《電工基礎(chǔ)》課件10 電池

項(xiàng)目四

電池電池電池分類電池種類繁多，外形差別較大，劃分種類很多。按照電池的工作性質(zhì)及使用特征分類，可分為一次電池、二次電池。（1）一次電池（干電池）（2）二次電池（蓄電池）電池分類按照電池反應(yīng)原理分類，可分為（1）化學(xué)電池。（2）物理電池。（3）生物電池。（4）新型電池。電池的基本術(shù)語和性能指標(biāo)1.工作電壓（額定電壓）（V）：指電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。2.電池容量（Ah）1）額定容量：在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下電池所應(yīng)該放出的電量。額定容量是制造企業(yè)標(biāo)稱的容量，作為驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)。2）實(shí)際容量。實(shí)際容量通常比額定容量大10%～20%。（南孚5號(hào)電池2100毫安時(shí)左右/7號(hào)電池700毫安時(shí)左右）3.能量密度（W?h/kg）與功率密度（W/kg）1）能量密度又稱比能量，是單位質(zhì)量或單位體積電池儲(chǔ)存的能量。2）功率密度又稱比功率，是單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，它反映了電池的瞬時(shí)能量輸出能力，高功率密度的電池能夠提供更快的充電和放電速度，適合高性能應(yīng)用，但通常在能量密度方面較低。不同儲(chǔ)能器的比能量和比功率比較電池種類比能量（W?h/kg）比功率（W/kg）鉛酸蓄電池30-40300-500鎳氫電池40-50500-800鋰離子電池60-70500-1500超級(jí)電容器2-8400-4500化學(xué)電池電子轉(zhuǎn)移過程散亂，無法被人類利用問題:如何實(shí)現(xiàn)電子的集中和定向移動(dòng)?一種將所儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的裝置。原電池原電池基本構(gòu)造：正極、負(fù)極、電解質(zhì)電解質(zhì)（CuSO4、稀H2SO4等）負(fù)極正極負(fù)極：Zn正極：Cu2++2eZn2+

+

2eCu負(fù)極反應(yīng)：Zn–2eZn2+正極反應(yīng)：2MnO2

+

2NH4+

+

2e Mn2O3

+

H2O

+

2NH3總反應(yīng)：Zn

+

2NH4+

+

2MnO2

Zn2+

+

2NH3

+

H2O

+

Mn2O3負(fù)極材料：Zn正極材料：C（MnO2）電解質(zhì)：NH4ClNH4Cl電解質(zhì)（酸性）大公、牡丹、中華、天鵝、555鋅錳電池（勒蘭社電池）單電池電壓：1.5

VKOH電解質(zhì)（堿性）南孚、雙鹿、白象、勁霸負(fù)極材料：Zn正極材料：C（MnO2）電解質(zhì)：KOH負(fù)極反應(yīng)：Zn+2OH-–2e正極反應(yīng)：2MnO2

+H2O+2eZnO

+H2OMn2O3

+

2OH-堿性鋅錳電池總反應(yīng)：Zn

+

2MnO2

ZnO

+

Mn2O3單電池電壓：1.5

V問題一：為何稱“干”電池？問題二：為什么干電池用完后不能再充電使用？糊狀電解質(zhì)，不可流動(dòng)，稱為“干”液態(tài)電解質(zhì)，可流動(dòng)，稱為“濕”

不可逆電池鋅錳干電池使用使用壽命：反應(yīng)物質(zhì)（負(fù)極、正極、電解質(zhì)）的消耗電池負(fù)極鋅的自放電，造成鋅負(fù)極的腐蝕，電池性能下降，長(zhǎng)時(shí)間放置導(dǎo)致電解液干枯，電池出現(xiàn)氣脹、冒漿、鼓脹以及銅帽生銹等等。電池存儲(chǔ)：清潔干燥通風(fēng)涼爽的環(huán)境中，相對(duì)濕度不應(yīng)大于40%、不小于5%，溫度不高于30度，但也不要低于-10度！鋅錳干電池的回收廢電池回收廢舊電池內(nèi)含有大量的重金屬以及廢酸、廢堿等電解質(zhì)溶液。如果隨意丟棄，腐敗的電池會(huì)破壞我們的水源，侵蝕我們賴以生存的莊稼和土地，我們的生存環(huán)境將面臨著巨大的威脅小結(jié)干電池是一種原電池，在放電過程中其正極、負(fù)極、電解質(zhì)都參與電化學(xué)反應(yīng)，只要其中任何一種物質(zhì)消耗完，干電池將無法再使用，因此，干電池又稱為一次電池。根據(jù)電解質(zhì)的不同，干電池可以分為酸性（鹽）電池和堿性電池兩大類。廢舊電池內(nèi)含有大量的重金屬以及廢酸、廢堿等電解質(zhì)溶液，不能隨意丟棄?；瘜W(xué)電池干電池（鋅錳電池）鎳鎘電池

鎳氫電池鉛酸電池鋰電池不可逆電池可逆電池充電放電鎳鎘/鎳氫電池Cd+2NiO(OH)+2H2O==2Ni(OH)2+Cd(OH)2鎳鎘電池和鎳氫電池采用氧化鎳或氫氧化鎳作正極，氫氧化鉀或氫氧化鈉的水溶液作電解質(zhì)溶液，金屬鎘或金屬氫化物作負(fù)極。單電池電壓：1.3

V鎳鎘/鎳氫電池正極：Ni(OH)2+OH-==NiOOH+H2O+e-負(fù)極：M+H2O+e-==MHab+OH-總反應(yīng)：Ni(OH)2+M==NiOOH+MH單電池電壓：1.3

V充電左→右問題：電動(dòng)自行車使用何種電池？鉛酸蓄電池，俗稱電瓶PbSO4

+

2H2O正極反應(yīng)：PbO2

+SO42-+4H++2e總反應(yīng)：Pb+PbO2

+2H2SO42PbSO4

+

H2O充電過程：逆反應(yīng)鉛酸電池多個(gè)單電池通過串、并聯(lián)技術(shù)組成一個(gè)電池組負(fù)極材料：Pb正極材料：PbO2電解質(zhì)：H2SO4放電過程：負(fù)極反應(yīng)：Pb

+

SO42--

2e

PbSO4單電池電壓：2.1

V鉛酸電池的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):原材料來源廣泛成本低廉適用于大電流放電工作溫度范圍寬可靠性高缺點(diǎn):環(huán)境污染（生產(chǎn)過程、廢棄電池）強(qiáng)酸性電解質(zhì)（強(qiáng)腐蝕性）鉛酸電池一種可逆電池（RechargeableBattery），可以多次充放電循環(huán)使用，屬于二次電池中的一種。鉛酸電池的負(fù)極為金屬鉛，正極為PbO2，電解質(zhì)為硫酸。鉛酸電池成本低廉，應(yīng)用廣泛。但由于其比容量和能量密度低，而且存在嚴(yán)重的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，因此，鉛酸電池有被其它能量密度高、環(huán)境友好的綠色能源技術(shù)取代的趨勢(shì)。鋰離子電池鋰離子電池是一種可逆電池，放電時(shí)鋰離子由負(fù)極向正極遷移，充電時(shí)鋰離子向反方向遷移。為什么要發(fā)展鋰離子電池？金屬鉛（Pb）的密度：11.34

g/cm3金屬鋰（Li）的密度：0.534

g/cm3鋰是自然界最輕的金屬！鋰離子電池工作原理正極負(fù)極隔膜正極反應(yīng)：負(fù)極反應(yīng)：總反應(yīng)：充電放電充電放電單電池電壓：3.2-3.7

V電極反應(yīng)過程中總是涉及鋰離子的嵌入與脫嵌過程.正極材料:LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等負(fù)極材料:碳（石墨）等層狀結(jié)構(gòu)（Layered）尖晶石結(jié)構(gòu)（Spinel）橄欖石結(jié)構(gòu)（Olivine）鋰離子電池的應(yīng)用電子設(shè)備：手機(jī)

照相機(jī)筆記本電腦剃須刀兒童的電動(dòng)玩具車電動(dòng)汽車小功率（W級(jí)）電池大功率（KW級(jí)）動(dòng)力電池儲(chǔ)能電池（智能電網(wǎng)）小結(jié)鋰離子電池是一種可逆電池，其工作原理是鋰離子在電極內(nèi)部的嵌入與脫嵌。通常鋰離子電池的負(fù)極材料為碳，正極材料為L(zhǎng)iCoO2、LiFePO4、LiMn2O4。鋰離子電池具有比容量高、壽命長(zhǎng)、可大電流充放電、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置。燃料：H2、CH4、CH3OH、CH3CH2OH、HOCH2CH2OH等AnodeCathode燃料O2Load電解質(zhì)層電解質(zhì)層：分隔陰極/陽極傳導(dǎo)離子電子絕緣電極材料本身不反應(yīng)燃料電池(Fuel

Cell)燃料電池的特點(diǎn)燃料電池?zé)o充電過程，燃料和氧氣由外部供給，可持續(xù)發(fā)電燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茔U酸（蓄）電池鋰離子電池鎳氫電池先充電，再放電干電池“蓄電”不能充電，不能補(bǔ)充電極材料，用完即廢棄電極材料本身不發(fā)生反應(yīng)，僅起催化作用參與電化學(xué)反應(yīng)的燃料和氧氣均為流體（氣體或液體）能量效率高H2-O2燃料電池：理論效率：83%，實(shí)際效率：50-60%清潔（零污染）安靜燃料適用范圍廣：氫氣，甲醇等富氫燃料物理電池物理電池是指通過物理反應(yīng)轉(zhuǎn)換電能的裝置，即在電池的使用過程中電池內(nèi)部本身不產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。常見的有太陽能電池、超級(jí)電容等。太陽能電池太陽能是一種儲(chǔ)量極其豐富的對(duì)環(huán)境無污染的可再生能源。太陽能電池作為人們利用可持續(xù)的太陽能資源，是解決世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)和環(huán)境問題的一條重要途徑。太陽能電池是利用太陽光和材料相互作用直接產(chǎn)生電能。太陽能電池太陽光照在半導(dǎo)體P-N結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在P-N結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生空穴流向P區(qū)，光生電子流向N區(qū)，接通電路后就產(chǎn)生電流。這就是光電效應(yīng)太陽能電池的工作原理。太陽能電池的發(fā)展

1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界第一個(gè)實(shí)用的太陽能電池，效率為4%，1958年應(yīng)用到美國(guó)的先鋒1號(hào)人造衛(wèi)星上。

1960年代開始，美國(guó)發(fā)射的人造衛(wèi)星就已經(jīng)利用太陽能電池作為能量的來源。

1970年代能源危機(jī)時(shí)，讓世界各國(guó)察覺到能源開發(fā)的重要性。

1973年發(fā)生石油危機(jī)，人們開始把太陽能電池應(yīng)用到一般的民生用途上。

美國(guó)推出了“太陽能路燈計(jì)劃”，旨在讓美國(guó)一部分城市的路燈都改為由太陽能供電，根據(jù)計(jì)劃，每盞路燈每年可節(jié)電800度。

歐洲則將研究開發(fā)太陽能電池列入著名的“尤里卡”高科技計(jì)劃，推出了“10萬套工程計(jì)劃”。這些以普及應(yīng)用光電池為主要內(nèi)容的“太陽能工程”計(jì)劃是推動(dòng)太陽能光電池產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的重要?jiǎng)恿χ弧?/p>

中國(guó)已成為世界第三大太陽能電池生產(chǎn)國(guó)，但是由于政策和技術(shù)瓶頸，自主研發(fā)實(shí)力不強(qiáng)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)也遠(yuǎn)未形成。主要是出口國(guó)外，除了中國(guó)、還有日本和德國(guó)，中國(guó)位列出口量第一，且具有較為明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。太陽能電池的特點(diǎn)（1）重量輕（2）成本低（3）轉(zhuǎn)換效率高太陽能電池的應(yīng)用太陽能發(fā)電太陽能熱水器太陽能電池的應(yīng)用航空器太陽能路燈超級(jí)電容超級(jí)電容器(supercapacitor)，又名電化學(xué)電容器，是一種新型儲(chǔ)能裝置。與傳統(tǒng)的化學(xué)電源不同，超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器與電池之間的電源，具有功率密度高、充放電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬等優(yōu)勢(shì)?？梢詮V泛應(yīng)用于輔助峰值功率、備用電源、存儲(chǔ)再生能量、替代電源等不同的應(yīng)用場(chǎng)景，在工業(yè)控制、電力、交通運(yùn)輸、智能儀表、消費(fèi)型電子產(chǎn)品、國(guó)防、通信、新能源汽車等眾多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。超級(jí)電容基本原理：當(dāng)向電極充電時(shí)，處于理想極化電極狀態(tài)的電極表面電荷將吸引周圍電解質(zhì)溶液中的異性離子，使這些離子附于電極表面上形成雙電荷層，構(gòu)成雙電層電容。由于兩電荷層的距離非常?。ㄒ话銥?.5

nm以下），再加之采用特殊電極結(jié)構(gòu)，使電極表面積成萬倍的增加，從而產(chǎn)生極大的電容量。雙電層電容其雙電層的間距極小，致使耐壓能力很弱，一般不會(huì)超過20

V，所以其通常用作低電壓直流或者低頻場(chǎng)合下的儲(chǔ)能元件。生物電池生物電池（Bio-battery），是指將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。從原理上來講，生物質(zhì)能夠直接轉(zhuǎn)化為電能主要是因?yàn)樯矬w內(nèi)存在與能量代謝關(guān)系密切的氧化還原反應(yīng)。這些氧化還原反應(yīng)彼此影響，互相依存，形成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行生物的能量代謝。生物電池的應(yīng)用1.在醫(yī)療領(lǐng)域，它可以做成微型的血糖監(jiān)測(cè)器，裝在人體內(nèi)部隨時(shí)監(jiān)測(cè)血糖水平。2.環(huán)保領(lǐng)域在處理污水的時(shí)候順便發(fā)電！3.在農(nóng)業(yè)方面，它能把農(nóng)業(yè)廢棄物變成電能。4.海洋監(jiān)測(cè)中，就能靠海洋微生物發(fā)電，為各種監(jiān)測(cè)設(shè)備供電。5.軍事領(lǐng)域，戰(zhàn)士們?cè)谝巴鈭?zhí)行任務(wù)，背著這么個(gè)小玩意兒，就能用周圍的植物、土壤里的有機(jī)物發(fā)電，給通訊設(shè)備充電。6.在太空探索中，宇航員們可以用它處理航天器上的廢物，同時(shí)還能產(chǎn)生電能。7.最近科學(xué)家們還研究出了用它來給小型電子設(shè)備供電的方法。想象一下，以后我們的智能手表可能就靠著手腕上的汗水發(fā)電，這畫面想想就覺得超級(jí)酷！其它新型電池1.固態(tài)電池固態(tài)鋰電池技術(shù)采用鋰、鈉制成的玻璃化合物作為傳導(dǎo)物質(zhì)，取代以往鋰電池的電解液，大大提升鋰電池的能量密度。固態(tài)電池一般功率密度較