化學(xué)電源基本概念

1、關(guān)于化學(xué)電源基本概念第一張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月本章重點(diǎn)：化學(xué)電源的組成和工作原理：構(gòu)成電池的必要條件；化學(xué)電源的基本組成部分及其作用?；瘜W(xué)電源的主要性能：開路電壓和電動(dòng)勢(shì)的意義及區(qū)別；內(nèi)阻及其對(duì)電池性能的影響；工作電壓及放電曲線的意義；容量、比容量、放電時(shí)率與放電倍率，利用率及其影響因素；能量，高比能量電池的條件；功率及其影響因素；自放電及其影響因素。第二張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月一、化學(xué)電源的組成和工作原理構(gòu)成電池的必要條件：化學(xué)反應(yīng)中的兩個(gè)過程必須分隔在兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行。（區(qū)別于一般的化學(xué)反應(yīng)）物質(zhì)在發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，電子必須經(jīng)過外電路。（區(qū)別于腐蝕電池

2、）第三張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月化學(xué)電源的基本組成部分及其作用：電極電解質(zhì)隔膜外殼第四張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月化學(xué)電源的工作原理：以丹尼爾電池為例討論化學(xué)電源的工作原理：丹尼爾電池：（）ZnZnSO4（c1） CuSO4 （c2） Cu(+)負(fù)極： Zn2e Zn2 氧化正極： Cu22eCu 還原電池反應(yīng)：ZnCu2Zn2Cu 成流反應(yīng)第五張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月二、 化學(xué)電源的分類按工作性質(zhì)分：原電池，又稱一次電池蓄電池，又稱二次電池儲(chǔ)備電池，又稱激活式電池燃料電池，又稱連續(xù)電池電化學(xué)電容器：超大容量或者超級(jí)電容器，介于傳統(tǒng)電容器和電池之

3、間的新型電源；分為雙電層電容器和贗電容器第六張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月按電解質(zhì)的性質(zhì)分：電解質(zhì)為堿性水溶液堿性電池電解質(zhì)為中性水溶液中性電池 電解質(zhì)為酸性水溶液酸性電池電解質(zhì)為有機(jī)電解質(zhì)溶液有機(jī)電解質(zhì)電池 電解質(zhì)為固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)電池第七張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月按正負(fù)極活性物質(zhì)的材料分：Zn-MnO2系列電池。ZnAgO系列電池Cd-NiOOH電池鉛酸電池氫鎳電池鋰離子電池 等等第八張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月活性物質(zhì)的保存方式分：活性物質(zhì)保存在電極上 通常的一次、二次電池活性物質(zhì)從外邊連續(xù)供給電極 燃料電池第九張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2

4、022年6月三、 化學(xué)電源的主要性能電池的開路電壓與電動(dòng)勢(shì)：電動(dòng)勢(shì)E： 電池兩極斷路時(shí)，處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，兩極平衡電位之差。開路電壓V開： 電池?cái)嗦窌r(shí)，兩極的穩(wěn)定電位之差。第十張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月電池的電動(dòng)勢(shì)的大小是通過電池?zé)崃W(xué)原理理論計(jì)算獲得，不能實(shí)驗(yàn)測(cè)定。即： 由此可以明確地看出，若正極的電位越正，負(fù)極的電位越負(fù)，電池的電動(dòng)勢(shì)也就越高。 從元素的標(biāo)準(zhǔn)電位序來看，在元素周期表左上邊的元素（IA,IIA族）具有較負(fù)的電位，右上邊的元素（VIA,VIIA族）具有較正的電位。由這些元素組成的電池可以得到較高的電動(dòng)勢(shì)。第十一張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月其中以

5、Li的電位為最負(fù)：(在酸性介質(zhì)中)氟的電位為最正： 若做成鋰氟電池 ，其電動(dòng)勢(shì)可達(dá)5.91V。這是化學(xué)電源中電動(dòng)勢(shì)最高的數(shù)值。 應(yīng)當(dāng)注意的是，在選擇電極活性物質(zhì)時(shí)，不能只看平衡電位數(shù)值的高低，還要看（1）它在介質(zhì)中的穩(wěn)定性（2）材料來源（3）電化當(dāng)量等多方面的因素。例如LiF2,若組成電池，它具有很高的電動(dòng)勢(shì)，但由于Li只適用與非水溶劑電解質(zhì)，F(xiàn)2是活性的氣體，不易儲(chǔ)存和和控制，因而由單質(zhì)Li與F2組成電池也是不切合實(shí)際的。第十二張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月電池的內(nèi)阻：電流通過電池內(nèi)部時(shí)受到的阻力，也叫全內(nèi)阻。包括兩部分: 電池的歐姆內(nèi)阻 電極的極化所相當(dāng)?shù)膬?nèi)阻，也叫極化內(nèi)阻第十

6、三張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月電池的工作電壓及放電曲線：工作電壓 電池工作時(shí)兩端的電壓放電制度 人為規(guī)定的放電條件稱為放電制度 （放電電流、放電溫度、放電的終止電壓、 放電方式）放電曲線 用繪圖的方式表示出電壓隨時(shí)間的變化曲線第十四張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 根據(jù)電池的放電曲線，通常可以確定電池的放電性能和電池的容量。1. 通常電池的放電曲線越平坦、穩(wěn)定、電池的性能就越好。2. 電池的容量大小。第十五張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月電池的容量和比容量：電池的容量 電池在一定的放電制度下，所放出的電量C，可以用安時(shí)（Ah)表示。Ah表示1安培（A）電流放電

7、1小時(shí)（h）。1. 理論容量： 理論容量是根據(jù)活性物質(zhì)的重量按法拉第定律計(jì)算出的電量。理論容量的計(jì)算方法（舉例說明） 例如：設(shè)某電池中的負(fù)極為 Zn，其重量為13.5克，求鋅電極的理論容量？電極反應(yīng)：第十六張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 另外由法拉第定律知道，1克當(dāng)量的活性物質(zhì)可產(chǎn)生96500庫侖的電量（96500/3600=26.8Ah)，也就是該有32.69克的Zn, 就可以產(chǎn)生26.8Ah的電量，所以現(xiàn)在有13.5克的鋅，理論上所能產(chǎn)生的電量應(yīng)為：Q理=13.5/32.6926.8=11.1Ah 另外由于32.69克鋅可產(chǎn)生26.8Ah的電量，故我們又可以得到： 從反應(yīng)式知鋅

8、的反應(yīng)電子數(shù)為2，故1克當(dāng)量的Zn應(yīng)為65.382=32.69克第十七張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月 即理論上得到1Ah的電量，就需要消耗1.22克的鋅或消耗1克 鋅就可得到0.82Ah的電量。或26.8Ah/32.69克=0.82Ah/克 通常把輸出1Ah的電量，理論所需要的活性物質(zhì)的量稱為該物質(zhì)的電化當(dāng)量。有了電化當(dāng)量，對(duì)理論電量的計(jì)算更為方便了。如上例：Q理=13.5/1.22=11.1Ah2. 實(shí)際容量： 實(shí)際容量指在一定的放電制下（放電方式,一定的電流密度和終止電壓等），電池所能給出的電量。第十八張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月實(shí)際容量的計(jì)算：（1）若是恒電流放

9、電（2）恒電阻放電由于恒電阻放電時(shí)，I 是不斷變化的，故QR要通過積分的方法計(jì)算：3. 額定容量： 額定容量是指在一定的放電制度下，電池應(yīng)該給出的最低限度的容量。也就是設(shè)計(jì)指標(biāo)。電池的容量是電池的一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。一個(gè)電池第十九張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月的實(shí)際容量往往小于其理論容量，這主要是由于活性物質(zhì)的利用率低，不能達(dá)到100%。對(duì)活性物質(zhì)的利用率可用下式計(jì)算：活性物質(zhì)利用率（%）=M/g100%M 放電時(shí)按法拉第定律計(jì)算應(yīng)消耗的物質(zhì)的重量g 電池中實(shí)際存在的活性物質(zhì)的重量例如：13.5克鋅理論上可放出11.1AH的電量，若實(shí)際上用了20克，則:第二十張，PPT共三十四頁

10、，創(chuàng)作于2022年6月影響容量的因素：活性物質(zhì)的量：活性物質(zhì)的利用率活性物質(zhì)的活性 電池和電極的結(jié)構(gòu) 電解液的量、濃度、質(zhì)量 制造工藝 放電制度 第二十一張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月放電時(shí)率與放電倍率：放電時(shí)率以一定放電電流放完額定容量所需要的小時(shí)數(shù)放電倍率：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放完全部額定容量所需的電流值。 例如：若電池的額定容量為10Ah,以2A放電，則:t放電時(shí)率=10Ah/2A=5h例如：若電池的額定容量為10Ah,以5H放電，則:t放電倍率=10Ah/5h=2A如是在1倍率(或叫1C)放電，是指用1h放完額定容量，所需電流為10A。如用2h放完電，則叫以0. 5 C放電，放電電

11、流為10Ah/2h=5A第二十二張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月能量和比能量:能量 電池在一定的放電制度下，對(duì)外做功所輸出的能量。通常用瓦時(shí)（Wh)表示（1）理論能量從熱力學(xué)上看，電池的理論能量等于可逆過程電池所能做的最大有用功：第二十三張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）電池的實(shí)際能量：電池在一定的放電條件下實(shí)際放出的能量。2.恒電阻放電時(shí)1.恒電位放電時(shí)（3）比能量: 單位體積或單位重量的電池所輸出的能量。1. 體積比能量：?jiǎn)挝惑w積電池輸出的能量（瓦時(shí)/L）2. 重量比容量：?jiǎn)挝恢亓侩姵厮茌敵龅哪芰浚ㄍ邥r(shí)/Kg）a. 理論重量比能量又可分為：b. 實(shí)際重量比能量第二

12、十四張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月下面以鉛酸電池為例說明理論比能量的計(jì)算：電池的總反應(yīng)：參加反應(yīng)的總物質(zhì)： 該反應(yīng)能產(chǎn)生兩個(gè)法拉第的電量，如果642.6克物質(zhì)都能全部反應(yīng)，則就能產(chǎn)生226.8=53.6Ah的電量。另查表可知：M=207.2（Pb）239.2(PbO2)298.08(H2SO4) =642.6克第二十五張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月所以： 故：642.6克反應(yīng)物在理論上所能產(chǎn)生的電能為：設(shè)比能量為X，則642.6:109.3=1000:XW理=53.62.04=Q理E=109.3WhX=170.2Wh/Kg 對(duì)鉛酸電池來說，由于H2SO4參加了反應(yīng)，故其

13、電動(dòng)勢(shì)與H2SO4的濃度有關(guān)。若取d=1.25的硫酸，換成活度 V=2.104V。表11給出了一些電池的理論比能量和實(shí)際比能量。見下表：得到第二十六張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月一些電池的實(shí)際比能量與理論比能量 電池電池反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V） 理論比能量(Wh/Kg) 實(shí)際比能量(Wh/Kg) 鉛酸 2.104175.51050CdNi 1.326（E0） 214.31540FeNi 1.399（E0） 272.41025ZnAg 1.8521.59V平 =1.721487.560160Zn-Mn 1.623（開） 251.31050Zn空氣 1.646（E） 1350100250第二十

14、七張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月電池的功率與比功率:功率 在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池所輸出的能量。 比功率（W/Kg，W/L). 單位時(shí)間電池的比能量。 比功率是電池的重要性能之一。一個(gè)電池的比功率越大，表示它可以承受的放電電流越大，或者說其可以在高倍率下放電。比功率與比能量 通常在I不是很大時(shí)，P隨I增大而增大，但比能量下降理論上電池的功率可以用下式表示： P=IE第二十八張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十九張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月電池的自放電和貯存性能:貯存性能 貯存時(shí)所表現(xiàn)出的性能。 電池的貯存分為干貯存(不帶電液)和濕貯存(帶電液).自放電 電池在貯存一段時(shí)間后，容量要發(fā)生自動(dòng)降低的現(xiàn)象. 對(duì)于蓄電池，又叫充電保持能力.發(fā)生自放電的原因第三十張，PPT共三十四頁，創(chuàng)作于2022年6月蓄電池的循環(huán)壽命和使用周期:循環(huán)壽命(使用周期) 在一定的放電條件下，當(dāng)電池的容量降到某一規(guī)定值之前，電池耐受的充放電循環(huán)次數(shù)影響電池循環(huán)壽命的因素 不同的電池使用周期是不相同的，例如：一般說來，F(xiàn)eNi，CdNi 電池的使用壽命可達(dá)數(shù)千次。鉛蓄電池約300 500次，Zn Ag電池約40 100 次。 另外，蓄電池的使用壽命與放電深度、沉度、充放電率等條件都有關(guān)。（放電深度是指電池放出的容量與額定容量的百分比）。第三十一張，PPT共