應(yīng)用電化學(xué)教學(xué)課件第三章化學(xué)電源

1、化學(xué)電源8/20/20221化學(xué)電源 參考書：1. 化學(xué)電源 呂鳴祥等編著，天津大學(xué)出版社， 1992.9 2. 鉛酸蓄電池的原理與制造盧國(guó)琦等編著，國(guó)防工業(yè)出版社，20193. 鉛酸蓄電池技術(shù)朱杜然等編著，機(jī)械工業(yè)出版社,19884. 化學(xué)電源導(dǎo)論張文保等編著，上海交大出版社，19928/20/20222一.化學(xué)電源的發(fā)展化學(xué)電源是將物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置。1859 年 普朗克（Pantle） 試制成功化成式鉛酸電池1868 年 勒克朗謝（Lelanche）研制成功以NH4Cl 為電解液的Zn-MnO2 電池1888 年 加斯納（Gassner）制出了Zn-MnO2

2、干電池1895 年 瓊格（Junger）發(fā)明Cd-Ni 電池1900 年 愛(ài)迪生（Edison）創(chuàng)制了Fe-Ni 蓄電池8/20/20223二十世紀(jì)四、五十年代以后電池發(fā)展更加迅速60 年代：“雙子星座”和“阿波羅”飛船應(yīng)用培根H2-O2 燃料電池70 年代：中東戰(zhàn)爭(zhēng) 能源危機(jī) 燃料電池、鈉硫電池、鋰硫化鐵電池得到廣泛發(fā)展80 年代：貯氫材料的突破 氫鎳電池90 年代：嵌入化合物 鋰離子電池8/20/20224二.化學(xué)電源的應(yīng)用：航空航天飛行器：飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等；機(jī)動(dòng)車輛：?jiǎn)?dòng)、點(diǎn)火、照明、動(dòng)力；大型發(fā)電站：調(diào)解電站；醫(yī)院、郵電通訊部門：應(yīng)急電源；便攜式電子產(chǎn)品：移動(dòng)電話、攝像機(jī)、手

3、提電腦等。8/20/20225 三. 電池的發(fā)展規(guī)律 電池的發(fā)展與新型電器的開發(fā)和應(yīng)用密切相關(guān) 。世紀(jì)年代后各種低壓電器的普及，特別是半導(dǎo)體收音機(jī)的出現(xiàn)帶動(dòng)了干電池的發(fā)展。年代半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了紙板電池的發(fā)展。年代以后，、和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，促進(jìn)了電池的微型化。 年代以后，隨著移動(dòng)電話的出現(xiàn)，-電池逐漸完善和商品化，并出現(xiàn)了高能量密度鋰離子電池。 8/20/20226材料的開發(fā)利用大大促進(jìn)了電池的進(jìn)步 堿錳電池的改進(jìn)得益于電解二氧化錳，而吸氫材料促進(jìn)了-電池的興起。鋰離子電池的開發(fā)有賴于碳素的研究，而導(dǎo)電聚合物材料的研究很有可能大大改變固態(tài)電解質(zhì)電池的面貌。8/20/20227環(huán)保問(wèn)題為電池

4、的發(fā)展提出了新的要求 一次電池的大量使用造成了資源的浪費(fèi)，為了節(jié)約資源，世紀(jì)年代研究的重點(diǎn)是可重復(fù)使用的二次電池，原有的一次電池也向二次電池轉(zhuǎn)向。為了保護(hù)環(huán)境及人體的健康，禁止在電池中使用有害元素，盡管-電池性能優(yōu)異，而且技術(shù)不斷成熟，卻開發(fā)了取代它的-電池。汽車工業(yè)中大量使用的鉛酸電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了密閉化和免維護(hù)。8/20/20228為了應(yīng)對(duì)未來(lái)可預(yù)料的能源危機(jī)和減少汽車尾氣污染，新型清潔電動(dòng)汽車的研究成為全世界科學(xué)工作者注目的焦點(diǎn)，目前已取得很大的進(jìn)展。例如國(guó)外已經(jīng)開發(fā)出使用鋅空氣電池的微型汽車，一次充電可行駛里程已達(dá)；而使用燃料電池，據(jù)稱驅(qū)動(dòng)座小車最高時(shí)速可達(dá)以上，持續(xù)行駛超過(guò)。 8/20/

5、20229隨著各種便攜性電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電池的需求量正在飛速增長(zhǎng)，同時(shí)電池的性能也不斷地提高和完善。世紀(jì)年代，工業(yè)（計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、攝像機(jī)和無(wú)線電動(dòng)工具）的普及，日常生活對(duì)電池的需要已經(jīng)到了須臾不可分離的地步。因此有人預(yù)測(cè)，高性能電池工業(yè)將是世紀(jì)最有前景的產(chǎn)業(yè)，因此電池的發(fā)展必須能趕上電器用具的發(fā)展?，F(xiàn)在各種形狀、各種規(guī)格、性能各異的電池在日常生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。8/20/202210四. 化學(xué)電源基本知識(shí)1.1化學(xué)電源的組成 化學(xué)電源是一種能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，通常被稱為電池。在實(shí)現(xiàn)化學(xué)能 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程中，必須具備以下條件：2. 化學(xué)變化過(guò)程中電子的

6、傳遞，必須經(jīng)過(guò)外回路。3. 兩極之間應(yīng)具有離子導(dǎo)電性物質(zhì)電解質(zhì)。所以，1. 在化學(xué)反映的過(guò)程中，電子的得失，必須分別在兩個(gè)不同的區(qū)域進(jìn)行，即失電子氧化在負(fù)極，得電子還原在正極。一個(gè)電池不可缺少的組成部分應(yīng)有：正極，負(fù)極，電解質(zhì)，隔膜，電池外殼及其它配件。8/20/202211 例如鉛酸蓄電池：正極PbO2，負(fù)極Pb，電解質(zhì)，H2SO4，在工作時(shí)電極上發(fā) 生如下反應(yīng)： 由上 可知，鉛酸蓄電池工作時(shí)，兩極間的導(dǎo)電離子是H+和SO42-，電子從Pb負(fù)極通過(guò)外回路流入PbO2正極，只要在兩個(gè)電極和電解質(zhì)溶液界面上不斷地進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，則在外回路中就不斷地有電流流過(guò)。另外，在電極上參加反應(yīng)的物質(zhì)通常也

7、叫活性物質(zhì)。負(fù)極：正極：總反應(yīng)：8/20/202212 對(duì)于實(shí)用的電池來(lái)說(shuō)，除了正極，負(fù)極和電解質(zhì)外，還有隔膜，電池外殼及其它一些配件。例如接線柱，匯流排（見下圖），電池各部分的作用為：1. 正極和負(fù)極 正極和負(fù)極的作用是參加電化學(xué)反應(yīng)和導(dǎo)電。負(fù)極通常都是由電位較負(fù)的金屬承擔(dān)。如：Zn、Mn、Al、Cd、Fe。它們本身都是還原劑，在放電過(guò)程中被氧化，所以電池的負(fù)極也就是陽(yáng)極；正極通常是采用電位較正的金屬或其它氧化物，例如MnO2、PbO2。它們都是氧化劑，在放電的過(guò)程中被還原，放電時(shí)電池的正極也是陰極。8/20/2022132. 電解質(zhì) 它有兩個(gè)作用，一是參加電化學(xué)反應(yīng)；二是保證電池內(nèi)部電極間

8、的導(dǎo)電，這種導(dǎo)電與外回路不同，它是離子導(dǎo)電。 對(duì)有些電池而言，電解質(zhì)只是參加電池反應(yīng)的中間過(guò)程，而其本身并不消耗（ZnO2電池中的HOH)，但有些電池卻要消耗電解質(zhì)（鉛酸蓄電池中的H2SO4)。在設(shè)計(jì)電池時(shí)應(yīng)注意到。3. 隔膜 隔膜的作用是防止正負(fù)極活性物質(zhì)的直接接觸，否則造成短路。隔膜的好壞對(duì)電池的質(zhì)量影響很大，對(duì)隔膜通常有如下要求：8/20/202214（1）內(nèi)阻小（2）能阻擋脫落的活性物質(zhì)透過(guò)（3）能耐電解質(zhì)溶液的腐蝕，及電極氧化劑的氧化（4）來(lái)源豐富，價(jià)格低廉4. 電池外殼電池外殼作為容器，應(yīng)耐腐蝕，且具有一定的強(qiáng)度。1.2 化學(xué)電源的分類：化學(xué)電源分類的方法很多，通常有如下幾種：1.

9、按電池的工作性質(zhì)分類： （1）原電池（一次電池）：這種電池中的活性物質(zhì)消8/20/202215耗后，即失去了工作能力，也就是說(shuō)這種電池只能使用一次。例如：ZnMnO2，MgAgCl等電池。（2）蓄電池（二次電池） 該電池中的活性物質(zhì)消耗后，可進(jìn)行充電使其恢復(fù)，電池得到再生，使電池能夠反復(fù)使用。例如鉛酸蓄電池，OHNi電池，AgZn電池等。2. 按電解質(zhì)的性質(zhì)可將電池分為以下三類：（1）堿性電池（電解質(zhì)為堿性，NaOH,KOH) 例：CdNi（2）酸性電池（電解質(zhì)為酸性，H2SO4)例：鉛酸電池（3）中性電池（電解質(zhì)為中性，NH4Cl,HgCl2)例:ZnMnO28/20/202216 隨著科學(xué)

10、技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了有機(jī)電解質(zhì)電池，固體電解質(zhì)電池，膠體電解質(zhì)電池等等。 由于化學(xué)電源的發(fā)展較快，上述的分類不能明確地反映化學(xué)電源的全貌，目前常用的分類方法是把化學(xué)電源分為四類：（1）原電池（2）蓄電池（3）儲(chǔ)備電池：該電池在存放期間不加電解質(zhì)溶液，在使用時(shí)臨時(shí)加入電解質(zhì)活化。例如：ZnO2電池（4） 燃料電池：是一種能連續(xù)地把燃料的化學(xué)能變?yōu)殡娔艿难b置。即只要連續(xù)不斷地將燃料（反應(yīng)物）或電解質(zhì)通如電池中，電池就能連續(xù)不斷地反應(yīng)而產(chǎn)生電能。例如：H2O2燃料電池。8/20/202217 需要說(shuō)明的是：以上的分類并不是絕對(duì)的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有些電池體系往往 可以設(shè)計(jì)成多種不同的電池。例

11、如：在堿性溶液中，由鋅和空氣構(gòu)成的電池體系。它根據(jù)需要就可以做成：1. ZnO2(C) 一次電池2. ZnO2(C) 二次電池3. ZnO2(C) 儲(chǔ)備電池4. ZnO2(C) 燃料電池1.3 描述電池性能的主要參數(shù)及對(duì)參數(shù)的影響因素 對(duì)于一個(gè)實(shí)用化的電池，有多方面的性能參數(shù)要求。例如電池的電壓、內(nèi)阻、容量與比容量、能量與比能量、功率與比功率以及電池的貯存性能和循環(huán)壽命等 。8/20/2022181.電池的電動(dòng)勢(shì)及開路電壓 電池在開路時(shí)，即沒(méi)有電位通過(guò)的情況下，正負(fù)極的平衡電位之差，就是該電池的電動(dòng)勢(shì)。它的大小取決于電池的本性及電解質(zhì)的性質(zhì)與活度，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)等無(wú)關(guān)。即：假設(shè)電池的正負(fù)極

12、反應(yīng)為：8/20/202219則： 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(lái)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)。8/20/202220其中以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(lái)源（3）電化當(dāng)量等多方面的因素。例如LiF2,若組

13、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8/20/202221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。 一般的化學(xué)電源都是采用水溶性電解質(zhì)。在電位較負(fù)的金屬中，以鋅、鉛、鎘、鐵最為常用。因在相應(yīng)的電解質(zhì)中具有較好的耐腐蝕性，在電位較正的活性物質(zhì)中，常用的有二氧化錳、二氧化鉛、氫化鎳、氧化銀等，它們?cè)谒芤褐卸己芊€(wěn)定，溶解度小，材料來(lái)源廣。 在以上所討論的電動(dòng)勢(shì)是指體系達(dá)到熱力學(xué)平衡后的電動(dòng)勢(shì)。但實(shí)際上有許多電極體系在水溶液中，即使開路時(shí)，也達(dá)不到熱力學(xué)上的平衡狀態(tài)。例如：鋅錳干電池： 電極與溶液的界面上也可能發(fā)生其它的共軛反應(yīng)。，

14、即使在沒(méi)有負(fù)荷的情況下，在8/20/202222在負(fù)極上可能存在的反應(yīng)：在正極上可能存在的反應(yīng)：（主要）（1）（2） 由此可以看出1.2兩式并不能反映電池的真實(shí)電動(dòng)勢(shì)大小，但在開路時(shí)，電極上 建立的仍是穩(wěn)定電位。該電位的8/20/202223數(shù)值往往是不同于平衡電位的，一般都是小于平衡電位。習(xí)慣上把開路時(shí)所測(cè)得的穩(wěn)定電位的電壓稱為開路電壓。2. 電池的工作電壓和放電曲線（1）工作電壓：當(dāng)電池有電流通過(guò)時(shí)，這時(shí)正、負(fù)極 由于電流通過(guò)電池回路時(shí)使電極產(chǎn)生電極極化和歐姆極化，這時(shí)的工作電壓總是低于電動(dòng)勢(shì)。即：兩端的電位差，即為工作電壓（放電電壓）。 ， 分別為電流通過(guò)正，負(fù)極時(shí)的工作電位。 I為放電

15、電流 R為電池內(nèi)阻。影響工作電壓的因素：8/20/2022241. 放電時(shí)間 一般放電時(shí)間長(zhǎng)，電壓低2. 放電流密度 一般放電流密度大，電壓低3. 放電深度 一般放電深度低，電壓低（2）放電曲線 若在指定負(fù)載和溫度下放電時(shí)，把電池的電壓隨時(shí)間的變化作圖，就可以得到電池的放電曲線。圖12 電池的 放電曲圖線8/20/202225 根據(jù)電池的放電曲線，通?？梢源_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 注意：放電時(shí)間的長(zhǎng)短，取決于放電的終止電壓（不宜再繼續(xù)放電的電壓）。通常放電電流大時(shí)，終止電壓可低些，放電電流小時(shí)，終止電壓可高些。 當(dāng)

16、衡量電池的電壓特性時(shí)，常用平均工作電壓來(lái)表示：8/20/202226圖13Ni測(cè)定電壓的次數(shù) 我們知道，若用 、 分別表示正、負(fù)極的過(guò)電位，則電池的工作電壓也可表示為：8/20/202227 對(duì)原電池的電壓電流特性與電極極化曲線，歐姆電壓降的關(guān)系可用下圖表示：圖14. 電位變化與時(shí)間的關(guān)系A(chǔ) 電池的電壓隨時(shí)間變化的曲線 正極極化曲線 負(fù)極極化曲線8/20/202228（3）電池的容量 電池的容量是指電池放電時(shí)所能給出的電量（AH)。電池的容量通常分為：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(shuō)明） 例如：設(shè)某電池中的負(fù)極為 Zn，其重量為

17、13.5克，求鋅電極的理論容量？電極反應(yīng)：8/20/202229 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(kù)侖的電量（96500/3600S=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8/20/202230 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?；?/p>

18、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（一定沉度，一定的電流密度和終止電壓），電池所能給出的電量。8/20/202231實(shí)際容量的計(jì)算：（1）若是恒電流放電（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(guò)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8/20/

19、202232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:活性物質(zhì)利用率的高低與以下因素有關(guān)：（1）與其本身的活性物質(zhì)有關(guān)，自身的活性高，利用率就高8/20/202233（2）與放電機(jī)制有關(guān)，（即與放電電流密度有關(guān)）（3）與電池的結(jié)構(gòu)有關(guān)（4）與放電深度有關(guān) 圖15：溫度對(duì)鋅氧化汞電池容量的影響 圖16：鉛酸電池的容量與電流密度的關(guān)系例如：8/

20、20/202234 由圖15 可看出，溫度降低，電池的容量下降，這是由于當(dāng)溫度下降時(shí)造成了： 圖16 所示為鉛酸電池的容量隨電流密度的變化圖。由圖可知，隨電流密度的提高，電池的容量下降。這是由于當(dāng)電流密度上升時(shí)，導(dǎo)致電極極化增加，消耗在歐姆內(nèi)阻上的反應(yīng)物擴(kuò)散困難；2. 電解液內(nèi)阻增大，電極易鈍化。能量也增加，使電池的容量下降，活性物質(zhì)的利用率降低。另外，所謂放電制（放電率）是表示放電電流的大小。即： 放電率=Q電池的額定容量(AH)/I放電時(shí)間(H)例如：若電池的額定容量為10Ah,以5小時(shí)放電，則:I放電電流=10AH/5H=2A8/20/2022354. 電池的能量 電池的能量：指電池在一

21、定的放電條件下，所能給出的能量，通常用瓦時(shí)（WH)表示電池的能量分類為：（1）理論能量：從熱力學(xué)上看，電池的理論能量等于可逆過(guò)程電池所能做的最大有用功：（2）電池的實(shí)際能量：2.恒電阻放電時(shí)1.恒電位放電時(shí)8/20/202236（3）比能量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茌敵龅哪芰縜. 理論重量比能量又可分為：b. 實(shí)際重量比能量 總之：在評(píng)定電池的質(zhì)量或是在開發(fā)新的電源時(shí)，對(duì)電池的比能量是常常需要考慮的一個(gè)指標(biāo)。以下就對(duì)電池比能量的理論重量比能量和實(shí)際重量比能量再做進(jìn)一步的說(shuō)明： A. 理論比能量：是指1Kg電池反應(yīng)物質(zhì)反應(yīng)完全后，理B.

22、 實(shí)際比能量是：指1Kg電池反應(yīng)物質(zhì)在實(shí)際放電時(shí)所能論上所能給出的電能。給出的電能。8/20/202237下面以鉛酸電池為例說(shuō)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8/20/202238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(lái)說(shuō)

23、，由于H2SO4參加了反應(yīng)，故其電動(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8/20/202239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）20/202240 從表中的數(shù)據(jù)

24、可以看出，電池的實(shí)際比能量都要比理論值低的多，這是由于除了電池活性物質(zhì)的利用率不可能達(dá)到100%外，在電池中還有其它的輔助部件所致（電解液、集流體、外殼）5.電池的功率 在一定的放電制下，單位時(shí)間內(nèi)電池所能給出的能量，稱為電池的功率（W，KW)。 單位重量或單位體積電池輸出的功率，稱為電池的比功率（W/Kg，W/L). 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位越大，或者說(shuō)其可以在高倍率下放電。8/20/202241理論上電池的功率可以用下式表示： P=IE若設(shè)R外為電路的電阻, R內(nèi)表示電池的內(nèi)阻, 則上式可寫作： 上式中的第一項(xiàng)為有用功率P有。第二項(xiàng)的功率則

25、是消耗在電池內(nèi)部的發(fā)熱上，而不能利用。所以通常將由P有=I2R外可知，外電阻對(duì)K，P有，P有影響稱為功率利用系數(shù)。 由圖可知，若增大R外，會(huì)提高功率的利用率，使總功率中消耗于電池內(nèi)部發(fā)熱發(fā)熱的那一部分減少。但是，8/20/202242當(dāng)R外增大時(shí)，工作電流I 將減少，有用功率的數(shù)值就將減少，因而就存在一個(gè)R外最佳值問(wèn)題。圖17. 外電阻對(duì)K，P有，P的影響8/20/202243因要想有極大值，只需使 。即：即：8/20/202244上式表明：當(dāng)外電阻等于內(nèi)電阻時(shí)，電池的有用功率可達(dá)最大。 另外，從電池的本身來(lái)看，電池的反應(yīng)物活性高，電極中有良好的電解液通道。電池的歐姆內(nèi)阻小，電池的比功率就大，

26、也就是說(shuō)欲提高電池的比能量的途徑是一樣的。即電池的比功率和比能量具有一定的聯(lián)系，也有一定的矛盾。因此比功率和比能量都與放電率有關(guān)。即P=IE ， W=QE。高放電率放電：電池的比功率增大，而比能量下降低放電率放電：電池的比功率下降，而比能量上升。因在小電流放電時(shí)，活性物質(zhì)的利用率提高。8/20/202245下圖（18）所示是幾種物質(zhì)的比能量和比功率的關(guān)系。圖（18）. 幾種物質(zhì)的比能量和比功率的關(guān)系1. ZnHg電池2. ZnMn電池3. ZnAg電池5.鉛酸蓄電池4. 無(wú)極板盒ZnCd電池8/20/202246 另外需說(shuō)明的是，即使是同一種電池體系，由于電池的結(jié)構(gòu)和制造工藝不同，電池的比功率

27、和比能量特性也會(huì)有很大的差別。6. 電池的儲(chǔ)存性能和自放電 化學(xué)電源的特點(diǎn)之一是在使用時(shí)能夠輸出電能，不用時(shí)能夠保存能量。因而好的電池具有較好的儲(chǔ)存性能。所謂的放電性能 是指在一定條件（一定溫度、濕度等）下，儲(chǔ)存時(shí)容量的下降率。通常表示為： Q。、QT分別為電池儲(chǔ)存前后的容量，t為儲(chǔ)存的時(shí)間，一般用天、月、年計(jì)算。8/20/202247 容量的下降率主要是由電池的自放電引起的，故也叫自放率。 從熱力學(xué)上看，產(chǎn)生自放電的根本原因是由于電極活性物質(zhì)在電解液中不穩(wěn)定引起的。因大多數(shù)的負(fù)極活性物質(zhì)是活潑的金屬，它在水溶液中的還原電位比氧負(fù)極要負(fù)，因而會(huì)形成金屬的自溶解和氫析出的共軛反應(yīng)。使負(fù)極活性物質(zhì)

28、不斷被消耗。同樣 正極活性物質(zhì)也會(huì)與電解液或電極中的雜質(zhì)發(fā)生作用被還原而產(chǎn)生自放電。8/20/202248 另外電池的自放電也有可能由正負(fù)極之間的微短路或正極活性溶解轉(zhuǎn)移到負(fù)極上去而引起自放電。這時(shí)必須采用良好的隔膜來(lái)解決。 另外還可以采用低沉和干荷電儲(chǔ)存，都可減少自放電，而使電池的儲(chǔ)存壽命延長(zhǎng)。7. 蓄電池的充放電特性 蓄電池放電后，用一個(gè)直流電源對(duì)它充電，即此時(shí)發(fā)生 克服自放電的方法，一般是采用高純的原材料，或在負(fù)極材料中加入氫過(guò)電位高的金屬（Hg，Cd，Pb)，或在電極或溶液中加入緩蝕劑來(lái)抑制氫的析出等。8/20/202249的電極反應(yīng)恰是放電反應(yīng)的逆反應(yīng)。這樣使電極活性物質(zhì)得到恢復(fù)，電

29、池又可重復(fù)使用，充電過(guò)程是一個(gè)電解過(guò)程。充電時(shí)，直流電源的正極與電池的正極相連，負(fù)極與直流電源的負(fù)極相連。這時(shí)電池的端電壓稱為充電電壓，電池的充電電壓總是高于它的電動(dòng)勢(shì)，其關(guān)系式如下：r 為電極的等效極化電阻 R 為R+、R、Rl的歐姆電阻之和8/20/202250因原電池總可以等效為：原電池的簡(jiǎn)化等效電路 蓄電池的充電方法有恒流法和恒壓法，通常使用的是恒電流法。隨著充電的進(jìn)行，活性物質(zhì)不斷被恢復(fù)（負(fù)極物質(zhì)還原，正極活性物質(zhì)氧化），電極反應(yīng)存積不斷縮小，充電電流密度不斷增大，使電極的極化不斷增大。充電電壓不斷增大。對(duì)電壓的增大的貢獻(xiàn)，開始主要是I充R項(xiàng)，而后才是8/20/202251IiR項(xiàng)。

30、充電電壓隨時(shí)間的變化即為充電曲線。如下圖所示：圖19. 鉛酸蓄電池的充放電曲線8/20/202252 實(shí)際上充電時(shí)常為兩個(gè)階段，前期以正常的電流，后期由于不斷發(fā)生水的電解，而析出H2,O2,故此時(shí)的充電電流宜減小一倍，以免過(guò)多的電量消耗于水的電解。 基于在充電過(guò)程中有能量的損耗，因而就有一個(gè)充電效率的問(wèn)題。可用容量輸出效率和能量輸出效率來(lái)表示。1. 容量輸出效率（又稱安時(shí)效率）：是指電池放電輸出能量與充電輸入能量之比。8/20/2022532. 能量輸出效率（又稱WH效率）：是指電池放電輸出能量與充電輸入能量之比。 超過(guò)了充電終止電壓，繼續(xù)充電稱為過(guò)充電。若低于放電終止電壓，繼續(xù)放電稱為過(guò)放電

31、。 過(guò)充電不僅造成了能量的無(wú)益消耗，而且會(huì)對(duì)電池的性能和工作環(huán)境造成危害；過(guò)放常造成電池難以再充電。8. 蓄電池的循環(huán)壽命 蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)（或稱8/20/202254一個(gè)周期）。在一定的放電制下，當(dāng)電池的容量降到某一定值之前，電池所能承受多少次充放電，稱為蓄電池的使用周期（或稱循環(huán)壽命）。周期越長(zhǎng)，表示電池的性能越好。 不同的電池使用周期是不相同的，例如：一般說(shuō)來(lái)，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

32、量的百分比）。下表即為CdNi電池的放電深度與使用壽命的關(guān)系：8/20/202255放電深度（%）255075使用壽命（次）50000150005000一般說(shuō)來(lái)，放電深度小，使用壽命長(zhǎng)。8/20/202256第二章：鋅錳干電池2.1 概述 以MnO2為正極，Zn為負(fù)極，并以NH4Cl水溶液為主電解液，用紙、棉或淀粉等將電解液凝膠化，使其不流出，具有這種結(jié)構(gòu)的電池叫做錳干電池。 這種電池最早在1868年法國(guó)人勒克朗謝設(shè)計(jì)的，開始電解質(zhì)仍是流動(dòng)的。 并把細(xì)砂、鋸末等物質(zhì)加在電解質(zhì)中，使其成為糊狀物。到了1886年，由美國(guó)的加斯納，設(shè)計(jì)了一種將電解液用石膏固化，而鋅電極8/20/202257制成圓筒

33、形的電池。這種電池即使傾斜電解液也不會(huì)流出。美國(guó)在1890年開始生產(chǎn)了這種電池。之后又經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)，發(fā)展到目前的干電池。 干電池主要用在：照明、攜帶式收音機(jī)、照相閃光燈、電動(dòng)玩具、電話、助聽等方面。說(shuō)明：2CaSO4H2O與少量水作用可逐漸硬化，并膨脹，故可鑄造模型及雕塑。8/20/202258 鋅錳干電池可根據(jù)不同的用途和特性，制成不同形狀和規(guī)格的單體電池。它們所用的原材料大體一樣，只是正極電芯粉和電解液等的配比不同，通常有圓筒形和方形兩種。（見下圖）8/20/202259 筒形電池的鋅極兼作電池的容器。MnO2電極壓成圓柱形的電芯，炭棒在電芯的中央作為正極導(dǎo)體，電芯外面包有綿紙，以防芯粉

34、脫落；鋅筒底部的絕緣墊片，是用來(lái)防止正負(fù)極間的短路；電糊起作離子的導(dǎo)電作用和正負(fù)極間的隔離物的作用。上部的氣室為氣體或電糊膨脹而留的余地；封口劑和電池蓋都是為了密封電池，防止電解質(zhì)干固。 迭層電池的鋅極為鋅片，炭餅為正極，在炭餅和鋅片之間置有涂過(guò)凝膠電解質(zhì)的漿層紙隔膜。鋅極的另一面緊貼有電子導(dǎo)電的導(dǎo)電膜，用于電池串聯(lián)。每個(gè)單體電池之間的外面有絕緣套，并兼作電池的容器。 迭層電池的結(jié)構(gòu)比較緊湊，體積小，重量輕。但一般內(nèi)阻大，僅能用于電壓要求高，電流要求小的場(chǎng)合。8/20/2022602.2 圓筒鋅錳干電池的制造 鋅錳干電池的生產(chǎn)工藝，因電池品種和各廠的機(jī)械化程度不同而各有所異，現(xiàn)僅就主要部分作以

35、下介紹：鋅錳干電池的生產(chǎn)工藝流程是由許多的工序構(gòu)成的（如下圖所示）8/20/2022618/20/202262其工序較多，但大致可歸結(jié)成以下幾個(gè)部分：（1）電解質(zhì)溶液的制備1. 電解液的成分和作用 隨著工業(yè)的發(fā)展，為了研制高比能，耐低溫，長(zhǎng)壽命的鋅錳干電池，人們對(duì)電池的成分作了許多的改進(jìn)，在目前常用的有以下幾種：8/20/202263 A. NH4Cl：電解液的主要成分，其作用為：a. 參加電池反應(yīng)，減少鋅電極的極化b. 擔(dān)任離子的導(dǎo)電，是常見的氯化物中比電導(dǎo)最大的（見表21）氯化物水溶液20%NH4ClKClNaCl2MgCl2ZnCl218時(shí)的比電阻 /2.973.735.787.1410

36、.99C. NH4Cl水解生成的H+，有利于減緩電芯中PH值的上升，使電極正電位下降。8/20/202264 NH4Cl的主要缺點(diǎn)是冰點(diǎn)高，20%的水溶液在20時(shí)便結(jié)冰，使電池在低溫下不能工作。另外，NH4Cl亦沿鋅筒爬出，引起電解液外溢。（2）ZnCl2：A 吸水性強(qiáng)，有助于保持電解質(zhì)中的水分，防止電糊干涸。B 增大了電解液的鋅離化子濃度，可減緩鋅的腐蝕。C ZnCl2水解生成的H+，可以減少正極電位下降。D ZnCl2有促進(jìn)淀粉的水解作用，可加速電解液的糊化。8/20/202265溫度 不加ZnCl2 加10%的ZnCl2 180 35 60 3090 40 25電解的糊化時(shí)間（S）E 能

37、改善電池的低沉性能其主要缺點(diǎn)是：比電阻大，約為NH4Cl的4倍（3）稠化劑： 為了使電解液呈不流動(dòng)狀，需在電解液中假如稠化劑，鋅錳干電池中使用的是淀粉和面粉。淀粉和面粉的化學(xué)8/20/202266成分是相近的，她們的通式為(C6H10O5)X，都是具有支鏈的鏈狀的高分子化合物。淀粉不溶于冷水，加熱時(shí)，水分子逐漸滲入淀粉顆粒內(nèi)部，體積慢慢膨脹，達(dá)到糊化溫度時(shí)，淀粉團(tuán)被解體，分子相互交織在一起，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把電解液包在其中，成為均勻的和不流動(dòng)的凝膠狀漿糊。它具有良好的導(dǎo)電性，又能固化電芯，把它與鋅筒隔開，并能防止電解液外溢，使電池便于攜帶和使用。 如果稠化劑只用淀粉，則電糊的膠體強(qiáng)度大，導(dǎo)電

38、性好，但是其保水能力和粘性都較差。因此干電池的電糊都不使用單一的淀粉，而是與一定量的面粉使用。面粉電糊的優(yōu)點(diǎn)是粘性好保水能力強(qiáng)，但它對(duì)錳粉和電解質(zhì)的作用不穩(wěn)定，膠體強(qiáng)度低，二者結(jié)合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可達(dá)最佳效果。8/20/202267（4） 緩蝕劑：A HgCl2 是干電池中經(jīng)常使用的一種無(wú)機(jī)緩蝕劑。電解液中假如HgCl2后，鋅皮與HgCl2作用，將Hg置換出來(lái)，生成一層鋅汞齊膜。由于H2在鋅汞齊上的過(guò)電位與在鋅及其它一些金屬雜質(zhì)上的過(guò)電位高，故能減小H2的析出速度，從而又可減緩了鋅皮的腐蝕。 B 乳化劑OP、TX10：都是聚氧乙烯烷基苯基醚一類的有機(jī)非離子型表活性劑。8/20/202268 其用量

39、一般在0.05%左右，其作用機(jī)理為:該非離化子做表面活性劑，在Zn(Hg)表面上具有較好的吸附，從而抑制了Zn的腐蝕。（5）其它添加劑 在電解液中常假如Cr2(SO4)3，增加電糊強(qiáng)度，假如CaCl2和LiCl，降低電解液的冰點(diǎn)，提高低沉性能。2. 電解液的配制工藝電解液和電糊的配制工藝流程如下：8/20/202269電糊R2O（手電筒電池）配方1#電液：NH4Cl 19.94%，ZnCl2(50%) 9.97%,H2O 69.74%，Zn 0.035%2#電液：NH4Cl 23.24%，ZnCl2(50%) 56.26%,H2O 19.95%，Zn 0.065%8/20/202270白漿：1

40、#電液65.55%，土豆粉27.53%，面粉6.92%清降：2#電液93.85%，土豆粉0.47%，比重1.209（20 ）的Cr2(SO4)3溶液4.04%，OP(10%)水溶液 1.17%，HgCl2 0.4%電糊：白漿60%，清漿40%電糊中各組分的含量：NH4Cl：16.5% ， ZnCl2：13.16%，ZnO：0.37%， HgCl2：0.18%，面粉： 4.14%， Cr2(SO4)3 ：0.39%，H2O：48.53%， 土豆粉：16.68%， O P：05%8/20/2022713. 配制要點(diǎn)：（1）必須仔細(xì)除去原料中的重金屬雜質(zhì)（Fe、Cu、Ni、Pb） 方法：在ZnCl2

41、溶液中加入純Zn片，加熱到110130 ，使 重金屬離化子都置換出來(lái),使MFe3+ 天然錳粉 b 化學(xué)錳粉決定電池容量的主要材料。c 電解錳粉b 化學(xué)錳粉：化學(xué)二氧化錳的制法較多，主要包括1.還原高錳酸鉀法 ，2. 硝酸鉀熱分解法 3. 碳酸錳法 碳酸錳法是把低品位的軟錳礦制成硫酸錳溶液。經(jīng)過(guò)濾，8/20/202273然后以碳酸氫氨做沉淀劑，使硫酸錳成為碳酸錳沉淀，最后經(jīng)過(guò)焙少生成二氧化錳。反應(yīng)如下：C 電解錳：是用碳酸錳和硫酸作原料，采用電解的方法制得。電解時(shí)的電極反應(yīng)為：總反應(yīng)：8/20/202274陽(yáng)極：陰極：（2）石墨和乙炔黑 它們都是由碳構(gòu)成的同素異構(gòu)體，具有良好的導(dǎo)電性和一定的吸液

42、能力。把它們混在電芯中和錳粉緊密接觸，用來(lái)提高二氧化錳電極的電導(dǎo)能力，并能使電芯保持較多的電解液，有利于錳粉和電解液的充分接觸、反應(yīng)。提高活性物質(zhì)的利用率和延長(zhǎng)電池的壽命。8/20/202275 一般來(lái)說(shuō)，石墨的導(dǎo)電性好，吸液能力差，乙炔黑的顆粒細(xì)，比表面大（6080m2/克），具有鏈狀 結(jié)構(gòu)，其吸液能力比石墨強(qiáng)。因此用乙炔黑代替石墨能使電芯吸收更多的電液，提高電池的容量。但石墨的加入對(duì)提高短路電流更為有利。且石墨的顆粒越細(xì)越好。（3）氯化銨 電芯中氯化銨的存在的作用：1補(bǔ)充因放電時(shí)電解液中氯化銨的減少， 2減少放電室電芯中的PH值的上升，3提高電芯中電解液的電導(dǎo) （4）調(diào)粉液 在制作電芯的粉

43、料中加入調(diào)粉液，有利于電芯的成型。而且便電芯保持一定水分，增加電芯液相的導(dǎo)電性。 2.電芯的制造流程（R2O型電池）8/20/202276 2. 電芯的制造流程（R2O型電池）3. 工藝要求：1 和粉要求均勻2 含水量（粉）一般控制在1318%左右，太濕壓制電芯時(shí)，易擠出電解液，太干不易成型。8/20/2022773電芯粉合好后要妥善保存，防止吸潮和揮發(fā)。4電芯壓制用力要均勻，各處的緊密度要一致。5炭棒應(yīng)居于電芯中心，接觸緊密，不能中斷和破頭。6電芯應(yīng)圓正，表面光滑，無(wú)裂紋，粘粉。7電芯的大小、重量和含水份應(yīng)符合要求。R2O型干電池電芯的規(guī)格直徑27.227.8mm高度41+-0.5mm重量（

44、包含炭棒） 52g水份%1718% 8為使 電芯加電液后不膨脹，不掉粉。在電芯外邊用綿紙包上，并用棉紗線在扎線機(jī)上扎緊捆好。包紙要平正，8/20/202278無(wú)破損，均勻，結(jié)實(shí)。三. 炭棒制造1. 制造炭棒的原材料和作用 炭棒是由石墨和煤、瀝青經(jīng)壓制和焙燒而成。石墨在炭棒中起電導(dǎo)作用，是制造炭棒的主要原材料。煤瀝青是煤焦油蒸餾的產(chǎn)物，它在炭棒中起粘合作用。2. 制造流程8/20/2022793. 質(zhì)量要求（1）電阻?。?）表面粗糙，以利和電芯緊密接觸（3）透氣性好，防止電池產(chǎn)生氣漲（4）機(jī)械強(qiáng)度好（5）有一定的防水性，防止電液滲出，腐蝕銅帽四. 糊化品制造（1）制造流程8/20/202280（

45、2） 操作要點(diǎn)1 糊化要均勻，灌入鋅筒前，電糊要不斷攪拌，動(dòng)作2 糊化沉度要控制好，一般夏季水溫在6575 ，冬季3電糊面要與電芯齊肩，若高于電芯，易蝕銅帽，若低，要快，否則，會(huì)導(dǎo)致糊化不均勻，或上稀下干?？缮愿唿c(diǎn)。糊化時(shí)間一般在2分鐘。8/20/202281則會(huì)減少活性物質(zhì)的利用率和電池容量。4電芯應(yīng)居鋅筒中央，以免偏心，鋅筒各處電流密度不均，5要嚴(yán)防電液電糊粘到炭棒上，鋅筒內(nèi)壁上端，以免五. 鋅筒制造1. 對(duì)原材料的質(zhì)量要求 鋅筒既是干電池的負(fù)極，又是電池外殼。它直接參加電池反應(yīng)，是決定電池容量和儲(chǔ)存性能的主要原材料之一，故對(duì)原材料要求：a.具有很高的抗腐性能導(dǎo)致鋅筒局部腐蝕穿孔。腐蝕鋅皮

46、和銅帽8/20/202282b. 外觀無(wú)針孔，裂紋，清洗等 c. 化學(xué)成分應(yīng)符合表中規(guī)定純度PbCdFeCu含Cd、Zn98%0.30.7%0.25%0.02%98%0.8%0.030.06%0.02%5.4時(shí)，便以 固態(tài)析出。 當(dāng) PH9.2時(shí)，在ZnCl2濃度較大的情況下，又可發(fā)生如下反應(yīng)：（2-8）8/20/202298 這一般在負(fù)荷較重時(shí)才發(fā)生，此時(shí)的電壓也會(huì)有所回升。不過(guò)，這種反應(yīng)一旦發(fā)生，一般電壓已降到終止電壓以下。 當(dāng)OH和ZnCl2的濃度都較高時(shí)，而NH4Cl的濃度又低于10%。則可能發(fā)生如下的反應(yīng)：(2-9) 該反應(yīng)看上去消除了一部分氨，有利于2-7 式進(jìn)行，減緩了PH的變化

47、。但是由于沉淀的生成，消耗部分導(dǎo)電離子，占去了空間，增大了內(nèi)阻，同樣影響了電池的性能。另外，在弱酸電解質(zhì)中，還可能存在著以下的反應(yīng)：8/20/202299綜上所述，干電池的主要反應(yīng)可寫作：2.4 鋅錳電池的進(jìn)展簡(jiǎn)介 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鋅錳電池的要求亦越來(lái)越高，目前，國(guó)內(nèi)外都有許多的成績(jī)。具有代表性的新產(chǎn)品有：1.紙板電池，2.堿性鋅錳電池8/20/20221001. 紙板電池： 紙板電池就事實(shí)用紙板涂膠代替漿糊做隔離層。造紙的原則：（1）紙質(zhì)要致密、純凈 （2）吸水性強(qiáng)多孔性紙包括：綿紙、濾紙、電纜紙、牛皮紙等。（3）抗拉力大 目前常用的是電纜紙，其主要缺點(diǎn)是吸水性差。為解決該問(wèn)題，常在上

48、面涂上一層高分子材料，如聚乙烯醇（P.V.A)、羧甲基纖維素(C.M.C)、甲基纖維素（M.C)、海藻膠等。現(xiàn)將海藻膠紙板的制作簡(jiǎn)介如下：8/20/2022101 采用紙板取代漿糊的主要優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約了糧食，一個(gè)日產(chǎn)20萬(wàn)只R20的干電池廠，消耗糧食約400Kg，一年就要上百噸。8/20/20221022. 堿性鋅錳干電池較重型鋅錳干電池比，該堿性鋅錳干電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）工作電池平穩(wěn)（2）可大電位放電（大于中性2倍以上）（3）具有可逆性（可進(jìn)行多次充放電）（4）比能量大Zn-MnO2（漿糊） 22WH/KgZn-MnO2（堿性） 66WH/Kg電池反應(yīng)：8/20/2022103（1）電池結(jié)構(gòu)

49、（2）工藝基本情況： 炭素殼：用石墨做原料，添加石蠟等粘合劑和防水劑，劑壓成型，作為電池的正極并兼作容器。（1）電池結(jié)構(gòu) 炭素殼：用石墨做原料，添加石蠟等粘合劑和防水劑，劑壓成型，作為電池的正極并兼作容器。如圖：A：Cu B：鋅膏C：隔膜 D：炭倉(cāng)E： 炭素殼（電池正極導(dǎo)體） F：紙殼 G：馬口鐵皮；商標(biāo)8/20/2022104正極炭包：用電解錳，天然錳、乙炔黑按一定配比，并加入負(fù)極：采用含汞量為4%的汞齊鋅粉，添加12%纖維粉， 裝配時(shí)先把環(huán)行炭包裝入炭素殼中，適當(dāng)壓實(shí)，使 二者有很好的接觸。再將漿糊紙卷成管型插入炭包中間。然后將和好的鋅粉裝入隔膜筒內(nèi)，待無(wú)游離電解液后，插入黃銅做導(dǎo)體。隔膜

50、：采用耐堿性和吸水良好的紙為基體，再涂比重1.1的KOH溶液混合，壓成簡(jiǎn)狀環(huán)式炭包。布漿層。710%的淀粉混勻。8/20/2022105第三章：鉛酸蓄電池3.1 概述 鉛酸電池的歷史是以1859年法國(guó)人普蘭特的研究為開端的，當(dāng)時(shí)普蘭特發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直流電通過(guò)浸在稀硫酸中的兩塊鉛板時(shí)，在兩塊鉛板上能夠重復(fù)的產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，他便以此為基礎(chǔ)制成了蓄電池，并在實(shí)用化方面獲得了成功。 一 百年以來(lái)，經(jīng)人們的不斷努力研究和改進(jìn)。使鉛酸電池的性能有了很大提高。至今，它已是各種二次電池中使用最廣，用量最大的一種電池。8/20/20221068/20/2022107電動(dòng)三輪車專用UPS及電動(dòng)摩托車用6V、12V起動(dòng)用干荷

51、電鉛酸蓄電池OA型啟動(dòng)系列蓄電池電動(dòng)車用鉛酸電池8/20/2022108固定密封電池8/20/2022109蓄電池的結(jié)構(gòu) 蓄電池由3只或6只單格電池串聯(lián)而成，每只單格電池電壓約為2V，串聯(lián)成6V或12V以供汽車選用。蓄電池主要由極板、隔板、電解液和外殼組成 8/20/20221108/20/2022111（一）極板 極板是蓄電池的核心部分，蓄電池充放電過(guò)程中，電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換依靠極板上的活性物質(zhì)與電解液中的硫酸的化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。極板分正、負(fù)極板兩種。極板由柵架和活性物質(zhì)組成 。8/20/20221128/20/2022113（1）柵架 由鉛銻合金澆鑄而成。8/20/2022114 銻可以

52、提高機(jī)械強(qiáng)度和澆鑄性能。但是銻會(huì)加速氫的析出而加速電解液的消耗，還會(huì)引起蓄電池自放電和柵架腐爛，縮短蓄電池使用壽命。目前，多采用鉛低銻合金柵架或鉛鈣錫合金柵架。 為降低蓄電池內(nèi)阻，改善啟動(dòng)性能，現(xiàn)代汽車蓄電池采用了放射型柵架 8/20/2022115（2）活性物質(zhì)正極板上的活性物質(zhì)為二氧化鉛（PbO2），深棕色負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海綿狀純鉛（Pb），深灰色 .極板組：一片正極板和一片負(fù)極板浸入電解液中，可得到2V左右的電動(dòng)勢(shì)，為增大蓄電池容量，常將多片正、負(fù)極板分別并聯(lián)組成正、負(fù)極板組。注意：因?yàn)檎龢O板的強(qiáng)度較低，所以在單格電池中，負(fù)極板總比正極板多一片。是每一片正極板都處于兩片負(fù)極板之間，保

53、持其放電均勻，防止變形。 8/20/20221168/20/2022117（二）隔板 在正負(fù)極板間起絕緣作用，使電池結(jié)構(gòu)緊湊 （1）隔板有許多微孔，可使電解液暢通無(wú)阻。（2）隔板一面平整，一面有溝槽，溝槽面對(duì)著正極板，且與底部垂直，使充放電時(shí)，電解液能通過(guò)溝槽及時(shí)供給正極板，當(dāng)正極板上的活性物質(zhì)PbO2脫落時(shí)能迅速通過(guò)溝槽沉入容器底部。8/20/2022118（三）電解液 由純硫酸與蒸餾水按一定比例配置而成，加入每個(gè)單格電池中。電解液應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，含雜質(zhì)會(huì)引起自放電和極板潰爛，從而影響蓄電池壽命。 8/20/2022119（四）外殼 殼體用于盛裝電解液和極板組。外殼應(yīng)耐酸、耐熱、耐振動(dòng)沖擊。外殼

54、由橡膠外殼和聚丙烯塑料兩種，普遍采用的是塑料外殼，其有殼壁薄、質(zhì)量輕、易于熱封合、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。 外殼為整體式結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)間壁分成3個(gè)或6個(gè)互不相通的單格。蓄電池單格電池之間均用鉛質(zhì)聯(lián)條串聯(lián)。 每個(gè)單格電池設(shè)有一個(gè)液孔，可以加注電解液或檢測(cè)電解液密度?？咨w上設(shè)有通氣孔，便于排出蓄電池內(nèi)部氣體，防止外殼漲裂，發(fā)生事故。 8/20/20221208/20/2022121 蓄電池的型號(hào) 機(jī)械工業(yè)部JB2599-85鉛蓄電池產(chǎn)品型號(hào)編制方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，蓄電池的型號(hào)為： 第I部分 表示串聯(lián)的單格電池?cái)?shù)，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，蓄電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓是該數(shù)字的2倍。 8/20/2022122第II 部分表示電池類型和

55、特征，用兩個(gè)漢語(yǔ)拼音字母表示。第一個(gè)字母為“Q” 表示啟動(dòng)型鉛蓄電池。第二個(gè)字母表示電池結(jié)構(gòu)特征。如：干荷蓄電池用“A”表示；薄型極板用“B”表示；免（無(wú)）維護(hù)蓄電池用“W”表示。 第III部分表示額定容量，指20h率額定容量，用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，單位為Ah，單位略去不寫。在其后用一個(gè)字母表示特殊性能，如：高啟動(dòng)率用“G”表示；塑料槽用“S”表示；用“D”表示低溫啟動(dòng)性好。例：6-Q-105 6-QA-608/20/2022123鉛酸電池的組成，以及充放電過(guò)程中的反應(yīng)如下：鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)：1. 電動(dòng)勢(shì)高，內(nèi)阻小，可大電流放電2. 使用溫度范圍寬3. 原料豐富，價(jià)格不貴鉛酸電池的缺點(diǎn)：1. 循環(huán)

56、壽命不長(zhǎng)2. 比能量不高8/20/2022124鉛酸蓄電池的極板結(jié)構(gòu)有兩種：1. 涂膏式 2. 管式3. 充電時(shí)有酸霧逸出一般情況下，正極都是采用管式，負(fù)極采用涂膏式。根據(jù)電池的結(jié)構(gòu)可分為：根據(jù)用途可分為：1. 啟動(dòng)型： 用于汽車、船舶、拖拉機(jī)等，具有起動(dòng)時(shí)1. 開口式 2. 半密閉式 3. 完全密閉式電流時(shí)電流大，耐低溫的特點(diǎn)。2. 固定型： 用于發(fā)電廠，配電廠，電話局，作為備用電源的機(jī)關(guān)機(jī)房等，具有使用壽命長(zhǎng)，耐過(guò)充等。8/20/20221253.牽引用蓄電池，用于車輛驅(qū)動(dòng)電源，如火車站運(yùn)輸用的電瓶車和工礦電機(jī)車動(dòng)力電源；4.摩托車用蓄電池；5.船舶用蓄電他；6.航空用蓄電池；7.坦克用蓄

57、電池；8.鐵路客車用著電池；8/20/20221269.航標(biāo)用蓄電池；10.礦燈用蓄電池等 鉛酸電池的制造工序較多，一般分為板柵制造，鉛粉制造，生極板制造，化成和電池裝配等幾個(gè)主要部分。其工藝流程如圖31所示。8/20/20221278/20/2022128一. 板柵的制造 板柵作為極板的骨架，起著支撐電極活性物質(zhì)和導(dǎo)電，并使電流分布均勻的作用。板柵通常做成（如圖32示）有橫豎筋條的空格體。筋條的截面作成三角形或菱形，以容納活性物質(zhì)和增加極板的強(qiáng)度。8/20/2022129對(duì)板柵的要求：1. 導(dǎo)電性能好，且具有一定強(qiáng)度2. 能耐腐蝕3. 極板材料的澆鑄性要好，膨脹系數(shù)小，保證目前常用的板柵材料

58、有：PbSb（1012%）合金。（2） 膨脹系數(shù)?。?） 有較高的硬度，板柵不易變形制成的板柵與模具的尺寸一致。（1） 有較好的澆鑄性能，銻的加入可是鉛的熔點(diǎn)降低 ，其主要優(yōu)點(diǎn)是：熔化時(shí)流動(dòng)性好。8/20/2022130 其缺點(diǎn)是：由于Sb的加入耐腐蝕性下降，導(dǎo)電性也比純 基于以上的問(wèn)題：目前都改用Pb低Sb合金（Sb含量從1012%下降到6%以下），和PbCaSnAl等合金，對(duì)電性能可有很大提高。板柵制造的工藝如下：Pb差，Sb易從合金中析出，促使自放電。8/20/2022131 制備合金時(shí)，一般先將鉛量的1/5熔化，保溫在400450，然后加入銻量，并不斷攪拌，使溫度升到500550，待銻

59、全部熔化后，再將余量鉛加入，保溫在400450，攪拌均勻。 為了控制合金金屬中的銻含量，根據(jù)鉛，銻相圖（見圖32），生產(chǎn)上常用凝固點(diǎn)法測(cè)定。圖3-2. Pb-Sb相圖8/20/2022132 待測(cè)定合格后，便可以注板柵，鑄出的板柵經(jīng)過(guò)修整，即可供涂片用。注板柵時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題：1. 控制PbSb合金的冷卻速度.太慢，板柵品格粗大，生產(chǎn)上一般控制為合金熔化溫度：400450模具溫度：130180并且雜質(zhì)有時(shí)間聚集，架在顆粒邊緣，增加層厚，降低板柵的耐蝕性;太快，雖能得到較細(xì)結(jié)晶，但柵板易出現(xiàn)缺陷，造成未注滿。二. 鉛粉的制造 鉛粉是指含又一定氧化度的鉛的粉末，它是制造極板活性物質(zhì)的主要原料。鉛粉生

60、產(chǎn)的流程如下：8/20/2022133 鉛粉的形成是把鉛球置于風(fēng)選式球磨機(jī)中，由于球磨機(jī)的滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，使鉛球的表面磨摩擦，并在一定的溫度和濕度作用下，使鉛的表面氧化，該氧化物又在摩擦，沖擊和風(fēng)力的作用下而脫落。并在不斷滾動(dòng)的過(guò)程中被磨細(xì)得到鉛粉。加濃硫酸和膏流程圖：8/20/2022134 衡量鉛粉的好壞，通常要看它的氧化度，視比重分散度，吸水率和鉛粉的結(jié)構(gòu)。氧化度：指鉛粉中Pb含量的百分?jǐn)?shù)。一般說(shuō)來(lái)，氧化度高，視比重：只鉛粉自然堆集起來(lái)的比重。它是鉛粉顆粒粗細(xì)和 三. 生極板的制造生極板的制造工藝流程如下：能增加電池的初期容量。但若過(guò)高，負(fù)極在干燥時(shí)，由于體積收縮較大，而發(fā)生龜裂，會(huì)影響電池