第一节化学电源基本概念

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一节化学电源的基本概念,主要内容：,化学电源的组成和工作原理,化学电源的分类,化学电源的主要性能,电极的组成、结构和成型方法,本章重点：,化学电源的组成和工作原理,：构成电池的必要条件；化学电源的基本组成部分及其作用。,化学电源的主要性能,：开路电压和电动势的意义及区别；内阻及其对电池性能的影响；工作电压及放电曲线的意义；容量、比容量、放电时率与放电倍率，利用率及其影响因素；能量，高比能量电池的条件；功率及其影响因素；自放电及其影响因素。,一、化学电源的组成和工作原理,构成电池的必要条件：,化学反应中的两个过程必须分隔在两个区域进行。（,区别于一般的化学反应,）,物质在发生氧化还原反应时，电子必须经过外电路。（,区别于腐蚀电池,）,化学电源的基本组成部分及其作用：,电极,电解质,隔膜,外壳,化学电源的工作原理：,以丹尼尔电池为例讨论化学电源的工作原理：,丹尼尔电池：,（）ZnZnSO,4,（c,1,）CuSO,4,（c,2,）,Cu(+),负极：,Zn2e Zn,2,氧化,正极：,Cu,2,2eCu 还原,电池反应：,ZnCu,2,Zn,2,Cu,成流反应,二、化学电源的分类,按工作性质分：,原电池，又称一次电池,蓄电池，又称二次电池,储备电池，又称激活式电池,燃料电池，又称连续电池,电化学电容器：超大容量或者超级电容器，介于传统电容器和电池之间的新型电源；分为双电层电容器和赝电容器,按电解质的性质分：,电解质为碱性水溶液,碱性电池,电解质为中性水溶液,中性电池,电解质为酸性水溶液,酸性电池,电解质为有机电解质溶液,有机电解质电池,电解质为固体电解质,固体电解质电池,按正负极活性物质的材料分：,Zn-MnO,2,系列电池。,ZnAgO系列电池,Cd-NiOOH电池,铅酸电池,氢镍电池,锂离子电池,等等,活性物质的保存方式分：,活性物质保存在电极上,通常的一次、二次电池,活性物质从外边连续供给电极,燃料电池,三、化学电源的主要性能,电池的开路电压与电动势：,电动势E：,电池两极断路时，处于热力学平衡状态下，两极平衡电位之差。,开路电压V开：,电池断路时，两极的稳定电位之差。,电池的电动势的大小是通过电池热力学原理理论计算获得，不能实验测定。即：,由此可以明确地看出，若正极的电位越正，负极的电位越负，电池的电动势也就越高。,从元素的标准电位序来看，在元素周期表左上边的元素（IA,IIA族）具有较负的电位，右上边的元素（VIA,VIIA族）具有较正的电位。由这些元素组成的电池可以得到较高的电动势。,其中以Li的电位为最负：,(在酸性介质中),氟的电位为最正：,若做成锂氟电池 ，其电动势可达5.91V。这是化学电源中电动势最高的数值。,应当注意的是，在选择电极活性物质时，不能只看平衡电位数值的高低，还要看（1）它在介质中的稳定性（2）材料来源（3）电化当量等多方面的因素。例如LiF,2,若组成电池，它具有很高的电动势，但由于Li只适用与非水溶剂电解质，F,2,是活性的气体，不易储存和,和控制，因而由单质Li与F,2,组成电池也是不切合实际的。,电池的内阻：,电流通过电池内部时受到的阻力，也叫全内阻。,包括两部分:,电池的欧姆内阻,电极的极化所相当的内阻，也叫极化内阻,电池的工作电压及放电曲线：,工作电压,电池工作时两端的电压,放电制度,人为规定的放电条件称为放电制度,（放电电流、放电温度、放电的终止电压、,放电方式）,放电曲线,用绘图的方式表示出电压随时间的变化曲线,根据电池的放电曲线，通常可以确定电池的放电性能和电池的容量。,1.通常电池的放电曲线越平坦、稳定、电池的性能就越好。,2.电池的容量大小。,电池的容量和比容量：,电池的容量,电池在一定的放电制度下，所放出的电量C，可以用安时,（Ah)表示。Ah表示1安培（A）电流放电1小时（h）。,1.理论容量：理论容量是根据活性物质的重量按法拉第定律计算出的电量。,理论容量的计算方法,（,举例说明）,例如：设某电池中的负极为 Zn，其重量为13.5克，求锌电极的理论容量？,电极反应：,另外由法拉第定律知道，1克当量的活性物质可产生96500库仑的电量（96500/3600=26.8Ah)，也就是该有32.69克的Zn,就可以产生26.8Ah的电量，所以现在有13.5克的锌，理论上所能产生的电量应为：,Q,理,=13.5/32.6926.8=11.1Ah,另外由于32.69克锌可产生26.8Ah的电量，故我们又可以得到：,从反应式知锌的反应电子数为2，故1克当量的Zn应为65.382=32.69克,即理论上得到1Ah的电量，就需要消耗1.22克的锌或消耗1克 锌就可得到0.82Ah的电量。,或,26.8Ah/32.69克=0.82Ah/克,通常把输出1Ah的电量，理论所需要的活性物质的量称为该物质的电化当量。有了,电化当量,，对理论电量的计算更为方便了。,如上例：,Q,理,=13.5/1.22=11.1Ah,2.实际容量：实际容量指在一定的放电制下（放电方式,一定的电流密度和终止电压等），电池所能给出的电量。,实际容量的计算：,（1）若是恒电流放电,（2）恒电阻放电,由于恒电阻放电时，I 是不断变化的，故Q,R,要通过积分的方法计算：,3.额定容量：额定容量是指在一定的放电制度下，电池,应该给出的最低限度的容量。也就是设计指标。,电池的容量是电池的一个很重要的性能指标。一个电池,的实际容量往往小于其理论容量，这主要是由于活性物质的利用率低，不能达到100%。,对活性物质的利用率可用下式计算：,活性物质利用率（%）=M/g100%,M 放电时按法拉第定律计算应消耗的物质的重量,g 电池中实际存在的活性物质的重量,例如：13.5克锌理论上可放出11.1AH的电量，若实际上用了20克，则:,影响容量的因素：,活性物质的量：,活性物质的利用率,活性物质的活性,电池和电极的结构,电解液的量、浓度、质量,制造工艺,放电制度,放电时率与放电倍率：,放电时率,以一定放电电流放完额定容量所需要的小时数,放电倍率：在规定时间内放完全部额定容量所需的电流值。,例如：若电池的额定容量为10Ah,以2A放电，则:,t,放电时率,=10Ah/2A=5h,例如：若电池的额定容量为10Ah,以5H放电，则:,t,放电倍率,=10Ah/5h=2A,如是在1倍率(或叫1C)放电，是指用1h放完额定容量，所需电流为10A。如用2h放完电，则叫以0.5 C放电，放电电流为10Ah/2h=5A,能量和比能量:,能量,电池在一定的放电制度下，对外做功所输出的能量。,通常用瓦时（Wh)表示,（1）,理论能量,从热力学上看，电池的理论能量等于可逆,过程电池所能做的最大有用功：,（2）电池的实际能量：,电池在一定的放电条件下实际放出的能量。,2.恒电阻放电时,1.恒电位放电时,（3）,比能量:,单位体积或单位重量的电池所输出的能量。,1.体积比能量：单位体积电池输出的能量（瓦时/L）,2.重量比容量：单位重量电池所能输出的能量,（,瓦时/Kg,）,a.理论重量比能量,又可分为：,b.实际重量比能量,下面以铅酸电池为例说明理论比能量的计算：,电池的总反应：,参加反应的总物质：,该反应能产生两个法拉第的电量，如果642.6克物质都能全部反应，则就能产生226.8=53.6Ah的电量。,另查表可知：,M=207.2（Pb）239.2(PbO,2,)298.08(H,2,SO,4,),=642.6克,所以：,故：642.6克反应物在理论上所能产生的电能为：,设比能量为X，则,642.6:109.3=1000:X,W,理,=53.62.04=Q,理,E=109.3Wh,X=170.2Wh/Kg,对铅酸电池来说，由于H,2,SO,4,参加了反应，故其电动势与H,2,SO,4,的浓度有关。若取d=1.25的硫酸，换成活度 V=2.104V。表11给出了一些电池的理论比能量和实际比能量。见下表：,得到,一些电池的实际比能量与理论比能量,电池,电池反应,电动势（V）,理论比能量(,Wh/Kg),实际比能量,(Wh/Kg),铅酸,2.104,175.5,1050,CdNi,1.326（E,0,）,214.3,1540,FeNi,1.399（E,0,）,272.4,1025,ZnAg,1.852,1.59,V,平,=1.721,487.5,60160,Zn-Mn,1.623（开）,251.3,1050,Zn空气,1.646（E,）,1350,100250,电池的功率与比功率:,功率,在一定的放电制度下，单位时间内电池所输出的能量。,比功率,（,W/Kg，W/L,).,单位时间电池的比能量。,比功率是电池的重要性能之一。一个电池的比功率越大，表示它可以承受的放电电流越大，或者说其可以在高倍率下放电。,比功率与比能量,通常在I不是很大时，P随I增大而增大，但比能量下降,理论上电池的功率可以用下式表示：,P=IE,电池的自放电和贮存性能:,贮存性能,贮存时所表现出的性能。,电池的贮存分为干贮存(不带电液)和湿贮存(带电液).,自放电,电池在贮存一段时间后，容量要发生自动降低的现象.,对于蓄电池，又叫,充电保持能力,.,发生自放电的原因,蓄电池的循环寿命和使用周期:,循环寿命(使用周期),在一定的放电条件下，当电池的容量降到某一规定值之前，电池耐受的充放电循环次数,影响电池循环寿命的因素,不同的电池使用周期是不相同的，例如：一般说来，FeNi，CdNi 电池的使用寿命可达数千次。铅蓄电池约300 500次，Zn Ag电池约40 100 次。,另外，蓄电池的使用寿命与放电深度、沉度、充放电率等条件都有关。（放电深度是指电池放出的容量与额定容量的百分比）。,四、电极的组成、结构和成型方法,电极的组成：,主要成分,导电组分,添加剂,电极的结构：,整体电极,多孔电极,三相多孔电极：,电化学反应发生在固液气三相界面上,两相多孔电极：,电化学反应发生在固液两相界面上,多孔电极最大的贡献实质,上就是增大了电极的面积，从而降低了电极的极化，提高了活性物质的利用率。,电极的成型方法：,涂膏式电极,压成式电极,烧结式电极,管（盒）式电极,电沉积式电极,粘结式电极,发泡式电极,纤维式电极,