，使用簡(jiǎn)便 太陽(yáng)能電池對(duì)使用環(huán)境也有要求：光線 5. 能經(jīng)受各種環(huán)境的考驗(yàn)(如沖擊、震動(dòng) 、旋轉(zhuǎn))。 導(dǎo)彈發(fā)射，車輛振動(dòng)，耐高加速度、耐振動(dòng)、耐旋轉(zhuǎn)， 真空環(huán)境中也可工作 6. 工作溫度范圍寬 -4060 7. 維護(hù)方便 17 5. 電池應(yīng)用 應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部

8、門 海：潛艇、航標(biāo)、魚雷、輪船。 陸：電信、電站、車輛起動(dòng)與照明、家用電器、玩具、應(yīng)急 燈、收錄音機(jī)、計(jì)算器、手機(jī)、UPS、新能源儲(chǔ)能。 空：飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、制導(dǎo)武器、 智能武器 地下：礦燈、地下應(yīng)急設(shè)施 185:3918 第一章第一章 化學(xué)電源概論化學(xué)電源概論 19 1.1化學(xué)電源發(fā)展歷史化學(xué)電源發(fā)展歷史 巴格達(dá)電池（2000年前） 1936年巴格達(dá)考古發(fā)現(xiàn) 向陶瓶?jī)?nèi)倒入一些酸或堿水，便 可以發(fā)電，推測(cè)為電池 在巴格達(dá)近郊，繼發(fā)現(xiàn)古電池之 后，還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多電鍍物品 20 1786年 伽伐尼現(xiàn)象“動(dòng)物電” 17371798 意大利醫(yī)生和 動(dòng)物學(xué)家 21 伏打序列與伏打電

9、堆 意大利著名物理學(xué)家, 17451827 1793年，提出“金屬電” 兩種金屬 1796年，第一類導(dǎo)體與第二類導(dǎo)體 1797年，根據(jù)各種金屬接觸的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，伏打列出了 “鋅鉛錫鐵銅銀金”的次序，這就是著 名的伏打序列。其中兩種金屬相接觸時(shí)，位于序列前 面的都帶負(fù)電、后面的帶正電。 1800年，伏打電堆 22 伏打電堆的促進(jìn)了電學(xué)的發(fā)展：歐姆 定律，電磁學(xué)，電動(dòng)機(jī)，發(fā)電機(jī) 1800年，利用電池電解水實(shí)驗(yàn)：氫氣 和氧氣 1834年， 法拉第電解定律：電與化 學(xué)反應(yīng)的定量關(guān)系 1836年， 丹尼爾電池 第一種實(shí)用性電池第一種實(shí)用性電池 23 200多年中，化學(xué)電源的重要進(jìn)展 1859年法國(guó)科學(xué)家P

10、lante發(fā)明了鉛酸蓄電池(這是世界上 第一個(gè)可充電池) 1868年法國(guó)科學(xué)家勒克朗謝(Leclanche)研制成功鋅錳干 電池。 1889年瑞典的Junghet(雍格納)：鎘鎳蓄電池 1901年美國(guó)愛(ài)迪生：Fe-Ni蓄電池。 24 發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)使得電池的發(fā)展受到抑制， 20世紀(jì)四十年代以后，化學(xué)電 源工業(yè)得到迅速發(fā)展。 40年代，中性鋅-空氣電池、鋅-銀電池(法國(guó)安德烈)、鋅-汞(美國(guó)茹濱) 50年代：堿性鋅錳電池 60年代：燃料電池 阿波羅飛船 70年代：各種鋰電池 80年代：氫鎳蓄電池 90年代：鋰離子電池 二十一世紀(jì)：新型綠色環(huán)保電池(金屬氫化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、 無(wú)汞堿性鋅錳電

11、池和可充堿錳電池、燃料電池、聚合物鋰電池或鋰離子 蓄電池。 25 電池發(fā)展的推動(dòng)力量：電池發(fā)展的推動(dòng)力量： 1）電池的發(fā)展和軍事工業(yè)的發(fā)展密不可分 u 航天技術(shù)：Ni-Cd，Ni-H，燃料電池 u 衛(wèi)星火箭：鋅銀電池，航天部有兩個(gè)廠：貴州，上海 u 潛艇：鉛酸電池，481，德國(guó)212潛艇：燃料電池 u 地雷：感應(yīng)式地雷，貯存壽命長(zhǎng) u 單兵系統(tǒng) 2）20世紀(jì)90年代的發(fā)展主要是電子通訊工業(yè)的推動(dòng)：手機(jī)、通訊基站、 MP3、MP4等 3）電動(dòng)汽車與新能源儲(chǔ)能對(duì)電池是一個(gè)巨大的推動(dòng)。EV，HEV，863節(jié)能 與新能源汽車重大專項(xiàng)，十城千輛工程，財(cái)政補(bǔ)貼 26 4）新材料的發(fā)展也促進(jìn)了電池的發(fā)展：M

12、H， LiC6、SOFC中的高溫密封材料等 5）資源 6）環(huán)境 用戶對(duì)化學(xué)電源的要求：高比能量，高可靠性， 長(zhǎng)壽命，無(wú)污染 27 我國(guó)電池生產(chǎn)概況 從1982年開(kāi)始，我國(guó)超過(guò)美國(guó)成為世界第一民用電池生產(chǎn) 大國(guó) 我國(guó)電池產(chǎn)量年均增長(zhǎng)10%，產(chǎn)值年均增長(zhǎng)19%。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),我國(guó)從事電池及其材料研制的單位達(dá)數(shù)百 家, 生產(chǎn)電池及材料的廠家多達(dá)2000余家,出版電池專業(yè) 雜志或信息的刊物也達(dá)十余家。 28 2008年，我國(guó)電池產(chǎn)量達(dá)360億只，總產(chǎn)值超2000億元 。出口254億只，88億美元。 中國(guó)電池產(chǎn)量已連續(xù)超過(guò)世界電池總產(chǎn)量的1/3，成為 世界電池主要生產(chǎn)地，是國(guó)外采購(gòu)電池的首選地。 20

13、10年電池總產(chǎn)量400多億只，占全世界50%以上，出 口300多億只 我國(guó)電池生產(chǎn)企業(yè)超過(guò)50%分布在江浙滬和廣東沿海地 區(qū)，配套完善。 29 中國(guó)電池主要廠家 比亞迪 風(fēng)帆 光宇 雙登 南都 力神 比克 30 酸性電解液電池 acid battery 堿性電解液電池 alkaline battery 中性電解液電池neutral battery 有機(jī)電解質(zhì)溶液電池organic electrolyte battery 固體電解質(zhì)電池solid electrolyte battery 熔融鹽電解質(zhì)電池melton electrolyte battery 聚合物電解質(zhì)電池polymer elec

14、trolyte battery 1.2 電池的分類（電解液類型） 31 電池的分類（電池形狀） 圓柱式電池 cylindrical/ round battery 扣式電池 button/coin battery 方形電池 prismatic battery 紙式電池 paper battery 微電池 microbattery 微電池與微芯片、 微電子機(jī)械系統(tǒng) 集成設(shè)計(jì)。 紙紙 電電 池池 32 電池的分類（工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式） 一次電池（原電池）Primary battery / Galvanic battery 電池放電后，不能用充電方法將它回復(fù)到放電前的初始狀態(tài)的一類電池 鋅-二氧化錳干

15、電池 ZnNH4Cl、ZnCl2MnO2（dry cell） 扣式鋅-氧化銀 ZnKOHAg2O或AgO 鋅-汞電池 ZnKOHHgO 鋅-空氣電池 ZnKOHO2 鋰電池(鋰錳)： LiLiClO4，PC-DMEMnO2 特點(diǎn)：小型，攜帶方便 33 電池的分類（工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式） 二次電池（蓄電池）Secondary battery / storage battery / rechargeable battery，accumulator 電池放電后，可以用充電方法使活性物質(zhì)恢復(fù)到放電前狀態(tài)，從而能夠再 次放電的一類電池，充放電過(guò)程可以反復(fù)進(jìn)行。 鉛酸：Pb | H2SO4 | PbO2 鎘

16、鎳 Cd | KOH | NiOOH 鐵鎳 Fe | KOH | NiOOH 鋰離子電池 LiC6LiPF6，EC-DEC-EMCLiCoO2 循環(huán)使用 34 電池的分類（工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式） 貯備電池 (激活電池）Reserve battery / activated battery 在貯存期間，電解質(zhì)和電極活性物質(zhì)分離或電解質(zhì)處于惰性狀態(tài)，使用前 注入電解質(zhì)或通過(guò)其他方式使電池激活，電池立即開(kāi)始工作。 鋅一銀電池 ZnKOHAg2O(AgO)，使用前注入電解液 熱電池: CaLiCl-KClPbSO4，鐵粉燃燒產(chǎn)生大量熱量，使得電解質(zhì)熔融 熱電池種類很多 激活時(shí)間短 35 電池的分類（工作

17、性質(zhì)和儲(chǔ)存方式） 燃料電池 full cell 電池中的電極材料是惰性的，是活性物質(zhì)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，而正負(fù)極活性物質(zhì)分別儲(chǔ) 存在電池體外，當(dāng)活性物質(zhì)連續(xù)不斷地注入電池時(shí)，電池就能不斷地輸出電能。 連續(xù)工作 種類：AFC、PAFC、MCFC、SOFC、PEMFC、 DMFC. 3636 1.3 化學(xué)電源的工作原理 化學(xué)電源是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置?；瘜W(xué)電源是化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的裝置。 3737 雙電層雙電層 負(fù) 極 正 極 化學(xué)電源內(nèi)部的電勢(shì)變化 discharge Charge 3838 化學(xué)電源要實(shí)現(xiàn)將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能 必須具備的條件 例1：濃硫酸稀釋 例2：酸堿中和 例3：

18、置換 例4：鎂條燃燒 (1)化學(xué)反應(yīng)必須是氧化還原反應(yīng)，而且氧化和 還原過(guò)程必須分隔在兩個(gè)空間進(jìn)行 例4：鐵的腐蝕 (2)氧化還原反應(yīng)發(fā)生時(shí) 電子必須經(jīng)過(guò)外線路 3939 幾個(gè)概念： 成流反應(yīng)：Current Producing Reaction 電池工作時(shí)，電極上發(fā)生的產(chǎn)生電能的電化學(xué)反應(yīng) 活性物質(zhì)：Active Material / Mass 電極上能夠參加電化學(xué)反應(yīng)、釋放電能的物質(zhì) 4040 幾個(gè)概念： 正極：Positive Electrode 負(fù)極：Negative Electrode 陰極：Cathode 陽(yáng)極：Anode 電池電極 放電充電 正極陰極陽(yáng)極 負(fù)極陽(yáng)極陰極 4141

19、1.4 電池的組成 4242 電池的組成 正極 負(fù)極 隔 膜 電解液（電解質(zhì)） 外殼 電極 離子導(dǎo)體，傳遞正負(fù)極間電荷 防止正負(fù)極活性物質(zhì)接觸造成內(nèi)部短路，對(duì)離子運(yùn)動(dòng)阻力小，電子絕緣體 組成： 4343 （1）電極）電極（electrode) 電池的核心電池的核心 電極中參加成流電極中參加成流 反應(yīng)、產(chǎn)生電能的物質(zhì)。反應(yīng)、產(chǎn)生電能的物質(zhì)。 傳導(dǎo)電子，使電傳導(dǎo)電子，使電 流分布均勻；支撐活性物流分布均勻；支撐活性物 質(zhì)。質(zhì)。 活性物質(zhì)：活性物質(zhì)： 導(dǎo)電骨架導(dǎo)電骨架: 4444 活性物質(zhì)活性物質(zhì)(activematerial/mass) 對(duì)活性物質(zhì)的要求對(duì)活性物質(zhì)的要求: 電化學(xué)活性高；電化學(xué)活性

20、高；G0，i0大 組成電池電動(dòng)勢(shì)高：組成電池電動(dòng)勢(shì)高： 正極活性物質(zhì)電勢(shì)盡可能正正極活性物質(zhì)電勢(shì)盡可能正 負(fù)極活性物質(zhì)電勢(shì)盡可能負(fù)負(fù)極活性物質(zhì)電勢(shì)盡可能負(fù) 質(zhì)量比容量和體積比容量大質(zhì)量比容量和體積比容量大 電化當(dāng)量，密度電化當(dāng)量，密度 在電解液中化學(xué)穩(wěn)定性好在電解液中化學(xué)穩(wěn)定性好 電子導(dǎo)電性好電子導(dǎo)電性好 資源豐富，價(jià)格便宜資源豐富，價(jià)格便宜 環(huán)境友好環(huán)境友好 4545 常用活性物質(zhì)常用活性物質(zhì) 活性物質(zhì)存在形式：活性物質(zhì)存在形式： 一般為固體（一般為固體（Zn、PbO2等），也有氣體（等），也有氣體（H2、O2）、液體）、液體 （SO2）或漿料（）或漿料（ZnO） 常用活性物質(zhì)種類：常用活性

21、物質(zhì)種類： 正極活性物質(zhì)：正極活性物質(zhì)： 一般為電極電勢(shì)較高的金屬氧化物、氯化物、氟化物、硫化物一般為電極電勢(shì)較高的金屬氧化物、氯化物、氟化物、硫化物 等。等。如：如：MnO2,PbO2,O2,AgO,NiOOH 負(fù)極活性物質(zhì)：負(fù)極活性物質(zhì)： 一般為電位較低的金屬如：一般為電位較低的金屬如：Zn,Pb,H2,Li,Cd 4646 集流體集流體/導(dǎo)電骨架導(dǎo)電骨架 currentcollector/conductingmatrix 對(duì)導(dǎo)電骨架的要求對(duì)導(dǎo)電骨架的要求: 導(dǎo)電性好導(dǎo)電性好 機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高 加工性好加工性好 化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性好化學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)穩(wěn)定性好 成本、資源、環(huán)保成本

22、、資源、環(huán)保 常用導(dǎo)電骨架材料：Pb、Ni、鋼、Al、Cu、Ag 4747 （2）電解質(zhì)）電解質(zhì)(electrolyte) 電解質(zhì)的作用電解質(zhì)的作用： 正負(fù)極間傳遞電荷，溶液導(dǎo)電；正負(fù)極間傳遞電荷，溶液導(dǎo)電； 正極：正極：2NiOOH+2H2NiOOH+2H2 2O+2eO+2e- -Ni(OH)Ni(OH)2 2+2OH+2OH- - 負(fù)極：負(fù)極：Cd+2OHCd+2OH- -Cd(OH)Cd(OH)2 2+2e+2e- - 參加電極反應(yīng)。參加電極反應(yīng)。 正極：正極：PbOPbO2 2+3H+3H+ +HSO+HSO4 4- -+2e+2e- -PbSOPbSO4 4+2H+2H2 2O O

23、 負(fù)極：負(fù)極：Pb+HSOPb+HSO4 4- -PbSOPbSO4 4+ +H H+ +2e+2e- - 反應(yīng)需要 大量電解液 離子導(dǎo)電,可 減少用量 4848 電解質(zhì)的要求電解質(zhì)的要求： 電導(dǎo)率高，溶液歐姆壓降??；（對(duì)固體電解質(zhì)，電導(dǎo)率高，溶液歐姆壓降??；（對(duì)固體電解質(zhì)， 離子導(dǎo)電性好，電子絕緣；）離子導(dǎo)電性好，電子絕緣；） 化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)； 電化學(xué)穩(wěn)定窗口范圍寬；電化學(xué)穩(wěn)定窗口范圍寬； 沸點(diǎn)高、冰點(diǎn)低，使用溫度范圍寬。沸點(diǎn)高、冰點(diǎn)低，使用溫度范圍寬。 無(wú)毒無(wú)污染、成本無(wú)毒無(wú)污染、成本 4949 電解質(zhì)分類電解質(zhì)分類 按形態(tài)可分為按形

24、態(tài)可分為液態(tài)、固態(tài)、膠態(tài)電解質(zhì)液態(tài)、固態(tài)、膠態(tài)電解質(zhì)。 液體電解質(zhì)可分為液體電解質(zhì)可分為水溶液水溶液和和非水溶液非水溶液。 液體電解質(zhì)：液體電解質(zhì)：溶質(zhì)和溶劑溶質(zhì)和溶劑。 溶質(zhì)作用為無(wú)機(jī)鹽，在溶劑中電離出陰陽(yáng)離子溶質(zhì)作用為無(wú)機(jī)鹽，在溶劑中電離出陰陽(yáng)離子 在正負(fù)極之間起傳遞電荷的作用。在正負(fù)極之間起傳遞電荷的作用。 溶劑起到使溶質(zhì)電離的作用溶劑起到使溶質(zhì)電離的作用。 5050 （3）隔離物）隔離物(separator)：隔膜、隔板：隔膜、隔板 形狀形狀：薄膜、板材、棒材等薄膜、板材、棒材等 作用作用：防止電池正負(fù)極接觸，內(nèi)部短路，同時(shí)吸蓄電解液。防止電池正負(fù)極接觸，內(nèi)部短路，同時(shí)吸蓄電解液。 要

25、求要求： 孔徑、孔隙率，孔隙的均勻分布孔徑、孔隙率，孔隙的均勻分布 電解質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)阻力??；電解質(zhì)離子運(yùn)動(dòng)阻力??； 電子的良好絕緣體；電子的良好絕緣體； 良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗彎曲能力：良好的機(jī)械強(qiáng)度和抗彎曲能力：抗拉、阻止電極上脫落的活抗拉、阻止電極上脫落的活 性物質(zhì)微粒；阻止枝晶的生長(zhǎng)穿透；性物質(zhì)微粒；阻止枝晶的生長(zhǎng)穿透； 化學(xué)穩(wěn)定性好：耐電解液腐蝕，耐氧化、耐還原化學(xué)穩(wěn)定性好：耐電解液腐蝕，耐氧化、耐還原 脹縮率脹縮率 資源、成本、環(huán)保資源、成本、環(huán)保 5151 化學(xué)電源用隔膜化學(xué)電源用隔膜 5252 （4）外殼）外殼(case/can/container) 外殼：外殼：電池的容器。電池的容器

26、。 外殼的要求：外殼的要求： 機(jī)械強(qiáng)度高機(jī)械強(qiáng)度高 耐振動(dòng)耐振動(dòng) 耐沖擊耐沖擊 耐腐蝕耐腐蝕 耐溫差耐溫差 l 只有鋅只有鋅-錳干電池是鋅電極兼作外殼。錳干電池是鋅電極兼作外殼。 5353 1.5化學(xué)電源的電性能化學(xué)電源的電性能 1.5.1電池的電動(dòng)勢(shì)電池的電動(dòng)勢(shì)electromotive force 電池在開(kāi)路條件下，正、負(fù)兩極間的平衡電極電位之差 a A + b B = e E + f F l 不同體系電池具有不同的特征值不同體系電池具有不同的特征值 l 電池的電動(dòng)勢(shì)只和參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)本性、電池的反應(yīng)條件電池的電動(dòng)勢(shì)只和參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)本性、電池的反應(yīng)條件 (即溫度即溫度)及反應(yīng)物與

27、產(chǎn)物的活度有關(guān)，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)、尺及反應(yīng)物與產(chǎn)物的活度有關(guān)，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)、尺 寸大小無(wú)關(guān)。寸大小無(wú)關(guān)。 G=-nFE 00 E Equilibrium Electrode Potential b B a A f F e E nF RT EE ln 0 5454 吉布斯-亥姆霍茲方程式：電池電動(dòng)勢(shì) 與反應(yīng)焓變的關(guān)系： 結(jié)合G=H-TS ， G=-nFE，可以得到電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)： mV/ 等溫條件下，可逆反應(yīng)的熱效應(yīng)為： 溫度系數(shù)：鉛酸電池+0.3 mV/ ，鎘鎳電池-0.5 mV/ () P HE ET nFT () P ES Tn F () RP E QT SnFT T 5555 1

28、.5.2 電池的開(kāi)路電壓 open circuit voltage 電池的開(kāi)路電壓是兩極間所聯(lián)接的外線路處于開(kāi)路 時(shí)，兩極間的電極電勢(shì)之差 如果電池的正、負(fù)極都處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，那么 開(kāi)路電壓就應(yīng)等于電動(dòng)勢(shì) 開(kāi)路電壓總小于電動(dòng)勢(shì), 鋅-空氣電池的電動(dòng)勢(shì)1.646V， 實(shí)際的開(kāi)路電壓為1.4 1.5 V 開(kāi)路電壓與電動(dòng)勢(shì)區(qū)別： 平衡電極電勢(shì)與外界沒(méi) 有電子交換；電極上氧化還應(yīng)和還原反應(yīng)是可逆 的，反應(yīng)速率相等 5656 1.5.3標(biāo)稱電壓標(biāo)稱電壓nominalvoltage 用以表示或識(shí)別一種電池或一個(gè)電 化學(xué)體系的適當(dāng)?shù)碾妷航浦怠?電池的特征值, 也叫額定電壓 5757 5858 1.5.

29、4電池的內(nèi)阻電池的內(nèi)阻(internalresistance) 電池的內(nèi)阻電池的內(nèi)阻R內(nèi) 內(nèi)又稱全內(nèi)阻，是指電流流 又稱全內(nèi)阻，是指電流流 過(guò)電池時(shí)所受到的阻力過(guò)電池時(shí)所受到的阻力 歐姆內(nèi)阻歐姆內(nèi)阻(ohmic resistance)(ohmic resistance) 極化電阻極化電阻(polarization resistance)(polarization resistance) R內(nèi)=R+Rf 5959 電池歐姆內(nèi)阻電池歐姆內(nèi)阻(ohmic resistanceohmic resistance) 歐姆電阻包括電極本身的電阻，電解質(zhì)溶液的電歐姆電阻包括電極本身的電阻，電解質(zhì)溶液的電 阻和

30、隔膜電阻阻和隔膜電阻( (離子通過(guò)隔膜微孔時(shí)受到的阻力離子通過(guò)隔膜微孔時(shí)受到的阻力) ) 歐姆電阻造成的電壓損失與通過(guò)電池的電流強(qiáng)度歐姆電阻造成的電壓損失與通過(guò)電池的電流強(qiáng)度 成正比，符合歐姆定律的關(guān)系成正比，符合歐姆定律的關(guān)系 60 歐姆內(nèi)阻的影響因素：歐姆內(nèi)阻的影響因素： 物質(zhì)特性物質(zhì)特性: :顆粒大小、形狀、晶型顆粒大小、形狀、晶型 電極物料組成電極物料組成：導(dǎo)電劑、添加劑、粘接劑：導(dǎo)電劑、添加劑、粘接劑 電極結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)：尺寸、基體、活性物質(zhì)與電極結(jié)合：尺寸、基體、活性物質(zhì)與電極結(jié)合 電解液電解液：種類、濃度：種類、濃度 隔膜隔膜：種類、孔率、孔徑：種類、孔率、孔徑 電池結(jié)構(gòu)電池結(jié)構(gòu)：

31、卷繞、疊片，正負(fù)極間距離、電池尺寸：卷繞、疊片，正負(fù)極間距離、電池尺寸 制造工藝制造工藝： 荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)： 溫度溫度： 60 6161 極化電阻：polarization resistance 電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所相當(dāng)?shù)碾娮?，電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所相當(dāng)?shù)碾娮瑁娀瘜W(xué) 極化和濃差極化所引起的電阻。 一個(gè)電極的極化電阻隨通過(guò)該電極的電流密度的增 加而增加，并不遵守歐姆定律。 極化內(nèi)阻不是常數(shù)，既隨放電時(shí)間的變化而變化， 也隨放電制度的變化而變化。 在同樣電流密度下，不同電極的極化值可以有很大 的差別，這取決于電極的特性、電極結(jié)構(gòu)，而且與 溫度，電解液溫度、電極結(jié)構(gòu)等多種因素有關(guān)。 626

32、2 電池內(nèi)阻的測(cè)量方法電池內(nèi)阻的測(cè)量方法 鋅錳電池內(nèi)阻表示方法：鋅錳電池內(nèi)阻表示方法： 短路電流法短路電流法short circuit currentshort circuit current 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電池內(nèi)阻測(cè)量方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電池內(nèi)阻測(cè)量方法 1.1.交流法交流法：對(duì)電池施加頻率為1.0kHZ0.1kHz的交流電流Ia時(shí)間 1s5s，測(cè)量此時(shí)間內(nèi)的交流電壓Ua，則Rac=Ua/Ia 2.2.直流法直流法：電池以電流電池以電流I I1 1恒流放電，測(cè)量放電至恒流放電，測(cè)量放電至10s10s末時(shí)的負(fù)載電末時(shí)的負(fù)載電 壓壓U U1 1。然后立即將放電電流增加電流。然后立即將放電電流增

33、加電流I I2 2，測(cè)量和記錄放電至，測(cè)量和記錄放電至3s3s末時(shí)的末時(shí)的 負(fù)載電壓負(fù)載電壓U U2 2。電池的直流內(nèi)阻。電池的直流內(nèi)阻RdcRdc按下式計(jì)算：按下式計(jì)算：R Rdc dc=(U =(U1 1-U-U2 2)/(I)/(I2 2-I-I1 1) ) 歐姆內(nèi)阻測(cè)量常用交流法：交流阻抗方法、方波電流方歐姆內(nèi)阻測(cè)量常用交流法：交流阻抗方法、方波電流方 法法 6363 1.5.5電池的工作電壓電池的工作電壓 (working/operating/on-load/discharge voltage) 電池的工作電壓又稱負(fù)載電壓、放電電壓。是指有電池的工作電壓又稱負(fù)載電壓、放電電壓。是指有

34、 電流流過(guò)外電路時(shí)，電池兩極之間的電勢(shì)差電流流過(guò)外電路時(shí)，電池兩極之間的電勢(shì)差。 V = E - IR內(nèi)= E (R+Rf) 放電電壓隨時(shí)間變化： 放電曲線discharge curve 6464 放電制度： （1）放電方式）放電方式 恒電阻放電恒電阻放電 (constantload/resistance) 恒電流放電恒電流放電 (constantcurrent) 恒功率放電恒功率放電 (constantpower) 655:3965 （2）放電電流放電率，放電速率 放電電流：A 時(shí)率(Hourly Rate)：t 以一定的放電電流，放完額定容量所需的小時(shí)(t) ，t=C/I 是以放電時(shí)間的長(zhǎng)

35、短，來(lái)表示電池放電速度。 放電時(shí)率越大，放電電流越小 倍率(C rate)：x 指電池放電電流的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。 xC 放電倍率越大，放電電流越大 時(shí)率與倍率關(guān)系：x=1/t 如果電池容量為3Ah，實(shí)際放電電流為6A，則用時(shí)率形式和 用倍率形式如何表示？ 6666 不同放電體系，放電性能有很大差別,高倍率電池 Zn/AgO,低倍率電池鋅錳干電池 同一電池體系，不同電極和電池結(jié)構(gòu)，適用不同倍 率 區(qū)分原則： 低倍率放電：I0.5C 中倍率放電:0.5CI3.5C 高倍率放電:3.5CI7C 量綱性錯(cuò)誤量綱性錯(cuò)誤 C是容量，單位是容量，單位Ah I是電流，單位是電流，單位A It=C/1

36、 I=nIt 6767 電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為終止 電壓。 規(guī)定值：考慮電池充分利用，考慮用電設(shè)備需求，并 且根據(jù)放電溫度、放電電流而變化 (3)終止電壓end-of-dischargevoltage;final voltage;cut-offvoltage;end-pointvoltage 6868 （4）放電溫度 溫度越低，工作電壓下降越快，原因：溫度越低，離子運(yùn)動(dòng)速 度越慢，歐姆電阻增加，同時(shí)溫度降低，電化學(xué)極化和濃差極 化也將增大，所以放電曲線下降變化較快 6969 1.5.6電池的容量電池的容量capacity與比容量與比容量specificcapacity 電池

37、的容量是指在一定的放電條件下可以從電池的容量是指在一定的放電條件下可以從 電池獲得的電量電池獲得的電量,單位常用安培小時(shí)單位常用安培小時(shí)(Ah)表示。表示。 必須指明放電制度：必須指明放電制度：電流電流、終止電壓、溫度、終止電壓、溫度 1A1Ah=1000mAh=1000mAh=3600Ah=3600As=3600s=3600庫(kù)侖庫(kù)侖 理論容量理論容量 實(shí)際容量實(shí)際容量 額定容量額定容量 7070 理論容量理論容量(C0)：theoretical capacity 7171 電化當(dāng)量電化當(dāng)量 electrochemicalequivalent 電極的理論容量與活性物質(zhì)質(zhì)量和電化當(dāng)量有關(guān)。電極的

38、理論容量與活性物質(zhì)質(zhì)量和電化當(dāng)量有關(guān)。 理論容量的大小與活性物質(zhì)的質(zhì)量成正比，與該物質(zhì) 的電化當(dāng)量成反比。 常用電池物質(zhì)的電化當(dāng)量：常用電池物質(zhì)的電化當(dāng)量：Pb3.87，Li0.259, Cd2.10, Zn1.22，PbO24.45, MnO23.22, NiOOH3.42, K = ( g/Ah ) n M 8.26 每放出每放出1Ah電量所需要的活性物質(zhì)質(zhì)量電量所需要的活性物質(zhì)質(zhì)量 7272 實(shí)際容量實(shí)際容量(C實(shí) 實(shí)) Measured capacity 電池的實(shí)際容量是指在電池的實(shí)際容量是指在一定放電制度一定放電制度下，電池實(shí)際下，電池實(shí)際 輸出的電量輸出的電量 恒電流放電時(shí)恒電流放

39、電時(shí) C實(shí) 實(shí)= I t 恒電阻放電時(shí)恒電阻放電時(shí) 0 t Idt t Vdt R 0 1 =C實(shí) 實(shí)= 恒功率放電時(shí)恒功率放電時(shí) 7373 活性物質(zhì)的利用率活性物質(zhì)的利用率 utilization(ratio/rate/percent) 利用率的計(jì)算方法利用率的計(jì)算方法 m 活性物質(zhì)的實(shí)際質(zhì)量活性物質(zhì)的實(shí)際質(zhì)量,g m0按電池的實(shí)際容量根據(jù)法拉第定律按電池的實(shí)際容量根據(jù)法拉第定律 計(jì)算出的物質(zhì)量計(jì)算出的物質(zhì)量,g C實(shí) 實(shí)活性物質(zhì)的實(shí)際容量 活性物質(zhì)的實(shí)際容量,mAh/g C0 按電池的實(shí)際容量根據(jù)法拉第定律按電池的實(shí)際容量根據(jù)法拉第定律 計(jì)算出的容量計(jì)算出的容量,mAh/g 7474 活性

40、物質(zhì)利用率的影響因素 物質(zhì)形態(tài)物質(zhì)形態(tài): :顆粒大小、形狀、晶型顆粒大小、形狀、晶型 電極物料組成電極物料組成：導(dǎo)電劑、添加劑、粘接劑：導(dǎo)電劑、添加劑、粘接劑 電極結(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)：尺寸、基體、活性物質(zhì)與電極結(jié)合，孔隙：尺寸、基體、活性物質(zhì)與電極結(jié)合，孔隙 電池結(jié)構(gòu)電池結(jié)構(gòu)：卷繞、疊片，極間距、電池尺寸：卷繞、疊片，極間距、電池尺寸 電解液電解液：種類、濃度、數(shù)量：種類、濃度、數(shù)量 隔膜隔膜：種類、孔率、孔徑：種類、孔率、孔徑 制造工藝制造工藝： 放電制度放電制度：電流、終止電壓、溫度：電流、終止電壓、溫度 7575 額定容量額定容量(C額 額)ratedcapacity 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，

41、設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)， 保證電池在一定的放電條件下(溫度、放電制度) 應(yīng)該放出的最低容量。 C理C實(shí)C額 容量控制電極 三個(gè)容量值之間的關(guān)系？ 如果電池正極容量3Ah，負(fù)極容量3.3Ah，電池容 量是多少？ 7676 比容量比容量specific capacityspecific capacity 單位質(zhì)量或單位體積電池所給出的容量稱為質(zhì)單位質(zhì)量或單位體積電池所給出的容量稱為質(zhì) 量比容量或體積比容量量比容量或體積比容量 用于比較不同電池用于比較不同電池 質(zhì)量比容量：質(zhì)量比容量：Cm=C/m(Ah/Kg) Specificcapacitybyweight/mass Gravimetriccapaci

42、ty 體積比容量：體積比容量：Cv=C/V(Ah/L) Specificcapacitybyvolume Volumetriccapacity Capacitydensity 7777 1.5.7電池的能量電池的能量energy與比能量與比能量specificenergy 能量能量是指電池在一定的放電制度下，對(duì)外做功所輸是指電池在一定的放電制度下，對(duì)外做功所輸 出的出的( (電電) )能量，通常用能量，通常用W W表示，其單位為表示，其單位為WhWh 理論能量理論能量：假設(shè)電池在放電過(guò)程中始終處于平衡狀：假設(shè)電池在放電過(guò)程中始終處于平衡狀 態(tài)，其放電電壓始終保持其電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值。電池活態(tài)，其放電

43、電壓始終保持其電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值。電池活 性物質(zhì)的利用率為性物質(zhì)的利用率為100，則此時(shí)電池應(yīng)該給出的，則此時(shí)電池應(yīng)該給出的 能量為理論能量能量為理論能量W0 W0 = C0E 可逆電池在恒溫恒壓下所作的最大有用功?？赡骐姵卦诤銣睾銐合滤鞯淖畲笥杏霉Α?W0 =-G =-nFE = C0E 7878 實(shí)際能量實(shí)際能量(W) 電池在一定的放電條件下所實(shí)際給出的電能量電池在一定的放電條件下所實(shí)際給出的電能量 在數(shù)值上它等于在數(shù)值上它等于實(shí)際容量和平均工作電壓的乘積實(shí)際容量和平均工作電壓的乘積。 W = CU平 平 實(shí)際電池放電時(shí)，實(shí)際電池放電時(shí)，UE，100%，所以，所以WW0 7979 比能量比能量

44、 比能量比能量是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所放出的能量是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所放出的能量 體積比能量(能量密度energy density) ：?jiǎn)挝惑w積電池所給出的( 電)能量 Wh/m3 質(zhì)量比能量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量電池所給出的(電)能量 Wh/kg 8080 理論比能量： 只包含所有參加反應(yīng)的物質(zhì),電池的理論比能量沒(méi)有包 括電池中的惰性物質(zhì) 電化當(dāng)量：K正極物質(zhì),K負(fù)極物質(zhì),K電解液, 通常只說(shuō)質(zhì)量比能量通常只說(shuō)質(zhì)量比能量Wh/kg 0 0 0 W = C E G 8181 例子： 電化當(dāng)量：3.866+4.463+3.659=11.988 g/Ah 電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì) E=2.044V 22

45、442 PbPbO2H SO2PbSO2H O 0 1000 2.044170.5 Wh/kg 11.988 W 質(zhì)量 8282 實(shí)際質(zhì)量比能量 實(shí)際電池中： 非活性物質(zhì) 過(guò)剩的活性物質(zhì)質(zhì)量 工作電壓小于電動(dòng)勢(shì) 理實(shí) WKKKW mCE m 100% 100% 100% E C V K E C K C m K G 實(shí) 理 電壓效率： 容量效率：（活性物質(zhì)利用率） 質(zhì)量效率： C U W G 平均 實(shí)際 8383 幾種電池的實(shí)際比能量與理論比能量 電池體系 實(shí)際比能量W /（Wh/kg） 理論比能量W0 /（Wh/kg） W/W0 鉛酸電池1050170.30.060.29 鎘鎳電池154021

46、4.30.070.19 鐵鎳電池1025272.50.040.09 鋅銀電池60160487.50.120.33 鋅錳干電池1015251.30.040.06 堿性鋅錳電池30100274.00.110.36 鋅空氣電池10025013500.070.19 8484 1.5.8電池的電池的功率功率power與與比功率比功率powerdensity 電池的功率電池的功率：指在一定放電制度下：指在一定放電制度下,單位時(shí)間內(nèi)電池單位時(shí)間內(nèi)電池 所輸出的能量所輸出的能量,單位為瓦單位為瓦(W)或千瓦或千瓦(kW)。 比功率比功率：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積電池輸出的功率。：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積電池輸出的功率。 質(zhì)量比功率質(zhì)量比功率W/kg，體積比功率，體積比功率W/L。 功率、比功率是化學(xué)電源的重要性能之一。它表