[化学]2化学电源概论课件

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,*,主要内容：,化学电源的发展,化学电源的分类,化学电源的工作原理及组成,化学电源的电性能,化学电源中的多孔电极,第,2,章,化学电源概论,本章重点：,化学电源的工作原理及组成,：构成电池的必要条件；化学电源的基本组成部分及其作用。,化学电源的电性能,：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；循环寿命。,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,2.2,化学电源的分类,按正负极活性物质的材料分：,Zn-MnO,2,系列电池。,Zn,AgO,系列电池,Cd-NiOOH,电池,铅酸电池,氢镍电池,锂离子电池,等等,2.2,化学电源的分类,2.2,化学电源的分类,2,）二次电池,又称充电电池或蓄电池，放电后再充电可以使活性物质再生，这类电池,可多次重复使用,。,二次电池实际上是一个,电化学能量储存装置,。如铅酸电池、锂离子电池。,1,）一次电池,也称原电池，由于,电池反应本身不可逆或可逆反应很难进行,，活性物质消耗到一定程度就不能再用了，即电池放电后不能充电再用。如普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池。,化学电源按工作性质和贮存方式分作四类：,2.2,化学电源的分类,4,）,燃料电池,又称“连续电池”，即将活性物质连续注入电池，使其连续放电的电池。如,碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池。,3,）储备电池,也称激活电池，这类电池的正、负极活性物质在贮存期不直接接触，使用前临时注入电解液或用其它方法使电池激活，电池立即开始工作。如锌银电池、热电池、镁氯化铜电池。,化学电源按工作性质和贮存方式分作四类：,构成电池的必要条件：,化学反应中得失电子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,）,化学电源是一种能量转换装置。放电时，化学能转变为电能；充电时，电能转换为化学能贮存起来。,2.3,化学电源的工作原理及组成,2.3.1,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,|CuSO,4,Cu(+),负极：,Zn,2e Zn,2,氧化,正极：,Cu,2,2eCu,还原,电池反应：,Zn,Cu,2,Zn,2,Cu,成流反应,2.3.1,化学电源的工作原理,2.3.2,化学电源的组成,化学电源由,电极、电解质、隔膜、外壳组成,。,1),电极,电极是电池的,核心,部分，由,活性物质,和,导电骨架,组成。,活性物质是指正、负极中参加成流反应的物质，是决定化学电源基本特性的重要部分。对活性物质的要求是,电化学活性高,，,组成电池的电动势高,，即自发反应的能力强，,质量比容量和体积比容量大,，,在电解液中的化学稳定性高,，,电子导电性好,;,资源丰富，价格便宜,；,环境友好,。,导电骨架的作用是能把活性物质与外线路接通并使电流分布均匀，另外还起到支撑活性物质的作用。导电骨架要求机械强度好、化学稳定性好、电阻率低、易于加工。,2.3.2,化学电源的组成,2,）电解质,电解质在电池内部正负极之间担负,传递电荷,的作用，要求,电导率高,，溶液欧姆电压降小。对固体电解质，要求具有离子导电性，而不具有电子导电性。电解质必须,化学性质稳定,，使贮存期间电解质与活性物质界面间的电化学反应速率小，这样电池的自放电容量损失就小。,3,）隔膜,隔膜的形状有薄膜、板材、棒材等，其作用是,防止正负极活性物质直接接触,，,防止电池内部短路,。对隔膜的要求是化学性能稳定，有一定的机械强度，隔膜对电解质离子运动的阻力小，应是电的良好绝缘体，并能阻挡从电极上脱落的活性物质微粒和枝晶的生长。,4,）外壳,外壳是,电池的容器,。化学电源中，只有锌锰干电池是锌电极兼作外壳。外壳要求机械强度高、耐振动、耐冲击、耐腐蚀、耐温差的变化等。,2.4,化学电源的电性能,2.4.1,电池的电动势,在外电路开路时，即没有电流流过电池时，正负电极之间的平衡电极电势之差,称为,电池的电动势。,电动势的大小是标志电池体系可输出电能多少的标志之一。,电池电动势,是电池本身的性质，是,强度性质的量，,其大小之与化学反应的物质本性、电池的反应条件（即温度）及反应物与产物的活度有关，而与电池的几何结构、尺寸大小无关,。,Q,r,的符号取决于温度系数的符号：,2.4.1,电池的电动势,同时，可以看到，虽然是在等压条件下，但,r,H,m,Q,R,，这是因为系统作了非体积功,电功。,2.4.2,电池的开路电压,开路电压,V,开,：,电池断,路时，,两极的,稳定电势之差,。,电动势,E,：,电池两极断路时，处,于热力学平衡状态下，两极,平衡电势之差,。,正、负级在电解液中,不一定处于热力学平衡状态,，因此,电池的开路电压总是小于电动势。,V,开,E,电池的电动势是从热力学函数计算得出，而开路电压是实际测量出来的，两者数值接近。测开路电压时，测量仪表内不能有电流通过。一般使用高阻电压表。,额定电压,是电池在常温下的典型工作电压，又称,标称电压，,它是选用不同种类电池时的参考，可用来鉴别电池类型。例如铅酸电池开路电压接近,2.1V,，标称电压为,2.0V,，锌锰电池标称电压为,1.5V,，镉镍电池、镍氢电池标称电压为,1.2V,。,2.4.3,电池的内阻,电池的内阻：,是指电流通过电池内部时受到的阻力，也叫全内阻。,包括,电池的,欧姆内阻,和电化学反应中电极极化所相当的,极化内阻。,欧姆内阻的大小与,电解液、电极材料、隔膜的性质有关。,电解液的欧姆内阻与电解液的组成、浓度、温度有关。,隔膜电阻是当电流流过电解液时，隔膜有效微孔中电解液所产生的电阻，与电解质种类、隔膜的材料、孔率和孔的曲折程度有关,。,电极上的固体电阻包括活性物质粉粒本身的电阻、粉粒之间的接触电阻、活性物质与导电骨架间的接触电阻及骨架、导电排、端子的电阻总和。,欧姆电阻还与电池的尺寸、装配、结构等因素有关。,2.4.3,电池的内阻,极化内阻,又包括,电化学极化内阻,和,浓差极化内阻,。,由于内阻的存在，电池的工作电压总是小于电池的电动势或开路电压。,电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化（逐渐变大），这是因为活性物质的组成，电解液的浓度和温度都在不断的改变。,欧姆内阻遵守欧姆定律，极化内阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系。常随电流密度增大而增加。,内阻是决定电池性能的一个重要指标，它直接影响电池的工作电压，工作电流，输出的能量和功率，对于电池来说，其内阻越小越好,。,2.4.4,电池的工作电压,电池的,工作电压,又称,负载电压、放电电压,，是指,有电流流过外电路时，电池两极之间的电势差,。即电池工作时两端的电压。,当,E,=,U,开,时，有,由上式可见，电池的内阻越大，工作电压就越低，实际对外输出的能量就越小，显然内阻越小越好。,放电曲线：,用绘图的方式表示出电压随时间的变化曲线。,放电制度：,人为规定的放电条件，包括放电方式、放电电流、终止电压、放电的环境温度等。,一般总是希望放电曲线越平坦越好,2.4.4,电池的工作电压,放电方式：,1,）恒电流 放电；,2,）恒电阻放电；,3,）恒功率放电,连续放电，间歇放电,电池的工作电压随着放电时间的延长而逐渐下降主要是由于,两个电极的极化,造成的。在放电过程中由于传质条件变差，浓差极化逐渐加大；此外随着活性物质的转换，电极反应的真实面积越来越小，造成电化学极化的增加，特别在放电后期，电化学极化的影响更为突出。电池的,欧姆内阻在电池放电时不断增加,，也是工作电压逐渐下降的原因之一。,2.4.4,电池的工作电压,倍率,指电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值，数值上等于额定容量的倍数。,例如,2,倍率放电，表示放电电流是电池容量数值的,2,倍，通常用,2,C,表示。一只,10Ah,的电池，,2,C,放电是指放电电流为,210=20,（,A,），对应的时率为,10Ah/20A=0.5h,，即电池以,0.5h,小时率放电。,放电电流,：就是电池工作时的输出电流。在谈到电池容量或能量时，必须指出放电电流大小或放电条件，通常用放电率表示。,放电率,指放电时的速率，常用“,时率,”和,倍率,”表示。,时率,是以放电时间表示的放电速率,，或讲,以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数,。例如额定容量为,10Ah,的电池，以,2A,电流放电时，时率为,10Ah/2A=5h,即电池以,5h,小时率放电。,放电率在,0.5,C,以下称为低倍率；,0.53.5,C,称为中倍率；,3.57,C,称为高倍率，大于,7,C,称为超高倍率。,通常将电池放电刚开始的电压称为,初始工作电压,，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为,终止电压,。一般在低温或大电流放电时，终止电压低些。因为这种情况下，电极极化大，活性物质不能得到充分利用，电池电压下降较快。小电流放电时，终止电压规定高些。因小电流放电，电极极化小，活性物质能得到充分利用。,2.4.4,电池的工作电压,放电温度较高时放电曲线较平坦,2.4.5,电池的容量与比容量,电池的容量,是指,在一定的放电条件下可以从电池获得的电量,，单位：安培小时（,A,h,）。,理论容量,是,假设活性物质全部参加电池的成流反应时所给出的电量,。它是根据活性物质的质量按照法拉第定律计算求得的。,K,称为活性物质的电化当量,在活性物质质量相同的情况下，电化当量越小的物质，理论容量就越大。,2.4.5,电池的容量与比容量,实际容量,是指,在一定放电条件下，电池实际能输出的电量,。电池实际容量除受理论容量的制约外，还与电池的放电条件有很大关系。,电池在恒电流放电时：,电池在恒电阻放电时：,近似计算：,额定容量,是指,设计和制造电池时，规定电池在一定放电条件下应该放出的最低容量，也称,标称容量,。,2.4.5,电池的容量与比容量,由于活性物质不能完全地被利用，因而电池的实际容量总是低于理论容量。实际容量决定于活性物质的数量和利用率（,k,),影响电池容量的因素：,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,2.4.6,电池的能量与比能量,1,、电池的能量,是指电池在一定放电条件下对外做功所能输出的电能，通常用瓦时（,w,h,）表示。,（,1,）,理论能量,假设电池在放电过程中始终处于平衡状态，其放电电压始终保持电动势的数值，而且活性物质的利用率为,100,，即放电容量为其理论容量，则在此条件下电池输出的能量为理论能量。,也就是可逆电池在恒温恒压下所做的最大非体积功,：,在电池设计时，选择能给出,高的电动势,和,大的理论能量,是电池实际给出能量大的基本保证。,2.4.6,电池的能量与比能量,(2),实际能量,是电池在放电时实际输出的能量，它在数值上等于电池实际容量与平均工作电压的乘积。,由于活性物质不可能完全被利用，而且因各种极化作用使电池的工作电压小于电动势，所以电池的,实际能量总是小于理论能量,。,提高电池的工作电压,是提高电池输出实际能量的关键措施之一。,二、比能量,单位质量或单位体积的电池所给出的能量叫质量比能量或体积比能量，也称能量密度，常用,Wh,kg,或,Wh,L,表示，比能量也分为理论比能量和实际比能量。,1,）电池的,理论质量比能量,可以根据正负极两种活性物质的理论质量比容量和电池的电动势计算出来，如果电解质参加电池的成流反应，还需要加上电解质的理论用量。,2.4.6,电池的能量与比能量,例如：计算铅酸蓄电池的,理论质量比能量,电池实际质量比能量的影响因素,出于各种因累的影响，电池的实际比能量远