第一章-先進(jìn)電池材料

1、授課班級：無機(jī)授課班級：無機(jī)12011201授課人：周授課人：周 偉偉Telmail： 先進(jìn)電池材料先進(jìn)電池材料課程要求課程要求 不遲到，不早退 保持安靜（回答問題除外），不影響他人u 課堂要求課堂要求u 考核要求考核要求 期末總成績60分及以上為合格 總成績按期末考試成績占70%，平時成績占30%計算（考試成績不足50分，平時成績不計入總成績） 平時成績不及格或作業(yè)缺交達(dá)三分之一及以上，平時成績記零分 缺課課時累計達(dá)教學(xué)總課時三分之一及以上，總成績記零分 考核方式：閉卷教材及參考書目教材及參考書目u 教材目錄教材目錄第一章 新能源汽車與綠色環(huán)境第二章 新能源汽車的心

2、臟動力電池第三章 動力電池的類型第四章 動力鋰離子電池的材料第五章 動力金屬氫化物-鎳電池材料第六章 超級電池和鉛碳電池材料第七章 燃料電池材料教材及參考書目教材及參考書目第1章 概述第2章 化學(xué)電源的基本原理第3章 金屬負(fù)極材料第4章 氧化錳電極材料第5章 鎳電極材料第6章 金屬氫化物電極第7章 鉛氧化物第8章 碳材料第9章 隔膜材料第10章 鋰電池和鋰離子電池負(fù)極材料第11章 鋰離子電池正極材料第12章 鋰離子電池的電解液第13章 聚合物電解質(zhì)第14章 高溫電池材料教材及參考書目教材及參考書目u 參考書目參考書目課程主要內(nèi)容課程主要內(nèi)容l 第1章 概論l 第2章 鉛酸電池和超級電池l 第3

3、章 金屬氫化物-鎳電池l 第4章 鋰離子電池材料l 第5章 燃料電池材料l 第6章 太陽能電池材料第第1 1章章 概論概論1.1 前言前言沒有電池，社會將無法發(fā)展！沒有電池，社會將無法發(fā)展！l 電池對社會發(fā)展的重要作用電池對社會發(fā)展的重要作用1.1 前言前言p 歷史歷史 自自1859年年普朗特普朗特（R.G. Plante）試制成功）試制成功鉛酸電池鉛酸電池、1868年法國勒克朗謝（年法國勒克朗謝（G. Leclance）制成鋅錳干電）制成鋅錳干電池以來，化學(xué)電源經(jīng)歷了池以來，化學(xué)電源經(jīng)歷了100多年的發(fā)展歷史，逐步多年的發(fā)展歷史，逐步形成了獨立完整的科技與工業(yè)體系。形成了獨立完整的科技與工業(yè)

4、體系。 當(dāng)今，化學(xué)電源已經(jīng)成為人民生活中極為廣泛的方便當(dāng)今，化學(xué)電源已經(jīng)成為人民生活中極為廣泛的方便能源，在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。能源，在國民經(jīng)濟(jì)中占有十分重要的地位。1.1 前言前言p現(xiàn)狀現(xiàn)狀 隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使電源技術(shù)進(jìn)入了一個隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，促使電源技術(shù)進(jìn)入了一個新的快速發(fā)展時期。新的快速發(fā)展時期。 傳統(tǒng)的化學(xué)電源傳統(tǒng)的化學(xué)電源，如，如鋅錳電池鋅錳電池和和鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池等不斷的更新等不斷的更新?lián)Q代，性能得到長足的進(jìn)步，使這些傳統(tǒng)電池產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出換代，性能得到長足的進(jìn)步，使這些傳統(tǒng)電池產(chǎn)業(yè)表現(xiàn)出了長盛不衰的發(fā)展勢頭；了長盛不衰的發(fā)展勢頭； 新型化學(xué)電源

5、新型化學(xué)電源，如：，如：金屬氫化物鎳電池金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池鋰離子電池、燃燃料電池料電池等綠色、高能電池相繼問世，并以前所未有的速度等綠色、高能電池相繼問世，并以前所未有的速度迅速發(fā)展起來。迅速發(fā)展起來。一個新型化學(xué)電源的時代已經(jīng)到來一個新型化學(xué)電源的時代已經(jīng)到來。1.1 前言前言p 未來未來21世紀(jì)，信息技術(shù)的不斷發(fā)展，將推動電池技術(shù)鑄造新世紀(jì)，信息技術(shù)的不斷發(fā)展，將推動電池技術(shù)鑄造新的輝煌；的輝煌；為了保護(hù)人類的生存環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，調(diào)整能源為了保護(hù)人類的生存環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)，開發(fā)可再生能源技術(shù)開發(fā)可再生能源技術(shù)是是21世紀(jì)人類無法回避的重世紀(jì)人類無法回

6、避的重大課題，儲能技術(shù)將在可再生能源技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮舉大課題，儲能技術(shù)將在可再生能源技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮舉足輕重的作用。足輕重的作用。電池：亦稱為化學(xué)電源，是一種將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電池：亦稱為化學(xué)電源，是一種將化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。能量直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。l 什么是電池？什么是電池？空氣電池空氣電池鋰鋰電電池池1.1 前言前言l 生物電生物電1.2 電池的歷史電池的歷史意大利生物學(xué)家伽伐意大利生物學(xué)家伽伐尼肖像，請注意肖像尼肖像，請注意肖像下部的那半只青蛙。下部的那半只青蛙。 1791年，意大利生物學(xué)家伽伐尼(Galvani)發(fā)現(xiàn)解剖青蛙時出現(xiàn)青蛙腿肌肉的收縮現(xiàn)象，即“生物電”。

7、l 伏特電堆伏特電堆1.2 電池的歷史電池的歷史 1799年，意大利科學(xué)家伏特 (Volta)在伽伐尼(Galvani)實驗基礎(chǔ)上，用鋅片和銀片交替疊放，中間隔以吸有鹽水的皮革，發(fā)現(xiàn)連接兩塊金屬的導(dǎo)線中有電流通過，制成世界上第一個真正的電池，又稱為伏特電堆。伏特電堆伏特電堆伏特伏特l 丹尼爾（丹尼爾（DanielDaniel）電池）電池1.2 電池的歷史電池的歷史結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 1836年，英國人丹尼爾(Daniel)對伏特電堆改進(jìn)，設(shè)計出具有實用性的丹尼爾電池。1.2 電池的歷史電池的歷史實物圖實物圖l 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1859年，法國人普朗特(Plante)

8、發(fā)明鉛酸蓄電池。l 鋅鋅- -二氧化錳電池二氧化錳電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1866年，法國人勒克朗謝(Leclanche)發(fā)明了鋅二氧化錳電池。濕電池濕電池l 鋅鋅錳干電池錳干電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1881年，德國人蓋思樂(Carl Gassner)發(fā)明了鋅錳干電池。l 堿性干電池堿性干電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1949年，加拿大科學(xué)家Lew Urry發(fā)明了堿性干電池。l 鎘鎳蓄電池鎘鎳蓄電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1899年，瑞典化學(xué)家雍格納(Jungner)發(fā)明鎘鎳蓄電池。l 鐵鎳蓄電池鐵鎳蓄電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1901年，美國發(fā)明家愛迪生

9、(Edison)發(fā)明鐵鎳蓄電池。放電放電/ /充電充電負(fù)極負(fù)極 : Fe + H2O - e- Fe(OH)3正極正極 : NiOOH + H2O + e- Ni(OH)2l 金屬氫化物鎳蓄電池金屬氫化物鎳蓄電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1969年，飛利浦實驗室發(fā)現(xiàn)了儲氫性能很好的新型合金，并于1985年研制成功金屬氫化物鎳蓄電池，1990年日本和歐洲實現(xiàn)了這種電池的產(chǎn)業(yè)化。l 鋰離子電池鋰離子電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1991年，索尼公司率先研制成功鋰離子電池。l 燃料電池燃料電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1839年，英國的格羅夫(Grove)通過將水的電解程逆轉(zhuǎn)發(fā)現(xiàn)了燃料電

10、池的工作原理。1.2 電池的歷史電池的歷史 20世紀(jì)60年代，美國NASA成功研制出第一個實用性的1.5kW堿性燃料電池，用于航天飛行器； 20世紀(jì)90年代，新型質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)取得了一系列突破性發(fā)展。l 太陽能電池太陽能電池1.2 電池的歷史電池的歷史 1954年，美國貝爾實驗室的Calvin Fuller, Gerald Pearson和Daryl Chaplin發(fā)明了硅基半導(dǎo)體太陽能電池，效率為6%，這是人類歷史上首次利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能，從此開創(chuàng)了太陽能電池的新篇章。1.2 電池的歷史電池的歷史1.3 電池的分類電池的分類l 按電解液的類型按電解液的類型酸性電池：酸性電池：電解液

11、為酸性水溶液的電池電解液為酸性水溶液的電池堿性電池：堿性電池：電解液為堿性水溶液的電池電解液為堿性水溶液的電池中性電池：中性電池：電解液為中性水溶液的電池電解液為中性水溶液的電池有機(jī)電解質(zhì)溶液電池：有機(jī)電解質(zhì)溶液電池：電解液為有機(jī)電解質(zhì)溶電解液為有機(jī)電解質(zhì)溶 液的電池液的電池固體電解質(zhì)電池：固體電解質(zhì)電池：采用固體電解質(zhì)的電池采用固體電解質(zhì)的電池熔融鹽電解質(zhì)電池：熔融鹽電解質(zhì)電池：采用熔融鹽電解質(zhì)的電池采用熔融鹽電解質(zhì)的電池電池電池1.3 電池的分類電池的分類l 按工作性質(zhì)按工作性質(zhì)一次電池（原電池）一次電池（原電池）（放電后不能用充電方法使它恢復(fù)到放電前狀態(tài)的一類電池）鋅錳電池鋅錳電池鋅銀電

12、池鋅銀電池鋰二氧化錳電池鋰二氧化錳電池二次電池（蓄電池）二次電池（蓄電池）（放電后能用充電方法使活性物質(zhì)恢復(fù)到放電前狀態(tài)，從而能再次放電的一類電池）鎘鎳電池鎘鎳電池鉛酸電池鉛酸電池金屬氫化物鎳電池金屬氫化物鎳電池鋰離子電池鋰離子電池燃料電池（連續(xù)電池）燃料電池（連續(xù)電池）（放電后不能用充電方法使它恢復(fù)到放電前狀態(tài)的一類電池）質(zhì)子交換膜燃料電池質(zhì)子交換膜燃料電池堿性燃料電池堿性燃料電池電池電池1.4 電池的工作原理電池的工作原理 兩個必要條件：兩個必要條件：（1 1）化學(xué)反應(yīng)中失去電子的過程（即氧化過程）和得到電子）化學(xué)反應(yīng)中失去電子的過程（即氧化過程）和得到電子的過程（即還原過程）必須的過程（

13、即還原過程）必須分隔在兩個區(qū)域（負(fù)極和正極）分隔在兩個區(qū)域（負(fù)極和正極）中進(jìn)行；中進(jìn)行；（2 2）物質(zhì)在進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過程中）物質(zhì)在進(jìn)行轉(zhuǎn)變的過程中電子必須通過外電路電子必須通過外電路。 充放電反應(yīng)的不同：充放電反應(yīng)的不同： 放電時，電池放電時，電池負(fù)極負(fù)極發(fā)生發(fā)生氧化反應(yīng)氧化反應(yīng)，此時是，此時是陽極陽極，正極正極發(fā)生發(fā)生還原反應(yīng)還原反應(yīng)，此時是，此時是陰極陰極；而充電時進(jìn)行的反應(yīng)正好與；而充電時進(jìn)行的反應(yīng)正好與此相反，負(fù)極進(jìn)行還原反應(yīng)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)。此相反，負(fù)極進(jìn)行還原反應(yīng)，正極發(fā)生氧化反應(yīng)。1.4 電池的工作原理電池的工作原理電池在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，兩個電極上進(jìn)行的氧化還原電池在實現(xiàn)能量

14、轉(zhuǎn)換過程中，兩個電極上進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)必須分別在兩個分開的區(qū)域進(jìn)行，這一點區(qū)別于反應(yīng)必須分別在兩個分開的區(qū)域進(jìn)行，這一點區(qū)別于一般一般的氧化還原反應(yīng)的氧化還原反應(yīng)；兩電極的活性物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)兩電極的活性物質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)所需的電子必需由外所需的電子必需由外線路傳遞線路傳遞，這一點區(qū)別于金屬電化學(xué)腐蝕過程的微電池反，這一點區(qū)別于金屬電化學(xué)腐蝕過程的微電池反應(yīng)；應(yīng)；電池內(nèi)部兩電極間不是通過自由電子而是通過電解質(zhì)中電池內(nèi)部兩電極間不是通過自由電子而是通過電解質(zhì)中離離子的遷移導(dǎo)電的子的遷移導(dǎo)電的。 電池具有以下三個顯著特征：電池具有以下三個顯著特征：1.5 電池的組成電池的組成l 四個組成部

15、分：電極、電解質(zhì)、隔離物和外殼四個組成部分：電極、電解質(zhì)、隔離物和外殼 電極電極：包括：包括活性物質(zhì)活性物質(zhì)和和導(dǎo)電骨架導(dǎo)電骨架活性物質(zhì)活性物質(zhì)導(dǎo)電骨架導(dǎo)電骨架正極活性物質(zhì)正極活性物質(zhì)：金屬氧化物(PbO2, MnO2, NiO)負(fù)極活性物質(zhì)負(fù)極活性物質(zhì)：較活潑金屬(Zn, Pb, Li, Fe等)導(dǎo)電劑導(dǎo)電劑粘結(jié)劑粘結(jié)劑緩蝕劑緩蝕劑（具有導(dǎo)電和支撐活性物質(zhì)作用）1.5 電池的組成電池的組成 作用：作用：保證正負(fù)極間的保證正負(fù)極間的離子離子導(dǎo)電作用導(dǎo)電作用 要求：要求：高導(dǎo)電率、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)、易于長期高導(dǎo)電率、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)、易于長期貯存。貯存。 分類：分類：可分為水溶液電解

16、質(zhì)、非水液體電解質(zhì)、固體電可分為水溶液電解質(zhì)、非水液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)。解質(zhì)、熔融鹽電解質(zhì)。 電解質(zhì)電解質(zhì)1.5 電池的組成電池的組成（1 1）水溶液電解質(zhì)）水溶液電解質(zhì)水的介電常數(shù)大，溶解和離解電解質(zhì)的能力強，黏度小，對水的介電常數(shù)大，溶解和離解電解質(zhì)的能力強，黏度小，對離子移動的阻力??；離子電導(dǎo)率高，一般為離子移動的阻力?。浑x子電導(dǎo)率高，一般為0.110 -1 cm-1。熔點熔點0 C，沸點，沸點100 C，所以不能在極地和宇宙空間等低溫，所以不能在極地和宇宙空間等低溫條件下使用，高溫儲存性能亦差。條件下使用，高溫儲存性能亦差。水的分解電壓為水的分解電壓為1.23 V左右。

17、左右。水溶液電解質(zhì)電池主要有：鋅錳、鋅鎳、鋅銀、鋅汞、鋅空水溶液電解質(zhì)電池主要有：鋅錳、鋅鎳、鋅銀、鋅汞、鋅空氣、鐵鎳、氫鎳、鎘鎳、氣、鐵鎳、氫鎳、鎘鎳、鉛酸電池鉛酸電池等等。1.5 電池的組成電池的組成（2 2）非水有機(jī)液體電解質(zhì)）非水有機(jī)液體電解質(zhì)在比在比水更寬的溫度范圍和電位范圍內(nèi)水更寬的溫度范圍和電位范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。但溶解電解是穩(wěn)定的。但溶解電解質(zhì)的能力小，電導(dǎo)率一般比水溶液低質(zhì)的能力小，電導(dǎo)率一般比水溶液低12個數(shù)量級，通常為個數(shù)量級，通常為10-110-2 -1 cm-1。 。常用的非水有機(jī)溶劑有：碳酸丙烯酯（常用的非水有機(jī)溶劑有：碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯）、碳酸乙烯酯（EC

18、）、碳酸二乙酯（）、碳酸二乙酯（DEC）、四氫呋喃（）、四氫呋喃（THF）等；）等；電解質(zhì)有：電解質(zhì)有：LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF6等。等。非水有機(jī)液體電解質(zhì)電池主要有：鋰電池（非水有機(jī)液體電解質(zhì)電池主要有：鋰電池（Li/MnO2、 Li/SO2 、Li/(CFx)n等，鎂電池，鋰離子電池。等，鎂電池，鋰離子電池。1.5 電池的組成電池的組成（3 3）非水無機(jī)液體電解質(zhì)）非水無機(jī)液體電解質(zhì)主要應(yīng)用于主要應(yīng)用于鋰電池鋰電池，非水無機(jī)溶劑有：，非水無機(jī)溶劑有：POCl3(磷酰氯）磷酰氯）POFCl2（磷酰氟二氯）、（磷酰氟二氯）、SOCl2（亞硫酰氯）、（亞硫酰氯）、SO2C

19、l2（硫酰氯），兼作正極活性物質(zhì)。電解質(zhì)是（硫酰氯），兼作正極活性物質(zhì)。電解質(zhì)是LiAlCl4、AlCl3(用于激活式用于激活式Li/SOCl2電池）。電池）。（4 4）固體電解質(zhì)）固體電解質(zhì)包括包括無機(jī)無機(jī)固體電解質(zhì)和固體電解質(zhì)和聚合物聚合物固體電解質(zhì)；固體電解質(zhì)；固體電解質(zhì)主要問題是固體電解質(zhì)主要問題是離子電導(dǎo)率較低離子電導(dǎo)率較低，無機(jī)固體電解質(zhì)電，無機(jī)固體電解質(zhì)電導(dǎo)率為導(dǎo)率為10-110-3 -1 cm-1 ，通常要在高溫下工作；聚合物固，通常要在高溫下工作；聚合物固體電解質(zhì)的電導(dǎo)率目前只能達(dá)到體電解質(zhì)的電導(dǎo)率目前只能達(dá)到10-410-5 -1 cm-1 。聚合物固體電解質(zhì)電池主要是：聚

20、合物鋰離子電池。聚合物固體電解質(zhì)電池主要是：聚合物鋰離子電池。1.5 電池的組成電池的組成 隔離物或隔膜隔離物或隔膜 作用：置于電池兩極之間，主要作用是防止電池正負(fù)作用：置于電池兩極之間，主要作用是防止電池正負(fù)極接觸而短路。極接觸而短路。 要求：較高離子傳輸能力，較低電子導(dǎo)電能力，好的要求：較高離子傳輸能力，較低電子導(dǎo)電能力，好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強度，材料來源豐富，價格化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強度，材料來源豐富，價格低廉。低廉。 可分為微孔膜和半透膜兩種，隔膜材料包括有機(jī)材料可分為微孔膜和半透膜兩種，隔膜材料包括有機(jī)材料和無機(jī)材料。和無機(jī)材料。1.5 電池的組成電池的組成 外殼外殼 也就是

21、電池容器也就是電池容器 要求：良好的機(jī)械強度、耐震動和沖擊、耐高低溫環(huán)要求：良好的機(jī)械強度、耐震動和沖擊、耐高低溫環(huán)境變化和電解液的腐蝕等。境變化和電解液的腐蝕等。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 電池的電動勢電池的電動勢概念：在外電路開路時，即沒有電流流過電池時，正負(fù)概念：在外電路開路時，即沒有電流流過電池時，正負(fù)電極之間的電極之間的平衡平衡電極電勢之差稱為電池的電動勢電極電勢之差稱為電池的電動勢。 反映：電動勢的大小是標(biāo)志電池體系反映：電動勢的大小是標(biāo)志電池體系可輸出電能可輸出電能多少的多少的指標(biāo)之一。指標(biāo)之一。影響因素：電池的電動勢只和參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)本性、影響因素：電池的電動勢

22、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）及反應(yīng)物與產(chǎn)物的活度有關(guān)，電池的反應(yīng)條件（即溫度）及反應(yīng)物與產(chǎn)物的活度有關(guān)，而而與電池的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸大小無關(guān)與電池的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸大小無關(guān)。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 電池的開路電壓電池的開路電壓概念：電池的開路電壓是指電池兩級間所連接的外線路概念：電池的開路電壓是指電池兩級間所連接的外線路處于斷路時電極間的電勢差。正、負(fù)極在電解液中不一處于斷路時電極間的電勢差。正、負(fù)極在電解液中不一定處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，因此定處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)，因此電池的開路電壓總是小于電池的開路電壓總是小于電動勢電動勢。測量方式：電池的電動勢是從測量方式：

23、電池的電動勢是從熱力學(xué)函數(shù)熱力學(xué)函數(shù)計算得出，而計算得出，而開路電壓是用開路電壓是用高阻電壓表高阻電壓表實際測量出來的，兩者數(shù)值接實際測量出來的，兩者數(shù)值接近。近。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 電池的內(nèi)阻電池的內(nèi)阻 概念：電池的內(nèi)阻概念：電池的內(nèi)阻R內(nèi)內(nèi)是指電流流過電池時所受到的阻力，是指電流流過電池時所受到的阻力，它包括它包括歐姆內(nèi)阻歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所產(chǎn)生的和電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所產(chǎn)生的極化極化內(nèi)阻內(nèi)阻。 電池的電池的歐姆電阻歐姆電阻R的大小不僅與電解液、電極材料、隔的大小不僅與電解液、電極材料、隔膜的性質(zhì)有關(guān)，還與電池的尺寸、裝配、結(jié)構(gòu)等因素有膜的性質(zhì)有關(guān)，還與電池

24、的尺寸、裝配、結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。關(guān)。 極化電阻極化電阻Rf是指化學(xué)電源的正極與負(fù)極在進(jìn)行電化學(xué)反是指化學(xué)電源的正極與負(fù)極在進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時因極化所引起的內(nèi)阻，包括應(yīng)時因極化所引起的內(nèi)阻，包括電化學(xué)極化電化學(xué)極化和和濃差極化濃差極化所引起的電阻之和。極化電阻與活性物質(zhì)的本性、電極所引起的電阻之和。極化電阻與活性物質(zhì)的本性、電極的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝有關(guān)，特別是與電池的工作條的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝有關(guān)，特別是與電池的工作條件密切相關(guān)，隨放電制度和放電時間的改變而變化。件密切相關(guān)，隨放電制度和放電時間的改變而變化。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 電池的工作電壓電池的工作電壓概念：電池的工作電壓

25、又稱負(fù)載電壓、概念：電池的工作電壓又稱負(fù)載電壓、放電電壓放電電壓，是指，是指有有電流流過外電路電流流過外電路時電池兩級之間的電勢差。時電池兩級之間的電勢差。 工作電壓總是小于開路電壓，當(dāng)工作電壓總是小于開路電壓，當(dāng)E = U開開時，有：時，有： U = E I R內(nèi)內(nèi) = E I ( R + Rf )可見，可見，R內(nèi)內(nèi) ，則，則U。電池放電三種方式：電池放電三種方式：恒電流放電、恒電阻放電和恒功率恒電流放電、恒電阻放電和恒功率放電放電。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo) 恒電阻放電恒電阻放電時，電壓和電流隨時間逐漸降低。時，電壓和電流隨時間逐漸降低。 恒電流放電恒電流放電時，電壓隨時間逐漸降

26、低。時，電壓隨時間逐漸降低。 恒功率放電恒功率放電時，由時，由P = IV可知，電壓隨時間逐漸降低，而電流可知，電壓隨時間逐漸降低，而電流則逐漸增加。則逐漸增加。l 放電電流與放電時間的關(guān)系放電電流與放電時間的關(guān)系l 電壓與放電時間的關(guān)系電壓與放電時間的關(guān)系l 功率與放電時間的關(guān)系功率與放電時間的關(guān)系1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo) 放電電流放電電流，就是電池工作時的輸出電流，通常也稱為放，就是電池工作時的輸出電流，通常也稱為放電率，經(jīng)常用電率，經(jīng)常用時率時率（又稱小時率）和（又稱小時率）和倍率倍率表示。表示。時率：時率：以放電時間表示的放電速率，即以放電時間表示的放電速率，即以一定的放電

27、電流放以一定的放電電流放完全部容量所需的時間完全部容量所需的時間(h)(h)。如：額定容量為。如：額定容量為10A10Ah h的電池，的電池，以以2A2A的電流放電時，時率為的電流放電時，時率為10A10Ah/2A=5 hh/2A=5 h，即電池是以，即電池是以5 5小時率放電。小時率放電。倍率：倍率：電池在規(guī)定時間內(nèi)放完全部容量時，電池在規(guī)定時間內(nèi)放完全部容量時，用電池容量數(shù)值用電池容量數(shù)值的倍數(shù)表示的電流值的倍數(shù)表示的電流值。如：一只。如：一只1010Ah的電池，的電池，2C放電放電（C表示電池的容量）是指放電電流為表示電池的容量）是指放電電流為2 210=20(A)10=20(A)，對，

28、對應(yīng)時率為應(yīng)時率為10Ah/20A=0.5h10Ah/20A=0.5h，即電池以，即電池以0.50.5小時率放電。小時率放電。一般規(guī)定，一般規(guī)定，放電率在放電率在0.5C0.5C以下稱為低倍率；以下稱為低倍率；0.53.5C0.53.5C稱為中稱為中倍率；倍率；3.57C3.57C則為高倍率；大于則為高倍率；大于7C7C為超高倍率。為超高倍率。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)題目：題目： 已知：電池額定容量已知：電池額定容量15 Ah15 Ah，若放電時率為，若放電時率為2 2，則對應(yīng)的放電電流密度則對應(yīng)的放電電流密度I Id d是多少是多少A A？放電倍？放電倍率為多少率為多少? ? 若

29、放電電流若放電電流 I Id d= 5A= 5A，則放電時率，則放電時率和放電倍率和放電倍率x x分別為多少？若放電倍率為分別為多少？若放電倍率為0.2C0.2C，則放電時率和放電電流，則放電時率和放電電流 I Id d 又分別是又分別是多少？多少？1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 初始工作電壓和終止電壓初始工作電壓和終止電壓 初始工作電壓初始工作電壓：電池放電剛開始的電壓。：電池放電剛開始的電壓。 終止電壓：終止電壓：電池電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電池電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓。終止電壓跟電池放電條件、電池容量和壽命要求電壓。終止電壓跟電池放電條件、電池容量和壽命要

30、求相關(guān)。相關(guān)。電池電池1010小時率小時率5 5小時率小時率1 1小時率小時率鎘鎳1.10 V1.10 V1.00 V鉛酸1.75 V1.75 V1.80 V堿性鋅錳1.20 V鋅銀1.2-1.30 V1.2-1.30 V0.9-1.0 V 1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 溫度與放電曲線的關(guān)系溫度與放電曲線的關(guān)系 放電溫度較高時，放電曲線變化比較平緩，放電溫度較高時，放電曲線變化比較平緩，溫度越低，溫度越低，曲線變化越大曲線變化越大。這是因為溫度越低，離子運動速度減慢，。這是因為溫度越低，離子運動速度減慢，歐姆電阻越大，溫度過低時，電解液甚至?xí)Y(jié)冰而放不歐姆電阻越大，溫度過低時，電解液

31、甚至?xí)Y(jié)冰而放不出電來。同時，溫度降低電化學(xué)極化和濃差極化也將增出電來。同時，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。大，所以放電曲線下降變化較快。鉛酸蓄電池在不同溫度下的放電曲線鉛酸蓄電池在不同溫度下的放電曲線1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 電池的容量與比容量電池的容量與比容量 概念：概念：電池的容量是指在一定的放電條件下可以從電池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，單位常用獲得的電量，單位常用安培小時安培小時(Ah)表示，可分為表示，可分為理論理論容量、額定容量和實際容量容量、額定容量和實際容量。 理論容量理論容量(C0)：假設(shè)活性物質(zhì)全部

32、參加電池的成流反應(yīng)假設(shè)活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)時所給出的電量，可按照法拉第定律計算獲得。時所給出的電量，可按照法拉第定律計算獲得。 法拉第定律法拉第定律電極上參加反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量與通過的電電極上參加反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量與通過的電量成正比，即：量成正比，即：1 mol活性物質(zhì)參加電池的成流反應(yīng)，釋活性物質(zhì)參加電池的成流反應(yīng)，釋放電量為放電量為1 F = 96500 C = 26.8 Ah。 理論容量計算公式：理論容量計算公式：C0 = 26.8 n m/M (Ah) 式中，式中，m為活性物質(zhì)完全反應(yīng)時的質(zhì)量；為活性物質(zhì)完全反應(yīng)時的質(zhì)量；n為成流反應(yīng)時為成流反應(yīng)時的得失電子數(shù)；的得失電子數(shù)；M為

33、活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。為活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)hAhACCF8 .26)36001(9650096500)106022. 1 ()10022. 6(11923法拉第常數(shù)（法拉第常數(shù)（Faraday constant; faraday constant）是近）是近代科學(xué)研究中重要的代科學(xué)研究中重要的物理常數(shù)物理常數(shù)，代表，代表每摩爾電子所攜帶的電每摩爾電子所攜帶的電荷荷，單位，單位C/mol，它是，它是阿伏伽德羅數(shù)阿伏伽德羅數(shù)NA=6.02214x1023 mol-1與與元電荷元電荷e=1.602176x10-19 C的積。尤其在確定一個物質(zhì)帶的積。尤其在確定一個

34、物質(zhì)帶有多少離子或者電子時這個常數(shù)非常重要。有多少離子或者電子時這個常數(shù)非常重要。法拉第常數(shù)法拉第常數(shù)以麥以麥可可法拉第命名，法拉第的研究工作對這個常數(shù)的確定有決定法拉第命名，法拉第的研究工作對這個常數(shù)的確定有決定性的意義。性的意義。 一般認(rèn)為此值是一般認(rèn)為此值是96485.33830.0083C/mol，此值是由，此值是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局美國國家標(biāo)準(zhǔn)局所依據(jù)的電解實驗得到的，也被認(rèn)為最具有所依據(jù)的電解實驗得到的，也被認(rèn)為最具有權(quán)威性。法拉第常數(shù)的符號為權(quán)威性。法拉第常數(shù)的符號為F。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo) 額定容量額定容量(C額定額定)：稱為標(biāo)稱容量，指設(shè)計和制造電池時，稱為標(biāo)稱容

35、量，指設(shè)計和制造電池時，規(guī)定電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的規(guī)定電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低容量最低容量。 實際容量實際容量(C實際實際)：在一定放電條件下，電池實際能輸出的在一定放電條件下，電池實際能輸出的電量。電池實際容量不僅受理論容量制約，還與電池放電量。電池實際容量不僅受理論容量制約，還與電池放電條件密切相關(guān)。電條件密切相關(guān)。恒電流放電時：恒電流放電時： C實際實際 = I t ； 恒電阻放電時：恒電阻放電時：C實際實際 = V平均平均t/R (I為放電電流，為放電電流，V平均平均為平均放電電壓，為平均放電電壓，R為放電電阻，為放電電阻，t為放為放電時間）電時間）電池的實際容量

36、總是低于理論容量。電池的實際容量總是低于理論容量。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo) 電池容量的影響因素：活性物質(zhì)的數(shù)量和利用率電池容量的影響因素：活性物質(zhì)的數(shù)量和利用率(k)。 影響活性物質(zhì)利用率的因素：影響活性物質(zhì)利用率的因素：（1）活性物質(zhì)的活性；）活性物質(zhì)的活性；（2）電極和電池的結(jié)構(gòu)；）電極和電池的結(jié)構(gòu)；（3）電解液的數(shù)量、濃度和純度；）電解液的數(shù)量、濃度和純度；（4）電池的制造工藝；）電池的制造工藝；（5）電池的放電制度。）電池的放電制度。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo) 電池比容量：電池比容量：單位質(zhì)量或單位體積電池所給出的容量稱單位質(zhì)量或單位體積電池所給出的容量稱為質(zhì)量比

37、容量為質(zhì)量比容量(Ah/kg)或體積比容量或體積比容量(Ah/L) 。 比容量可用于對不同類型、不同大小的電池進(jìn)行比較，比容量可用于對不同類型、不同大小的電池進(jìn)行比較，以區(qū)別電池性能的優(yōu)劣。以區(qū)別電池性能的優(yōu)劣。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 電池的能量與比能量電池的能量與比能量 電池的能量：電池的能量：電池在一定放電條件下對外做功所輸出的電池在一定放電條件下對外做功所輸出的電能電能(瓦時，瓦時，Wh)，有，有理論能量理論能量與與實際能量實際能量之分。之分。 理論能量理論能量(W0)就是電池在恒溫、恒壓、可逆放電條件下就是電池在恒溫、恒壓、可逆放電條件下所做的最大非體積功。所做的最大非

38、體積功。W0 = - G = nFE = C0E1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo) 實際能量實際能量(W)：是電池在一定放電條件下實際輸出的能量，是電池在一定放電條件下實際輸出的能量，在數(shù)值上等于實際容量和平均工作電壓的乘積。在數(shù)值上等于實際容量和平均工作電壓的乘積。W = CV平平 比能量：比能量：指單位質(zhì)量或單位體積的電池所放出的能量，指單位質(zhì)量或單位體積的電池所放出的能量，分別用分別用“瓦瓦時時/公斤公斤”(Wh/kg)和和“瓦瓦時時/升升”(Wh/L)。1.6 電池的性能指標(biāo)電池的性能指標(biāo)l 電池的儲存性能與自放電電池的儲存性能與自放電 電池儲存性能：指電池電池儲存性能：指電池開路開

39、路時，在一定的條件下（如溫時，在一定的條件下（如溫度、濕度等）儲存一段時間后，容量自行降低的性能，度、濕度等）儲存一段時間后，容量自行降低的性能，也稱也稱自放電自放電。 自放電產(chǎn)生原因：電極在電解液中處于熱力學(xué)的不穩(wěn)定自放電產(chǎn)生原因：電極在電解液中處于熱力學(xué)的不穩(wěn)定性，電池的性，電池的兩電極自行發(fā)生了氧化還原反應(yīng)兩電極自行發(fā)生了氧化還原反應(yīng)的結(jié)果。通的結(jié)果。通常常負(fù)極負(fù)極因為活性物質(zhì)大多為活潑金屬，其自放電比正極因為活性物質(zhì)大多為活潑金屬，其自放電比正極嚴(yán)重。嚴(yán)重。 影響自放電的因素：影響自放電的因素：儲存溫度，環(huán)境的相對濕度，以及儲存溫度，環(huán)境的相對濕度，以及活性物質(zhì)、電解液、隔板和外殼等帶入的有害雜質(zhì)?；钚晕镔|(zhì)、電解液、隔