《化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)》第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程

1、目 錄2.0 平行電極2.1 化學(xué)電源中的電傳導(dǎo)2.2 法拉第定律及其應(yīng)用2.3 電化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)2.4 電化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)2.5 電池設(shè)計(jì)中的表界面現(xiàn)象與應(yīng)用2.6 電池組合原理2.7 電池設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序2.9 電池設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備2.10 電池設(shè)計(jì)的一般步驟化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)：尋求使化學(xué)電源能最大限度地滿足用電器具技術(shù)要求的過(guò)程。化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第一章緒論化學(xué)電源設(shè)計(jì)分類： 原電池設(shè)計(jì) 蓄電池設(shè)計(jì)單體電池設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)構(gòu)成化學(xué)電源基本單元的設(shè)計(jì)

2、過(guò)程。電池組設(shè)計(jì)：實(shí)現(xiàn)多個(gè)單體電池組合的設(shè)計(jì)過(guò)程。按不同設(shè)計(jì)內(nèi)容： 研究開發(fā)性設(shè)計(jì) 產(chǎn)品更新?lián)Q代設(shè)計(jì) 工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程 化學(xué)電源設(shè)計(jì)概述化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第一章緒論化學(xué)電源設(shè)計(jì)需解決的主要問(wèn)題：在允許的尺寸質(zhì)量范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)，使其盡可能地滿足用電器具的要求（移動(dòng)電子、穿戴設(shè)備、EV）；尋找可行和盡可能簡(jiǎn)單方便的工藝；盡量降低成本；在條件允許的情況下，盡量提高產(chǎn)品的技術(shù)性能；盡量克服和解決環(huán)境污染的問(wèn)題，以滿足清潔生產(chǎn)的要求?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程 化學(xué)電源設(shè)計(jì)概述化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工

3、藝學(xué)-第一章緒論化學(xué)電源設(shè)計(jì)定位： 盡可能地滿足 最大限度地滿足 一般滿足化學(xué)電源設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)： 產(chǎn)品均勻率 成品率 生產(chǎn)效率化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程 平行電場(chǎng)原理化學(xué)電源設(shè)計(jì)：滿足物理概念上的平行電極要求?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第一章緒論等勢(shì)線 -等流線極片間電勢(shì)分布化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.1 化學(xué)電源中的電傳導(dǎo)電池在實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的電傳導(dǎo)既有電池內(nèi)部固相（電極）的電子導(dǎo)電過(guò)程（多數(shù)情況下電子導(dǎo)電過(guò)程由電極的集流體來(lái)完成），又有電解質(zhì)溶液的離子導(dǎo)電過(guò)程。化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)

4、程電解質(zhì)溶液離子導(dǎo)電過(guò)程相關(guān)理論（溶液化學(xué)）電解質(zhì)溶液：離子鍵化合物（強(qiáng)電解質(zhì)）共價(jià)鍵化合物（弱電解質(zhì)）離子的水化作用水的離子積難溶電解質(zhì)的溶度積同離子效應(yīng)電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率離子在溶液中的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散和電遷移電解質(zhì)離子的活度與活度系數(shù)化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.2 法拉第定律及其應(yīng)用法拉第定律：電解過(guò)程中電荷量與物質(zhì)量的關(guān)系（1）電流通過(guò)電解質(zhì)溶液時(shí)，在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過(guò)的電量成正比。（2）當(dāng)以相同的電流通過(guò)一系列串聯(lián)的電解池時(shí)，在各電極上發(fā)生化學(xué)變化的基本單元物質(zhì)的量相等?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程m=MQ

5、/nF=M/nFQ式中：m為電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的質(zhì)量，g; M為反應(yīng)物的摩爾質(zhì)量，g/mol; Q為通過(guò)的電量，Ah; n為得失電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)，26.8Ah。電化學(xué)工業(yè)應(yīng)用最廣泛的定律化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.2 法拉第定律及其應(yīng)用電流效率（電量效率）用于發(fā)生所需反應(yīng)的電量占通過(guò)電極總電量的比。二次電池充電時(shí)的電量（流）效率（充電效率）：用于轉(zhuǎn)化活性物質(zhì)的電量或活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化量與通過(guò)電極的總電量或理論上活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化量之比的百分?jǐn)?shù)。化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程由于兩極活性物質(zhì)性質(zhì)的不同，導(dǎo)致開始析氧或析氫時(shí)的充電深

6、度不同，即到達(dá)開始析氧、析氫的時(shí)間不同。如鉛酸電池，當(dāng)正極充電深度約為70%時(shí)開始析氧，而負(fù)極充電深度約為90%時(shí)開始析氫。利用此特征設(shè)計(jì)出負(fù)極過(guò)剩式密封鉛酸電池?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程(a) Discharge curves for a typical lead-acid cell at various rates (b) Chargin curve for the lead-acid cell at C/10 圖3-3鉛酸電池充放電曲線化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.2 法拉第定律及其應(yīng)用電池放電時(shí)的電量效率（活性物質(zhì)的

7、利用率/放電效率）：電池實(shí)際放出的電量與電池內(nèi)活性物質(zhì)理論上應(yīng)放出的電量之比。其表達(dá)了活性物質(zhì)被利用的程度，即活性物質(zhì)利用率?；钚晕镔|(zhì)利用率的高低是衡量電池設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)水平與管理水平的重要指標(biāo)。在規(guī)定的放電條件下，電池的實(shí)際放電容量取決于電極活性物質(zhì)的數(shù)量與其利用率。在電池設(shè)計(jì)中，合理選定正極、負(fù)極活性物質(zhì)的利用率是電池設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一。化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.2 法拉第定律及其應(yīng)用法拉第定律在容量設(shè)計(jì)中的應(yīng)用（限制性物質(zhì)）在電池設(shè)計(jì)時(shí)，要滿足電池能夠達(dá)到所規(guī)定的放電條件下的放電容量的值，

8、就必須合理選定活性物質(zhì)的利用率，以確定合理的理論容量值，進(jìn)而確定合理的活性物質(zhì)的用量。電池的實(shí)際容量取決于放電實(shí)際容量小的那一個(gè)電極，而另一個(gè)電極則有過(guò)剩的容量未被放出。通常把決定電池容量的電極叫電池容量的限制性電極（一般多為正極），而另一電極則被稱為電池容量的非限制性電極（多為負(fù)極）。限制電極與非限制電極的容量之比（容量比）的合理性是電池設(shè)計(jì)優(yōu)劣的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)之一。化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.2 法拉第定律及其應(yīng)用法拉第定律在電池串聯(lián)組合中的應(yīng)用（電池一致性）在電池的串聯(lián)使用或串聯(lián)的單體電池構(gòu)成

9、電池組使用時(shí)，依據(jù)法拉第定律，單位時(shí)間內(nèi)每一個(gè)單體電池以及每一個(gè)電極上所通過(guò)的電量是相等的，如果單體電池之間容量不同，或某一單體電池中電極容量與其他單體電池的電極容量不同，那么該串聯(lián)電路中組合電池所能放出的電量取決于容量小的電池，而且可能導(dǎo)致容量較小的電池的過(guò)放電，引起氣脹、漏液等不良現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而影響到組合電池的使用效果，乃至報(bào)廢。選擇容量（含其它性能）一致的單體電池進(jìn)行串聯(lián)組合，是保證單體電池串聯(lián)使用或串聯(lián)的單體電池構(gòu)成高開路電壓的電池（組）的基本要求?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.2 法拉第

10、定律及其應(yīng)用法拉第定律在電池串聯(lián)組合中的應(yīng)用（電池一致性）在電池生產(chǎn)工藝中，電極片的質(zhì)量一致（質(zhì)量分容）及單體電池的容量一致（容量分容）是構(gòu)成串聯(lián)電池組合使用的基礎(chǔ)。反映電池一致性的技術(shù)指標(biāo)是電池的均勻率。注：在使用電池時(shí)，相同規(guī)格型號(hào)、相同系列的新舊電池不能混用，同規(guī)格型號(hào)但不同系列的電池不能混用，均是法拉第定律的要求?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.3 電化學(xué)熱力學(xué)基礎(chǔ)利用電化學(xué)熱力學(xué)原理來(lái)分析電池性質(zhì)是電池設(shè)計(jì)的熱力學(xué)基礎(chǔ)?？赡骐姵兀弘姵氐目赡嫘园姵刂械幕瘜W(xué)變化是可逆的，電池能量的轉(zhuǎn)化是可逆

11、的；可逆電池的電量來(lái)源于化學(xué)反應(yīng)；原電池電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)；電動(dòng)勢(shì)與反應(yīng)物活度之間的關(guān)系。可逆電極：電極的可逆性（在熱力學(xué)平衡條件下工作，電荷交換與物質(zhì)交換都處于平衡的電極，即平衡電極）；可逆電極電位（平衡電極電位/平衡電位）；標(biāo)準(zhǔn)電化序（把標(biāo)準(zhǔn)電極電位按數(shù)值大小從負(fù)到正排成的次序表稱為標(biāo)準(zhǔn)電化序或標(biāo)準(zhǔn)電位序）。電位pH圖：利用電位pH圖可以分析鉛蓄電池自放電的可能性。注意其是純理論的，在實(shí)際應(yīng)用中存在局限性。化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.4 電化學(xué)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)不可逆的電極過(guò)程電極極化：電流通過(guò)電極時(shí)電

12、極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象（電化學(xué)極化，濃差極化）金屬的陽(yáng)極過(guò)程（通電時(shí)金屬的陽(yáng)極過(guò)程、金屬的自溶解過(guò)程）對(duì)于電池而言，負(fù)極放電過(guò)程為陽(yáng)極正常溶解過(guò)程，負(fù)極自放電為自溶解過(guò)程?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.5 電池設(shè)計(jì)中的表界面現(xiàn)象與應(yīng)用表界面的含義與分類物理表面（理想表面、清潔表面、吸附表面）材料表面（機(jī)械作用界面、化學(xué)作用界面、固體黏合界面、黏結(jié)界面、焊結(jié)界面、粉末冶金界面、凝固共生界面、液相或氣相學(xué)和界面）以上不同的材料表面在電池中均有體現(xiàn)。液體表面固體表面高分散體系的表面能固液界面現(xiàn)象電極/溶

13、液界面的雙電層現(xiàn)象化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.6 電池組合原理電池組合：按較高電壓或較大電流的要求，將若干個(gè)單體電池通過(guò)串聯(lián)、并聯(lián)或復(fù)聯(lián)（串并聯(lián)）起來(lái)。如：鉛酸電池、鎘鎳電池通常是通過(guò)復(fù)聯(lián)的形式來(lái)提高工作電壓，達(dá)到輸出高功率、大容量的目的?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程電池的串聯(lián)：串聯(lián)電池組對(duì)單體電池的基本要求是容量一致和內(nèi)阻一致。電池的并聯(lián)：并聯(lián)電池組實(shí)現(xiàn)性能穩(wěn)定的基本要求是單體電池的容量一致、電壓一致、內(nèi)阻一致。電池的復(fù)聯(lián)：組合的電池?cái)?shù)越多，電池組的可靠性越差。

14、化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.7 電池設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)電池設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)：最低的制造成本和最優(yōu)的電池性能，即實(shí)現(xiàn)物質(zhì)效用的最大化。合理的設(shè)計(jì)是電池性能和其成本之間的一種平衡。實(shí)現(xiàn)電池設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)方法：提高生產(chǎn)效率和投料的有效利用，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能最大限度地向電能轉(zhuǎn)化，即投入電池內(nèi)部每一個(gè)活性材料分子盡可能地均參與電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀的統(tǒng)一?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.7 電池設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程電

15、池設(shè)計(jì)的內(nèi)容：工藝設(shè)計(jì)、工藝計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。工藝設(shè)計(jì)：材料選擇與工藝方式的選擇與實(shí)現(xiàn)、工藝流程（投料順序）與前后工序間的合理銜接以及確定工藝與工裝設(shè)備之間的關(guān)系等。工藝計(jì)算：工藝參數(shù)與工藝配方的確定、物料恒算以及不同工序間的合理配置等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：電池各組成部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其排列方式等。對(duì)于大多數(shù)常規(guī)電池而言，電池生產(chǎn)工藝方式、工藝流程、電池結(jié)構(gòu)、工裝設(shè)備、電池材料與配件等都是定型或基本定型的，所以電池設(shè)計(jì)過(guò)程側(cè)重在工藝計(jì)算上?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.7 電池設(shè)計(jì)的終極目標(biāo)與實(shí)現(xiàn)化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程合理的無(wú)效投料：

16、通常是必需的，如：為保證電池的放電容量，非限制電極活性物質(zhì)的合理過(guò)剩以及限制電極中未被完全利用的活性物質(zhì)等。不合理的無(wú)效投料：是在已保證電池正常要求的情況下的過(guò)剩投料，如過(guò)多的電液量、過(guò)多的活性物質(zhì)，過(guò)剩、過(guò)厚的電池殼體與隔離層等。不合理投料一方面增加電池的投料成本，另一方面還可能影響到電池生產(chǎn)及電池性能。有效投料與無(wú)效投料化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序電池設(shè)計(jì)的基本程序：（1）綜合分析（2）性能設(shè)計(jì)（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（4）安全性設(shè)計(jì)化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基

17、礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序（1）綜合分析其一，用電器具所要求的主要技術(shù)指標(biāo)，包括：工作方式（是連續(xù)的還是間歇的、是固定的還是移動(dòng)的）、工作電壓、電壓精度、工作電流、工作時(shí)間、機(jī)械載荷、使用壽命、工作環(huán)境條件（壓力與溫度范圍）等。其二，設(shè)計(jì)電池所能達(dá)到的技術(shù)水平與制造成本。綜合分析主要應(yīng)考慮在用電器具要求的條件下，電池所要達(dá)到的技術(shù)水平及達(dá)到這一目標(biāo)電池的制造成本。化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序（2）性能設(shè)計(jì)工作電壓設(shè)計(jì)：根據(jù)用電器具的工作電壓要求，確定電池（組）以及

18、單體電池的開路電壓與指定放電制度下的工作電壓及工作電壓精度。工作電流設(shè)計(jì)：根據(jù)用電器具的電流要求，確定電池（組）的峰值電流及指定放電制度下的工作電流。如汽車啟動(dòng)電流、手機(jī)通話工作時(shí)的電流等為峰值電流，而手機(jī)待機(jī)狀態(tài)時(shí)要求的電流為工作電流。容量設(shè)計(jì)：根據(jù)用電器具所要求的放電制度下的最低容量值，確定電池（組）額定容量、設(shè)計(jì)容量等，從容量設(shè)計(jì)來(lái)確定活性物質(zhì)的用量。壽命設(shè)計(jì)：根據(jù)用電器具的壽命要求，確定電池（組）的貯存壽命、循環(huán)壽命等，壽命設(shè)計(jì)是選擇電池相關(guān)材料及其純度的基礎(chǔ)?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.

19、8 電池設(shè)計(jì)的基本程序（2）性能設(shè)計(jì)僅就電池自身而言，為達(dá)到性能設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)著重從構(gòu)成電池四要素（電極、電液、隔膜、殼體）的角度出發(fā)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。活性物質(zhì)：采用優(yōu)選法或正交設(shè)計(jì)方法可選擇電極的制備工藝、電極配方、活性物質(zhì)與添加劑的比例，選擇活性物質(zhì)的粒度、氧化度及成型電極的孔率等。活性物質(zhì)的粒度不僅可以影響電極的表面狀態(tài)和結(jié)構(gòu)，而且可以影響活性物質(zhì)的利用率。粒度較小時(shí)，電極表面積較大，利用率也較高；但粒度過(guò)小時(shí)，顆粒因過(guò)高的表面能易于團(tuán)聚，且電極微孔孔徑會(huì)隨粒度的變細(xì)而變小，電解液在電極微孔內(nèi)擴(kuò)散困難，液相電阻升高，反之，過(guò)大的孔徑容易造成顆粒間的接觸不良而可能引起固相電阻增大，以及活性物

20、質(zhì)脫落。對(duì)于一些二次電池的負(fù)極，需要加入適當(dāng)?shù)摹芭蛎泟被颉疤砑觿币苑乐闺姌O物質(zhì)的“凝結(jié)”。另外，電極活性物質(zhì)的純度也要高，以防止造成自放電和析氫現(xiàn)象。但過(guò)分強(qiáng)調(diào)純度勢(shì)必增大電池成本?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序（2）性能設(shè)計(jì)集流體：用于傳導(dǎo)電流和支撐活性物質(zhì)，其必須具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電能力。一方面集流體在生產(chǎn)和使用過(guò)程中不斷斷裂和變形，另一方面集流體應(yīng)制成均勻的網(wǎng)格，保證電極的電流、電位均勻分布。另外，對(duì)于正極集流體，還應(yīng)考慮到集流體對(duì)正極活性物質(zhì)的抗氧化能力。此外，

21、集流體必須在電液中或在電極極化時(shí)要穩(wěn)定。隔膜：隔膜必須具備足夠的機(jī)械強(qiáng)度，以保證電池在裝配和使用過(guò)程中不被破壞。隔膜還必須具有電子絕緣和離子穿過(guò)能力，以保證兩極的隔離和離子的導(dǎo)電能力。另外，隔膜必須具有較高的孔隙率和較小的孔徑，以防止活性物質(zhì)微粒的遷移，隔膜材料還應(yīng)具有較高的抗氧化、還原能力，以防止正極或負(fù)極上的強(qiáng)氧化劑或還原劑，或被電池工作時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)氧化劑或還原劑所氧化或還原?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序（2）性能設(shè)計(jì)電解質(zhì)溶液：電液首先必須具有足夠高的電導(dǎo)率，以保證液相電

22、阻最小，其次在電池中應(yīng)該具有足夠的數(shù)量，用以避免成為電池容量的限制因素，但其量也不能過(guò)多，否則，除影響電池的比特性外，也對(duì)電池的密封帶來(lái)困難?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程小結(jié)：由于組成電池的各個(gè)部分對(duì)電池性能都有影響，而且在一定條件下，還可能成為主要影響因素，因此，在電池設(shè)計(jì)時(shí)，不可顧此失彼，從各個(gè)角度綜合考慮，以求獲得電池使用的最佳性能。 另外，電池性能設(shè)計(jì)是目標(biāo)設(shè)計(jì)，即性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)的應(yīng)達(dá)值，要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)電池性能設(shè)計(jì)的要求及用電器具對(duì)電池體積或

23、質(zhì)量的要求，電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)合理有效投料及降低電池內(nèi)阻而進(jìn)行的電池（組）結(jié)構(gòu)、單體電池結(jié)構(gòu)件、封口結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)。電池（組）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要包括單體電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及單體電池間的連接方式設(shè)計(jì)等。單體電池結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)：主要包括電極結(jié)構(gòu)及正負(fù)極排列方式設(shè)計(jì)、隔膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電解質(zhì)溶液用量設(shè)計(jì)、電池殼體設(shè)計(jì)、封口結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)等。其他部件的設(shè)計(jì)：如蓋、極柱、導(dǎo)電板等的設(shè)計(jì)要求是選擇和確定最適當(dāng)?shù)某叽绾屯庑?。?duì)于大功率電池還必須進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)；對(duì)于低溫工作電池，應(yīng)進(jìn)行保溫和加熱設(shè)計(jì)；對(duì)于高空電池，應(yīng)進(jìn)行密封和合理排氣設(shè)計(jì)。化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二

24、章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序（3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電池體積的類偏摩效應(yīng)：很多電池在其充放電過(guò)程中，體積會(huì)發(fā)生膨脹或收縮，這種現(xiàn)象往往會(huì)導(dǎo)致電池的早期失效，所以在設(shè)計(jì)電池時(shí)必須予以充分考慮。這種體積膨脹現(xiàn)象不是常見的熱脹冷縮物理現(xiàn)象，而是由于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程所引起的體積變化。物質(zhì)在化學(xué)過(guò)程中的體積變化，在化學(xué)熱力學(xué)中被稱為體積的偏摩效應(yīng)。電池裝配松緊度參數(shù)合理的極板孔隙率化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.8 電池設(shè)計(jì)的基本程序（4）安全性設(shè)計(jì)電池的安全性是指保證在電池正常使用以及合理的可

25、預(yù)見誤用的情況下電池的安全使用性能。實(shí)現(xiàn)電池具有安全性的過(guò)程叫安全性設(shè)計(jì)，一般安全性設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：通過(guò)設(shè)計(jì)防止溫度異常升高，超過(guò)生產(chǎn)廠家規(guī)定的值；通過(guò)設(shè)計(jì)控制電池內(nèi)部的溫度升高；通過(guò)設(shè)計(jì)電池可釋放過(guò)高的內(nèi)部壓力等。對(duì)于不同的電池系列，其安全性差異很大，實(shí)現(xiàn)其安全性的方法、途徑以及安全性的評(píng)價(jià)方法也各不相同，設(shè)計(jì)時(shí)可按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，有針對(duì)性地進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)?；瘜W(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.9 電池設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備首先要了解用戶對(duì)電池性能指要求及電池使用條件，包括：（1）電池的工作電壓及要求的電壓精度；（2）工作

26、電流，即正常放電電流及峰值電流；（3）工作時(shí)間，包括間歇或連續(xù)放電時(shí)間，以及使用壽命；（4）工作環(huán)境，包括電池的工作狀態(tài)及環(huán)境溫度等；（5）電池允許的最大體積和質(zhì)量。有些電池用于特殊場(chǎng)合，還有特殊要求，如耐沖擊、耐振動(dòng)、加速度、高安全性以及低溫低壓等。同時(shí)需結(jié)合下列問(wèn)題進(jìn)行考慮：（1）材料來(lái)源；（2）電池特性的決定因素；（3）電池性能（4）電池工藝；（5）經(jīng)濟(jì)性；（6）清潔生產(chǎn)化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.9 電池設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備（1）材料來(lái)源豐富、價(jià)廉；產(chǎn)品開發(fā)；經(jīng)濟(jì)性 如一次電池中的鋅錳電池，二次電

27、池中的鉛酸電池化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.9 電池設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備（2）電池特性的決定因素電極活性物質(zhì)電極活性物質(zhì)的選擇電池反應(yīng)生成物的狀態(tài)活性物質(zhì)的穩(wěn)定性電池的質(zhì)量比能量與體積比能量的差活性物質(zhì)的活性電解質(zhì)溶液電解質(zhì)溶液應(yīng)具備的基本條件（電解液的穩(wěn)定性要 高，電導(dǎo)率要高）電解質(zhì)溶液的選擇化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.9 電池設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備電池的結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸扣式電池厚度的影響圓柱式電池直徑的影響正、負(fù)極的裝配結(jié)構(gòu)的影響電解液隔離層的影響電池零部件材料性能的影響化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.9 電池設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備（3）電池性能工作電壓的平穩(wěn)性工作溫度范圍貯存性能二次電池的循環(huán)壽命（4）工藝方面的準(zhǔn)備電極制造與選擇電池的裝配結(jié)構(gòu)化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)-第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程化學(xué)電源設(shè)計(jì)與制造工藝學(xué)第二章化學(xué)電源設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)過(guò)程2.10 電池設(shè)計(jì)的一般步驟確定組合電池中單體電