《化學電源設計與制造工藝學》第二章化學電源設計理論基礎及設計過程

1、目 錄2.0 平行電極2.1 化學電源中的電傳導2.2 法拉第定律及其應用2.3 電化學熱力學基礎2.4 電化學動力學基礎2.5 電池設計中的表界面現(xiàn)象與應用2.6 電池組合原理2.7 電池設計的終極目標與實現(xiàn)2.8 電池設計的基本程序2.9 電池設計前的準備2.10 電池設計的一般步驟化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計：尋求使化學電源能最大限度地滿足用電器具技術要求的過程?；瘜W電源設計與制造工藝學-第一章緒論化學電源設計分類： 原電池設計 蓄電池設計單體電池設計：實現(xiàn)構成化學電源基本單元的設計

2、過程。電池組設計：實現(xiàn)多個單體電池組合的設計過程。按不同設計內容： 研究開發(fā)性設計 產品更新?lián)Q代設計 工藝優(yōu)化設計化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程 化學電源設計概述化學電源設計與制造工藝學-第一章緒論化學電源設計需解決的主要問題：在允許的尺寸質量范圍內進行結構和工藝設計，使其盡可能地滿足用電器具的要求（移動電子、穿戴設備、EV）；尋找可行和盡可能簡單方便的工藝；盡量降低成本；在條件允許的情況下，盡量提高產品的技術性能；盡量克服和解決環(huán)境污染的問題，以滿足清潔生產的要求?；瘜W電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程 化學電源設計概述化學電源設計與制造工

3、藝學-第一章緒論化學電源設計定位： 盡可能地滿足 最大限度地滿足 一般滿足化學電源設計評價： 產品均勻率 成品率 生產效率化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程 平行電場原理化學電源設計：滿足物理概念上的平行電極要求?；瘜W電源設計與制造工藝學-第一章緒論等勢線 -等流線極片間電勢分布化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.1 化學電源中的電傳導電池在實現(xiàn)能量轉換過程中的電傳導既有電池內部固相（電極）的電子導電過程（多數(shù)情況下電子導電過程由電極的集流體來完成），又有電解質溶液的離子導電過程?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過

4、程電解質溶液離子導電過程相關理論（溶液化學）電解質溶液：離子鍵化合物（強電解質）共價鍵化合物（弱電解質）離子的水化作用水的離子積難溶電解質的溶度積同離子效應電解質溶液的電導率離子在溶液中的運動擴散和電遷移電解質離子的活度與活度系數(shù)化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.2 法拉第定律及其應用法拉第定律：電解過程中電荷量與物質量的關系（1）電流通過電解質溶液時，在電極上發(fā)生電化學反應的物質的量與通過的電量成正比。（2）當以相同的電流通過一系列串聯(lián)的電解池時，在各電極上發(fā)生化學變化的基本單元物質的量相等?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程m=MQ

5、/nF=M/nFQ式中：m為電極上發(fā)生反應的物質的質量，g; M為反應物的摩爾質量，g/mol; Q為通過的電量，Ah; n為得失電子數(shù)；F為法拉第常數(shù)，26.8Ah。電化學工業(yè)應用最廣泛的定律化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.2 法拉第定律及其應用電流效率（電量效率）用于發(fā)生所需反應的電量占通過電極總電量的比。二次電池充電時的電量（流）效率（充電效率）：用于轉化活性物質的電量或活性物質轉化量與通過電極的總電量或理論上活性物質的轉化量之比的百分數(shù)?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程由于兩極活性物質性質的不同，導致開始析氧或析氫時的充電深

6、度不同，即到達開始析氧、析氫的時間不同。如鉛酸電池，當正極充電深度約為70%時開始析氧，而負極充電深度約為90%時開始析氫。利用此特征設計出負極過剩式密封鉛酸電池。化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程(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電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.2 法拉第定律及其應用電池放電時的電量效率（活性物質的

7、利用率/放電效率）：電池實際放出的電量與電池內活性物質理論上應放出的電量之比。其表達了活性物質被利用的程度，即活性物質利用率。活性物質利用率的高低是衡量電池設計、生產技術水平與管理水平的重要指標。在規(guī)定的放電條件下，電池的實際放電容量取決于電極活性物質的數(shù)量與其利用率。在電池設計中，合理選定正極、負極活性物質的利用率是電池設計的關鍵參數(shù)之一?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.2 法拉第定律及其應用法拉第定律在容量設計中的應用（限制性物質）在電池設計時，要滿足電池能夠達到所規(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的利用率，以確定合理的理論容量值，進而確定合理的活性物質的用量。電池的實際容量取決于放電實際容量小的那一個電極，而另一個電極則有過剩的容量未被放出。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）的合理性是電池設計優(yōu)劣的重要評價指標之一?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.2 法拉第定律及其應用法拉第定律在電池串聯(lián)組合中的應用（電池一致性）在電池的串聯(lián)使用或串聯(lián)的單體電池構成

9、電池組使用時，依據(jù)法拉第定律，單位時間內每一個單體電池以及每一個電極上所通過的電量是相等的，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，而且可能導致容量較小的電池的過放電，引起氣脹、漏液等不良現(xiàn)象的發(fā)生，進而影響到組合電池的使用效果，乃至報廢。選擇容量（含其它性能）一致的單體電池進行串聯(lián)組合，是保證單體電池串聯(lián)使用或串聯(lián)的單體電池構成高開路電壓的電池（組）的基本要求?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.2 法拉第

10、定律及其應用法拉第定律在電池串聯(lián)組合中的應用（電池一致性）在電池生產工藝中，電極片的質量一致（質量分容）及單體電池的容量一致（容量分容）是構成串聯(lián)電池組合使用的基礎。反映電池一致性的技術指標是電池的均勻率。注：在使用電池時，相同規(guī)格型號、相同系列的新舊電池不能混用，同規(guī)格型號但不同系列的電池不能混用，均是法拉第定律的要求?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.3 電化學熱力學基礎利用電化學熱力學原理來分析電池性質是電池設計的熱力學基礎。可逆電池：電池的可逆性包括電池中的化學變化是可逆的，電池能量的轉化是可逆

11、的；可逆電池的電量來源于化學反應；原電池電動勢的溫度系數(shù)；電動勢與反應物活度之間的關系?？赡骐姌O：電極的可逆性（在熱力學平衡條件下工作，電荷交換與物質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）；標準電化序（把標準電極電位按數(shù)值大小從負到正排成的次序表稱為標準電化序或標準電位序）。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，在實際應用中存在局限性。化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.4 電化學動力學基礎不可逆的電極過程電極極化：電流通過電極時電

12、極電位偏離平衡電位的現(xiàn)象（電化學極化，濃差極化）金屬的陽極過程（通電時金屬的陽極過程、金屬的自溶解過程）對于電池而言，負極放電過程為陽極正常溶解過程，負極自放電為自溶解過程?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.5 電池設計中的表界面現(xiàn)象與應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（機械作用界面、化學作用界面、固體黏合界面、黏結界面、焊結界面、粉末冶金界面、凝固共生界面、液相或氣相學和界面）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)象化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程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，將若干個單體電池通過串聯(lián)、并聯(lián)或復聯(lián)（串并聯(lián)）起來。如：鉛酸電池、鎘鎳電池通常是通過復聯(lián)的形式來提高工作電壓，達到輸出高功率、大容量的目的?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程電池的串聯(lián)：串聯(lián)電池組對單體電池的基本要求是容量一致和內阻一致。電池的并聯(lián)：并聯(lián)電池組實現(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、內阻一致。電池的復聯(lián)：組合的電池數(shù)越多，電池組的可靠性越差。

14、化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.7 電池設計的終極目標與實現(xiàn)電池設計的終極目標：最低的制造成本和最優(yōu)的電池性能，即實現(xiàn)物質效用的最大化。合理的設計是電池性能和其成本之間的一種平衡。實現(xiàn)電池設計的終極目標方法：提高生產效率和投料的有效利用，實現(xiàn)化學能最大限度地向電能轉化，即投入電池內部每一個活性材料分子盡可能地均參與電化學反應，實現(xiàn)宏觀與微觀的統(tǒng)一?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.7 電池設計的終極目標與實現(xiàn)化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程電

15、池設計的內容：工藝設計、工藝計算、結構設計等。工藝設計：材料選擇與工藝方式的選擇與實現(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備之間的關系等。工藝計算：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。結構設計：電池各組成部分結構設計及其排列方式等。對于大多數(shù)常規(guī)電池而言，電池生產工藝方式、工藝流程、電池結構、工裝設備、電池材料與配件等都是定型或基本定型的，所以電池設計過程側重在工藝計算上。化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.7 電池設計的終極目標與實現(xiàn)化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程合理的無效投料：

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的合理過剩以及限制電極中未被完全利用的活性物質等。不合理的無效投料：是在已保證電池正常要求的情況下的過剩投料，如過多的電液量、過多的活性物質，過剩、過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及電池性能。有效投料與無效投料化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.8 電池設計的基本程序電池設計的基本程序：（1）綜合分析（2）性能設計（3）結構設計（4）安全性設計化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基

17、礎及設計過程2.8 電池設計的基本程序（1）綜合分析其一，用電器具所要求的主要技術指標，包括：工作方式（是連續(xù)的還是間歇的、是固定的還是移動的）、工作電壓、電壓精度、工作電流、工作時間、機械載荷、使用壽命、工作環(huán)境條件（壓力與溫度范圍）等。其二，設計電池所能達到的技術水平與制造成本。綜合分析主要應考慮在用電器具要求的條件下，電池所要達到的技術水平及達到這一目標電池的制造成本?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.8 電池設計的基本程序（2）性能設計工作電壓設計：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。工作電流設計：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。如汽車啟動電流、手機通話工作時的電流等為峰值電流，而手機待機狀態(tài)時要求的電流為工作電流。容量設計：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、設計容量等，從容量設計來確定活性物質的用量。壽命設計：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，壽命設計是選擇電池相關材料及其純度的基礎?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.

19、8 電池設計的基本程序（2）性能設計僅就電池自身而言，為達到性能設計的要求，應著重從構成電池四要素（電極、電液、隔膜、殼體）的角度出發(fā)來進行優(yōu)化設計。活性物質：采用優(yōu)選法或正交設計方法可選擇電極的制備工藝、電極配方、活性物質與添加劑的比例，選擇活性物質的粒度、氧化度及成型電極的孔率等?；钚晕镔|的粒度不僅可以影響電極的表面狀態(tài)和結構，而且可以影響活性物質的利用率。粒度較小時，電極表面積較大，利用率也較高；但粒度過小時，顆粒因過高的表面能易于團聚，且電極微孔孔徑會隨粒度的變細而變小，電解液在電極微孔內擴散困難，液相電阻升高，反之，過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、質脫落。對于一些二次電池的負極，需要加入適當?shù)摹芭蛎泟被颉疤砑觿币苑乐闺姌O物質的“凝結”。另外，電極活性物質的純度也要高，以防止造成自放電和析氫現(xiàn)象。但過分強調純度勢必增大電池成本。化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.8 電池設計的基本程序（2）性能設計集流體：用于傳導電流和支撐活性物質，其必須具備足夠的機械強度和導電能力。一方面集流體在生產和使用過程中不斷斷裂和變形，另一方面集流體應制成均勻的網(wǎng)格，保證電極的電流、電位均勻分布。另外，對于正極集流體，還應考慮到集流體對正極活性物質的抗氧化能力。此外，

21、集流體必須在電液中或在電極極化時要穩(wěn)定。隔膜：隔膜必須具備足夠的機械強度，以保證電池在裝配和使用過程中不被破壞。隔膜還必須具有電子絕緣和離子穿過能力，以保證兩極的隔離和離子的導電能力。另外，隔膜必須具有較高的孔隙率和較小的孔徑，以防止活性物質微粒的遷移，隔膜材料還應具有較高的抗氧化、還原能力，以防止正極或負極上的強氧化劑或還原劑，或被電池工作時產生的強氧化劑或還原劑所氧化或還原?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.8 電池設計的基本程序（2）性能設計電解質溶液：電液首先必須具有足夠高的電導率，以保證液相電

22、阻最小，其次在電池中應該具有足夠的數(shù)量，用以避免成為電池容量的限制因素，但其量也不能過多，否則，除影響電池的比特性外，也對電池的密封帶來困難?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程小結：由于組成電池的各個部分對電池性能都有影響，而且在一定條件下，還可能成為主要影響因素，因此，在電池設計時，不可顧此失彼，從各個角度綜合考慮，以求獲得電池使用的最佳性能。 另外，電池性能設計是目標設計，即性能指標是設計的應達值，要通過結構設計來實現(xiàn)?；瘜W電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.8 電池設計的基本程序（3）結構設計根據(jù)電池性能設計的要求及用電器具對電池體積或

23、質量的要求，電池結構設計是為實現(xiàn)合理有效投料及降低電池內阻而進行的電池（組）結構、單體電池結構件、封口結構等方面的設計。電池（組）結構設計：主要包括單體電池結構設計及單體電池間的連接方式設計等。單體電池結構件設計：主要包括電極結構及正負極排列方式設計、隔膜結構設計、電解質溶液用量設計、電池殼體設計、封口結構件設計等。其他部件的設計：如蓋、極柱、導電板等的設計要求是選擇和確定最適當?shù)某叽绾屯庑?。對于大功率電池還必須進行散熱設計；對于低溫工作電池，應進行保溫和加熱設計；對于高空電池，應進行密封和合理排氣設計?；瘜W電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二

24、章化學電源設計理論基礎及設計過程2.8 電池設計的基本程序（3）結構設計電池體積的類偏摩效應：很多電池在其充放電過程中，體積會發(fā)生膨脹或收縮，這種現(xiàn)象往往會導致電池的早期失效，所以在設計電池時必須予以充分考慮。這種體積膨脹現(xiàn)象不是常見的熱脹冷縮物理現(xiàn)象，而是由于化學反應過程所引起的體積變化。物質在化學過程中的體積變化，在化學熱力學中被稱為體積的偏摩效應。電池裝配松緊度參數(shù)合理的極板孔隙率化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.8 電池設計的基本程序（4）安全性設計電池的安全性是指保證在電池正常使用以及合理的可

25、預見誤用的情況下電池的安全使用性能。實現(xiàn)電池具有安全性的過程叫安全性設計，一般安全性設計應滿足：通過設計防止溫度異常升高，超過生產廠家規(guī)定的值；通過設計控制電池內部的溫度升高；通過設計電池可釋放過高的內部壓力等。對于不同的電池系列，其安全性差異很大，實現(xiàn)其安全性的方法、途徑以及安全性的評價方法也各不相同，設計時可按照相關標準，有針對性地進行安全性設計。化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.9 電池設計前的準備首先要了解用戶對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）工作時間，包括間歇或連續(xù)放電時間，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量。有些電池用于特殊場合，還有特殊要求，如耐沖擊、耐振動、加速度、高安全性以及低溫低壓等。同時需結合下列問題進行考慮：（1）材料來源；（2）電池特性的決定因素；（3）電池性能（4）電池工藝；（5）經濟性；（6）清潔生產化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.9 電池設計前的準備（1）材料來源豐富、價廉；產品開發(fā)；經濟性 如一次電池中的鋅錳電池，二次電

27、池中的鉛酸電池化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.9 電池設計前的準備（2）電池特性的決定因素電極活性物質電極活性物質的選擇電池反應生成物的狀態(tài)活性物質的穩(wěn)定性電池的質量比能量與體積比能量的差活性物質的活性電解質溶液電解質溶液應具備的基本條件（電解液的穩(wěn)定性要 高，電導率要高）電解質溶液的選擇化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.9 電池設計前的準備電池的結構、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、負極的裝配結構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電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.9 電池設計前的準備（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）工藝方面的準備電極制造與選擇電池的裝配結構化學電源設計與制造工藝學-第二章化學電源設計理論基礎及設計過程化學電源設計與制造工藝學第二章化學電源設計理論基礎及設計過程2.10 電池設計的一般步驟確定組合電池中單體電