化學電源基本概念

1、關于化學電源基本概念第1頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四本章重點：化學電源的組成和工作原理：構成電池的必要條件；化學電源的基本組成部分及其作用。化學電源的主要性能：開路電壓和電動勢的意義及區(qū)別；內阻及其對電池性能的影響；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2頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四一、化學電源的組成和工作原理構成電池的必要條件：化學反應中的兩個過程必須分隔在兩個區(qū)域進行。（區(qū)別于一般的化學反應）物質在發(fā)生氧化還原反應時，電子必

2、須經(jīng)過外電路。（區(qū)別于腐蝕電池 ）第3頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四化學電源的基本組成部分及其作用：電極電解質隔膜外殼第4頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四化學電源的工作原理：以丹尼爾電池為例討論化學電源的工作原理：丹尼爾電池：（）ZnZnSO4（c1） CuSO4 （c2） Cu(+)負極： Zn2e Zn2 氧化正極： Cu22eCu 還原電池反應：ZnCu2Zn2Cu 成流反應第5頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四二、 化學電源的分類按工作性質分：原電池，又稱一次電池蓄電池，又稱二次電池儲備電池，又稱激活式電池燃

3、料電池，又稱連續(xù)電池電化學電容器：超大容量或者超級電容器，介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型電源；分為雙電層電容器和贗電容器第6頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四按電解質的性質分：電解質為堿性水溶液堿性電池電解質為中性水溶液中性電池 電解質為酸性水溶液酸性電池電解質為有機電解質溶液有機電解質電池 電解質為固體電解質固體電解質電池第7頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四按正負極活性物質的材料分：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8頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四活性物

4、質的保存方式分：活性物質保存在電極上 通常的一次、二次電池活性物質從外邊連續(xù)供給電極 燃料電池第9頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四三、 化學電源的主要性能電池的開路電壓與電動勢：電動勢E： 電池兩極斷路時，處于熱力學平衡狀態(tài)下，兩極平衡電位之差。開路電壓V開： 電池斷路時，兩極的穩(wěn)定電位之差。第10頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四電池的電動勢的大小是通過電池熱力學原理理論計算獲得，不能實驗測定。即： 由此可以明確地看出，若正極的電位越正，負極的電位越負，電池的電動勢也就越高。 從元素的標準電位序來看，在元素周期表左上邊的元素（IA,IIA族）

5、具有較負的電位，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勢。第11頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四其中以Li的電位為最負：(在酸性介質中)氟的電位為最正： 若做成鋰氟電池 ，其電動勢可達5.91V。這是化學電源中電動勢最高的數(shù)值。 應當注意的是，在選擇電極活性物質時，不能只看平衡電位數(shù)值的高低，還要看（1）它在介質中的穩(wěn)定性（2）材料來源（3）電化當量等多方面的因素。例如LiF2,若組成電池，它具有很高的電動勢，但由于Li只適用與非水溶劑電解質，F(xiàn)2是活性的氣體，不易儲存和和控制，因而由單質Li與F2組成電池也是不切合實

6、際的。第12頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四電池的內阻：電流通過電池內部時受到的阻力，也叫全內阻。包括兩部分: 電池的歐姆內阻 電極的極化所相當?shù)膬茸瑁步袠O化內阻第13頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四電池的工作電壓及放電曲線：工作電壓 電池工作時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間的變化曲線第14頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四 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

7、越平坦、穩(wěn)定、電池的性能就越好。2. 電池的容量大小。第15頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四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（Ah)表示。Ah表示1安培（A）電流放電1小時（h）。1. 理論容量： 理論容量是根據(jù)活性物質的重量按法拉第定律計算出的電量。理論容量的計算方法（舉例說明） 例如：設某電池中的負極為 Zn，其重量為13.5克，求鋅電極的理論容量？電極反應：第16頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四 另外由法拉第定律知道，1克當量的活性物質可產(chǎn)生96500庫侖的電量（96500/3600=2

8、6.8Ah)，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： 從反應式知鋅的反應電子數(shù)為2，故1克當量的Zn應為65.382=32.69克第17頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四 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?；?6.8Ah/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的量稱為該物質的電化當量。有

9、了電化當量，對理論電量的計算更為方便了。如上例：Q理=13.5/1.22=11.1Ah2. 實際容量： 實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18頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四實際容量的計算：（1）若是恒電流放電（2）恒電阻放電由于恒電阻放電時，I 是不斷變化的，故QR要通過積分的方法計算：3. 額定容量： 額定容量是指在一定的放電制度下，電池應該給出的最低限度的容量。也就是設計指標。電池的容量是電池的一個很重要的性能指標。一個電池第19頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四的實際容量往往小于其

10、理論容量，這主要是由于活性物質的利用率低，不能達到100%。對活性物質的利用率可用下式計算：活性物質利用率（%）=M/g100%M 放電時按法拉第定律計算應消耗的物質的重量g 電池中實際存在的活性物質的重量例如：13.5克鋅理論上可放出11.1AH的電量，若實際上用了20克，則:第20頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四影響容量的因素：活性物質的量：活性物質的利用率活性物質的活性 電池和電極的結構 電解液的量、濃度、質量 制造工藝 放電制度 第21頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四放電時率與放電倍率：放電時率以一定放電電流放完額定容量所需要的小時數(shù)

11、放電倍率：在規(guī)定時間內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，放電電流為10Ah/2h=5A第22頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四能量和比能量:能量 電池在一定的放電制度下，對外做功所輸出的能量。通常用瓦時（Wh)表示（1）理論能量從熱力學上看，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23頁，

12、共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四（2）電池的實際能量：電池在一定的放電條件下實際放出的能量。2.恒電阻放電時1.恒電位放電時（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：單位體積電池輸出的能量（瓦時/L）2. 重量比容量：單位重量電池所能輸出的能量（瓦時/Kg）a. 理論重量比能量又可分為：b. 實際重量比能量第24頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四下面以鉛酸電池為例說明理論比能量的計算：電池的總反應：參加反應的總物質： 該反應能產(chǎn)生兩個法拉第的電量，如果642.6克物質都能全部反應，則就能產(chǎn)生226.8=53.6Ah的電

13、量。另查表可知：M=207.2（Pb）239.2(PbO2)298.08(H2SO4) =642.6克第25頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四所以： 故：642.6克反應物在理論上所能產(chǎn)生的電能為：設比能量為X，則642.6:109.3=1000:XW理=53.62.04=Q理E=109.3WhX=170.2Wh/Kg 對鉛酸電池來說，由于H2SO4參加了反應，故其電動勢與H2SO4的濃度有關。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際比能量。見下表：得到第26頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四一些

14、電池的實際比能量與理論比能量 電池電池反應電動勢（V） 理論比能量(Wh/Kg) 實際比能量(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27頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四電池的功率與比功率:功率 在一定的放電制度下，單位時間內電池所輸出的能量。 比功率（W/Kg，W/L). 單位時間電池的比能量。 比功率

15、是電池的重要性能之一。一個電池的比功率越大，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，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28頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四第29頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四電池的自放電和貯存性能:貯存性能 貯存時所表現(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 電池在貯存一段時間后，容量要發(fā)生自動降低的現(xiàn)象. 對于蓄電池，又叫充電保持能力.發(fā)生自放電的原因第30頁，共34頁，2022年，5月20日，13點16分，星期四蓄電池的循環(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。（放電深度是指電池放出的容量與額定容量的百分比）。第31頁，共34頁，2022年，5月20日，13點