化學電源第1章_緒論

1、1化學電源基礎呂維強電子科技大學研究院大樓電子科技大學研究院大樓309室室電話：電話mail：2015年年9月月21. 化學電源的重要意義化學電源的重要意義化學電源電池 electrochemical power source battery / cell能源技術與工業(yè)在現代社會中的地位：能源危機能源的使用：在線、離網 油氣煤：儲運方便、效率低、污染大 電：清潔、缺乏有效儲電手段(電池、抽水電站、壓縮空氣等)太陽能、風能等新能源技術發(fā)展的需要現代電子設備：功能多,小巧便攜,自動化程度高 設備大腦：芯片，設備心臟：電池電動交通工具：車載電源動力系統 3國家項目與政策支持

2、： 973973項目：國家重大基礎研究，電池方向至項目：國家重大基礎研究，電池方向至20201111年共年共8 8項項 20122012年：年：高比能直接甲醇燃料電池關鍵納米材料與納米結構研究碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎研究基于貴金屬替代的新型動力燃料電池關鍵技術和理論基礎研究納米結構材料在先進能源器件應用中的表界面研究 另外太陽能電池方向約有另外太陽能電池方向約有6 6項項4國家項目與政策支持： 國家863項目：節(jié)能與新能源汽車重大專項，十一五經費達12億元，十二五一期經費為7.38億元，其中1/3用于電池 十城千輛：首批13城市，總共25城市，電動車規(guī)模試驗 節(jié)能減排：電池是高效綠色

3、能源 十二五期間國家優(yōu)先發(fā)展七大戰(zhàn)略新興產業(yè)：節(jié)能環(huán)保、新能源、新一代信息技術、生物、高端裝備制造業(yè)、新材料、新能源汽車 名詞：“充電”52. 生活中的電池品種62. 生活中的電池品種鋅錳電池（Zn-MnO2）鎘鎳電池（Cd-NiOOH）鉛酸電池（Pb-acid）金屬氫化物-鎳電池(MH-NiOOH)氫鎳電池（H2-NiOOH）鋅鎳電池（Zn-NiOOH）鋅氧化銀電池鋰電池鋰離子電池金屬-空氣電池燃料電池 Fuel Cell海水電池：Mg(Al)-CuCl2電池電池(AgCl)7其他電池 Zn(Cd)-HgO電池： 聚合物電池 鈉硫電池：1.782.08V。比能量高，300，電力調峰 熱電池：

4、儲存壽命長、激活時間短，400600oC 鋅溴電池 液流電池：大規(guī)模儲能 其他新型電池8廢舊電池93. 化學電源定義 化學電源化學電源：將化學反應產生的能量直接直接轉變?yōu)殡娔艿难b置叫做化學電源（電池） Electrochemical power source, battery, cell 手電筒中用的干電池和汽車蓄電池是兩種在外形上和使用上都不相同的電池，可是它們都靠各自內部的化學變化向外提供電能，所以我們稱它為化學電源。 研究化學電源工作原理和制造技術的一門學科稱為化學電源工藝學化學電源工藝學。10物理電源 通常把熱能、光能、機械能、核能等轉變成電能的裝置叫做物理電源(如發(fā)電機、太陽能電池、

5、溫差發(fā)電器、原子能電池、風能發(fā)電等)11生物電池 生物能 生物燃料電池124. 化學電源特點化學電源特點 1. 既能釋放能量，又能貯存能量 能量貯存器能量貯存器，能量轉換器能量轉換器 2. 能量轉換效率高，無噪音 21世紀全新的高效、節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電方式之一 3. 電流、電壓、容量和幾何尺寸可調 扣式電池幾個毫安時，潛艇電池288塊大型鉛酸電池，每只8000安時，重1噸。微型電池可制作在電路板上13 4. 便于攜帶，使用簡便太陽能電池對使用環(huán)境也有要求：光線 5. 能經受各種環(huán)境的考驗(如沖擊、震動、旋轉)。導彈發(fā)射，車輛振動，耐高加速度、耐振動、耐旋轉，真空環(huán)境中也可工作 6. 工作溫度

6、范圍寬 -4060 7. 維護方便145. 電池應用 應用于國民經濟的各個部門 海：潛艇、航標、魚雷、輪船。 陸：電信、電站、車輛起動與照明、家用電器、玩具、應急燈、收錄音機、計算器、手機、UPS、新能源儲能。 空：飛機、火箭、導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、制導武器、智能武器 地下：礦燈、地下應急設施課程基本信息課程類型課程類型：專業(yè)核心課、專業(yè)核心課、學科拓展課程學科拓展課程 適用學科專業(yè)適用學科專業(yè)： 新能源材料與器件新能源材料與器件先修課程：先修課程：普通化學普通化學學時數學時數 ：56 （授課（授課46+實驗實驗10）學分數：學分數：3.5考核方式：考核方式：實驗實驗 20% + 作業(yè)作業(yè)

7、 10% + 課程設計課程設計 10% + 期末期末考核考核 60%數理數理化基化基礎礎化學化學電源電源基礎基礎新型新型電化電化學能學能源器源器件件（大二上學期）（大二上學期）教材及參考書教材及參考書教材教材化學電源化學電源程新群程新群 主編，主編， 化學工業(yè)出版社，化學工業(yè)出版社， 2009參考書參考書1、化學電源測試原理與技術楊軍、化學電源測試原理與技術楊軍, 解晶瑩解晶瑩, 王久林著，化學工業(yè)出版王久林著，化學工業(yè)出版社，社， 20062、鋰離子電池原理與關鍵技術吳宇平，、鋰離子電池原理與關鍵技術吳宇平， 化學工業(yè)出版社，化學工業(yè)出版社，20123、燃料電池基礎、燃料電池基礎Whitne

8、y Colella,等等,王曉紅王曉紅,黃宏黃宏 譯，譯， 電子工業(yè)出版電子工業(yè)出版社，社，20074、電化學電容器電化學電容器 袁國輝袁國輝 主編，主編， 化學工業(yè)出版社，化學工業(yè)出版社， 20065、Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications6、ATKINS PHYSICAL CHEMISTRY，Peter Atkins，Julio de Paula, W. H. Freeman and Company New York，2006.17參考期刊國內 電池 電源技術 電池工業(yè) 蓄電池 電化學 化學與物理電源系統 化學類其他期刊

9、國際J. Power SourcesSolid State IonicsFuel CellElectrchemica ActaElectrochemical communicationJ. Electrochem Soc.Electrochemical and solid state lettersJ. Solid state electrochemistryJ. Applied electrochemistryElectrochemistry J. New materials for electrochemical system Others化學電源基礎化學電源基礎內容內容體系體系電化學基電

10、化學基本原理本原理一次電池一次電池鋅錳干電鋅錳干電池池鋅鋅-氧化銀氧化銀電池電池二次電池二次電池鎳氫電池鎳氫電池鉛酸蓄電鉛酸蓄電池池鋰離子電鋰離子電池池電化學電電化學電容器容器燃料電池燃料電池電池測試電池測試技術技術電極材料電極材料測試技術測試技術電池性能電池性能測試方法測試方法教學大綱（教學大綱（1 1） 化學電源的發(fā)展和分類化學電源的發(fā)展和分類 化學電源的工作原理與組成化學電源的工作原理與組成 化學電源的電性能概述化學電源的電性能概述第一章：第一章：化學電源概論化學電源概論（2學時）學時） 電極電勢與電池電動勢電極電勢與電池電動勢 電極過程動力學電極過程動力學 液相傳質過程動力學液相傳質過

11、程動力學第二章：第二章：電化學理論基礎電化學理論基礎（8學時）學時） 一次電池：鋅一次電池：鋅-二氧化錳、鋅二氧化錳、鋅-氧化銀電池氧化銀電池 二次電池：二次電池：鎘鎳電池鎘鎳電池、鎳氫電池、鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鉛酸蓄電池第三章：第三章：一次電池和二次一次電池和二次電池電池 （6學時）學時）第四章：燃料電池第四章：燃料電池 （8學時）學時）教學大綱（教學大綱（2 2） 鋰離子電池工作原理和基本性能鋰離子電池工作原理和基本性能 鋰離子電池正負極材料和電解質材料鋰離子電池正負極材料和電解質材料 鋰離子電池制造工藝鋰離子電池制造工藝第五章：第五章：鋰離子電池鋰離子電池 （8學時）學時） 電化學電容

12、器工作原理和性能特性電化學電容器工作原理和性能特性 電化學電容器電極材料和電解質材料電化學電容器電極材料和電解質材料 電化學電容器電化學電容器制備技術及評價方法制備技術及評價方法第六章：第六章：電化學電化學電容器電容器（6學時）學時） 電極材料的電化學測試：循環(huán)伏安法、交流阻電極材料的電化學測試：循環(huán)伏安法、交流阻抗法等抗法等 電池性能測試：充放電與容量、穩(wěn)定性測試電池性能測試：充放電與容量、穩(wěn)定性測試第七章：第七章：電極材料與電電極材料與電池性能測試池性能測試（6學時）學時）實驗實驗 （10學時）學時）212:4921第一章第一章 化學電源概論化學電源概論221.1 化學電源發(fā)展歷史化學電源

13、發(fā)展歷史 巴格達電池（2000年前） 1936年巴格達考古發(fā)現 向陶瓶內倒入一些酸或堿水，便可以發(fā)電，推測為電池 在巴格達近郊，繼發(fā)現古電池之后，還陸續(xù)發(fā)現許多電鍍物品231786年 伽伐尼現象“動物電” 17371798 意大利醫(yī)生和動物學家24伏打序列與伏打電堆意大利著名物理學家, 174518271793年，提出“金屬電”兩種金屬1796年，第一類導體與第二類導體1797年，根據各種金屬接觸的實驗結果，伏打列出了“鋅鉛錫鐵銅銀金”的次序，這就是著名的伏打序列。其中兩種金屬相接觸時，位于序列前面的都帶負電、后面的帶正電。1800年，伏打電堆25 伏打電堆的促進了電學的發(fā)展：歐姆定律，電磁學

14、，電動機，發(fā)電機 1800年，利用電池電解水實驗：氫氣和氧氣 1834年， 法拉第電解定律：電與化學反應的定量關系 1836年， 丹尼爾電池第一種實用性電池第一種實用性電池26200多年中化學電源的重要進展 1859年法國科學家Plante發(fā)明了鉛酸蓄電池(這是世界上第一個可充電池) 1868年法國科學家勒克朗謝(Leclanche)研制成功鋅錳干電池。 1889年瑞典的Junghet(雍格納)：鎘鎳蓄電池 1901年美國愛迪生：Fe-Ni蓄電池。27發(fā)電機的出現使得電池的發(fā)展受到抑制， 20世紀四十年代以后，化學電源工業(yè)得到迅速發(fā)展。40年代，中性鋅-空氣電池、鋅-銀電池(法國安德烈)、鋅-

15、汞(美國茹濱)50年代：堿性鋅錳電池60年代：燃料電池 阿波羅飛船70年代：各種鋰電池80年代：氫鎳蓄電池90年代：鋰離子電池二十一世紀：新型綠色環(huán)保電池(金屬氫化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、無汞堿性鋅錳電池和可充堿錳電池、燃料電池、聚合物鋰電池或鋰離子蓄電池。28電池發(fā)展的推動力量：電池發(fā)展的推動力量：1）電池的發(fā)展和軍事工業(yè)的發(fā)展密不可分u 航天技術：Ni-Cd，Ni-H，燃料電池u 衛(wèi)星火箭：鋅銀電池，航天部有兩個廠：貴州，上海u 潛艇：鉛酸電池，481，德國212潛艇：燃料電池u 地雷：感應式地雷，貯存壽命長u 單兵系統2）20世紀90年代的發(fā)展主要是電子通訊工業(yè)的推動：手機、通訊基站、

16、MP3、MP4等3）電動汽車與新能源儲能對電池是一個巨大的推動。EV，HEV，863節(jié)能與新能源汽車重大專項，十城千輛工程，財政補貼29 4）新材料的發(fā)展也促進了電池的發(fā)展：MH，LiC6、SOFC中的高溫密封材料等 5）資源 6）環(huán)境用戶對化學電源的要求：高比能量，高可靠性，長壽命，無污染30我國電池生產概況 從1982年開始，我國超過美國成為世界第一民用電池生產大國 我國電池產量年均增長10%，產值年均增長19%。 據不完全統計,我國從事電池及其材料研制的單位達數百家, 生產電池及材料的廠家多達2000余家,出版電池專業(yè)雜志或信息的刊物也達十余家。31 2008年，我國電池產量達360億只

17、，總產值超2000億元。出口254億只，88億美元。 中國電池產量已連續(xù)超過世界電池總產量的1/3，成為世界電池主要生產地，是國外采購電池的首選地。 2010年電池總產量400多億只，占全世界50%以上，出口300多億只 我國電池生產企業(yè)超過50%分布在江浙滬和廣東沿海地區(qū)，配套完善。32中國電池主要廠家 比亞迪 風帆 光宇 雙登 南都 力神 比克33 酸性電解液電池 acid battery 堿性電解液電池 alkaline battery 中性電解液電池neutral battery 有機電解質溶液電池organic electrolyte battery 固體電解質電池solid ele

18、ctrolyte battery 熔融鹽電解質電池melton electrolyte battery 聚合物電解質電池polymer electrolyte battery1.2 電池的分類（電解液類型）34電池的分類（電池形狀） 圓柱式電池 cylindrical/ round battery 扣式電池 button/coin battery 方形電池 prismatic battery 紙式電池 paper battery 微電池 microbattery 微電池與微芯片、微電子機械系統集成設計。紙紙電電池池35電池的分類（工作性質和儲存方式）一次電池（原電池）Primary batte

19、ry / Galvanic battery電池放電后，不能用充電方法將它回復到放電前的初始狀態(tài)的一類電池鋅-二氧化錳干電池 ZnNH4Cl、ZnCl2MnO2（dry cell）扣式鋅-氧化銀 ZnKOHAg2O或AgO鋅-汞電池 ZnKOHHgO鋅-空氣電池 ZnKOHO2鋰電池(鋰錳)： LiLiClO4，PC-DMEMnO2特點：小型，攜帶方便36電池的分類（工作性質和儲存方式）二次電池（蓄電池）Secondary battery / storage battery / rechargeable battery，accumulator 電池放電后，可以用充電方法使活性物質恢復到放電前狀態(tài)

20、，從而能夠再次放電的一類電池，充放電過程可以反復進行。鉛酸：Pb | H2SO4 | PbO2鎘鎳 Cd | KOH | NiOOH鐵鎳 Fe | KOH | NiOOH鋰離子電池 LiC6LiPF6，EC-DEC-EMCLiCoO2循環(huán)使用37電池的分類（工作性質和儲存方式）貯備電池 (激活電池）Reserve battery / activated battery 在貯存期間，電解質和電極活性物質分離或電解質處于惰性狀態(tài)，使用前注入電解質或通過其他方式使電池激活，電池立即開始工作。鋅一銀電池 ZnKOHAg2O(AgO)，使用前注入電解液熱電池: CaLiCl-KClPbSO4，鐵粉燃燒產

21、生大量熱量，使得電解質熔融熱電池種類很多 激活時間短38電池的分類（工作性質和儲存方式）燃料電池 full cell 電池中的電極材料是惰性的，是活性物質進行電化學反應的場所，而正負極活性物質分別儲存在電池體外，當活性物質連續(xù)不斷地注入電池時，電池就能不斷地輸出電能。連續(xù)工作種類：AFC、PAFC、MCFC、SOFC、PEMFC、DMFC.39391.3 化學電源的工作原理 化學電源是化學能直接轉換成電能的裝置。化學電源是化學能直接轉換成電能的裝置。4040雙電層雙電層負極正極化學電源內部的電勢變化dischargeCharge4141化學電源要實現將化學能直接轉化為電能必須具備的條件例1：濃

22、硫酸稀釋例2：酸堿中和例3：置換 例4：鎂條燃燒 (1)化學反應必須是氧化還原反應，而且氧化和還原過程必須分隔在兩個空間進行例4：鐵的腐蝕 (2)氧化還原反應發(fā)生時 電子必須經過外線路4242幾個概念： 成流反應：Current Producing Reaction電池工作時，電極上發(fā)生的產生電能的電化學反應 活性物質：Active Material / Mass電極上能夠參加電化學反應、釋放電能的物質4343幾個概念： 正極：Positive Electrode 負極：Negative Electrode 陰極：Cathode 陽極：Anode電池電極 放電充電正極陰極陽極負極陽極陰極444

23、41.4 電池的組成4545電池的組成正極負極隔 膜電解液（電解質） 外殼電極離子導體，傳遞正負極間電荷防止正負極活性物質接觸造成內部短路，對離子運動阻力小，電子絕緣體組成：4646（1）電極）電極 （electrode) 電池的核心電池的核心 電極中參加成流電極中參加成流反應、產生電能的物質。反應、產生電能的物質。 傳導電子，使電傳導電子，使電流分布均勻；支撐活性物流分布均勻；支撐活性物質。質?；钚晕镔|：活性物質：導電骨架導電骨架:4747活性物質活性物質 (active material / mass) 對活性物質的要求對活性物質的要求: 電化學活性高；電化學活性高；G0，i0大 組成電池

24、電動勢高：組成電池電動勢高： 正極活性物質電勢盡可能正正極活性物質電勢盡可能正 負極活性物質電勢盡可能負負極活性物質電勢盡可能負 質量比容量和體積比容量大質量比容量和體積比容量大 電化當量，密度電化當量，密度 在電解液中化學穩(wěn)定性好在電解液中化學穩(wěn)定性好 電子導電性好電子導電性好 資源豐富，價格便宜資源豐富，價格便宜 環(huán)境友好環(huán)境友好4848常用活性物質常用活性物質 活性物質存在形式：活性物質存在形式： 一般為固體（一般為固體（Zn、PbO2等），也有氣體（等），也有氣體（H2、O2）、液體）、液體（SO2）或漿料（）或漿料（ZnO） 常用活性物質種類：常用活性物質種類： 正極活性物質：正極活

25、性物質： 一般為電極電勢較高的金屬氧化物、氯化物、氟化物、硫化物一般為電極電勢較高的金屬氧化物、氯化物、氟化物、硫化物等。等。 如：如：MnO2, PbO2, O2, AgO, NiOOH 負極活性物質：負極活性物質：一般為電位較低的金屬如：一般為電位較低的金屬如：Zn, Pb, H2, Li, Cd4949集流體集流體/導電骨架導電骨架 current collector /conducting matrix 對導電骨架的要求對導電骨架的要求:導電性好導電性好機械強度高機械強度高加工性好加工性好化學穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性好化學穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性好成本、資源、環(huán)保成本、資源、環(huán)保常用導電骨架材

26、料：Pb、Ni、鋼、Al、Cu、Ag5050（2）電解質）電解質 (electrolyte)電解質的作用電解質的作用：正負極間傳遞電荷，溶液導電；正負極間傳遞電荷，溶液導電；正極：正極：2NiOOH+2H2NiOOH+2H2 2O+2eO+2e- -Ni(OH)Ni(OH)2 2+2OH+2OH- -負極：負極：Cd+2OHCd+2OH- -Cd(OH)Cd(OH)2 2+2e+2e- -參加電極反應。參加電極反應。正極：正極：PbOPbO2 2+3H+3H+ +HSO+HSO4 4- -+2e+2e- -PbSOPbSO4 4+2H+2H2 2O O負極：負極：Pb+HSOPb+HSO4 4

27、- -PbSOPbSO4 4+ +H H+ +2e+2e- -反應需要大量電解液離子導電,可減少用量5151電解質的要求電解質的要求： 電導率高，溶液歐姆壓降??；（對固體電解質，電導率高，溶液歐姆壓降小；（對固體電解質，離子導電性好，電子絕緣；）離子導電性好，電子絕緣；） 化學性質穩(wěn)定，不與活性物質發(fā)生反應；化學性質穩(wěn)定，不與活性物質發(fā)生反應； 電化學穩(wěn)定窗口范圍寬；電化學穩(wěn)定窗口范圍寬； 沸點高、冰點低，使用溫度范圍寬。沸點高、冰點低，使用溫度范圍寬。 無毒無污染、成本無毒無污染、成本5252電解質分類電解質分類 按形態(tài)可分為按形態(tài)可分為液態(tài)、固態(tài)、膠態(tài)電解質液態(tài)、固態(tài)、膠態(tài)電解質。 液體電

28、解質可分為液體電解質可分為水溶液水溶液和和非水溶液非水溶液。 液體電解質：液體電解質：溶質和溶劑溶質和溶劑。 溶質作用為無機鹽，在溶劑中電離出陰陽離子溶質作用為無機鹽，在溶劑中電離出陰陽離子在正負極之間起傳遞電荷的作用。在正負極之間起傳遞電荷的作用。 溶劑起到使溶質電離的作用溶劑起到使溶質電離的作用。5353（3）隔離物）隔離物 (separator)：隔膜、隔板：隔膜、隔板 形狀形狀：薄膜、板材、棒材等薄膜、板材、棒材等 作用作用：防止電池正負極接觸，內部短路，同時吸蓄電解液。防止電池正負極接觸，內部短路，同時吸蓄電解液。 要求要求： 孔徑、孔隙率，孔隙的均勻分布孔徑、孔隙率，孔隙的均勻分布

29、 電解質離子運動阻力小；電解質離子運動阻力小； 電子的良好絕緣體；電子的良好絕緣體； 良好的機械強度和抗彎曲能力：良好的機械強度和抗彎曲能力：抗拉、阻止電極上脫落的活抗拉、阻止電極上脫落的活性物質微粒；阻止枝晶的生長穿透；性物質微粒；阻止枝晶的生長穿透； 化學穩(wěn)定性好：耐電解液腐蝕，耐氧化、耐還原化學穩(wěn)定性好：耐電解液腐蝕，耐氧化、耐還原 脹縮率脹縮率 資源、成本、環(huán)保資源、成本、環(huán)保5454化學電源用隔膜化學電源用隔膜5555（4）外殼）外殼 (case / can / container) 外殼：外殼：電池的容器。電池的容器。 外殼的要求：外殼的要求：機械強度高機械強度高耐振動耐振動耐沖擊

30、耐沖擊耐腐蝕耐腐蝕耐溫差耐溫差l 只有鋅只有鋅-錳干電池是鋅電極兼作外殼。錳干電池是鋅電極兼作外殼。56561.5 化學電源的電性能化學電源的電性能 1.5.1電池的電動勢電池的電動勢 electromotive force電池在開路條件下，正、負兩極間的平衡電極電位之差a A + b B = e E + f Fl 不同體系電池具有不同的特征值不同體系電池具有不同的特征值l 電池的電動勢只和參與化學反應的物質本性、電池的反應條件電池的電動勢只和參與化學反應的物質本性、電池的反應條件(即溫度即溫度)及反應物與產物的活度有關，而與電池的幾何結構、尺及反應物與產物的活度有關，而與電池的幾何結構、尺寸

31、大小無關。寸大小無關。G=-nFE00EEquilibrium Electrode PotentialbBaAfFeEnFRTEEln05757 吉布斯-亥姆霍茲方程式：電池電動勢 與反應焓變的關系： 結合G=H-TS ， G=-nFE，可以得到電動勢溫度系數： mV/ 等溫條件下，可逆反應的熱效應為： 溫度系數：鉛酸電池+0.3 mV/ ，鎘鎳電池-0.5 mV/ ()PHEETnFT ()PESTn F()RPEQT SnFTT58581.5.2 電池的開路電壓 open circuit voltage 電池的開路電壓是兩極間所聯接的外線路處于開路時，兩極間的電極電勢之差 如果電池的正、負

32、極都處于熱力學平衡狀態(tài)，那么開路電壓就應等于電動勢 開路電壓總小于電動勢, 鋅-空氣電池的電動勢1.646V，實際的開路電壓為1.4 1.5 V 開路電壓與電動勢區(qū)別： 平衡電極電勢與外界沒有電子交換；電極上氧化還應和還原反應是可逆的，反應速率相等59591.5.3 標稱電壓標稱電壓 nominal voltage 用以表示或識別一種電池或一個電化學體系的適當的電壓近似值。 電池的特征值, 也叫額定電壓606061611.5.4 電池的內阻電池的內阻 (internal resistance) 電池的內阻電池的內阻R內內又稱全內阻，是指電流流又稱全內阻，是指電流流過電池時所受到的阻力過電池時所

33、受到的阻力 歐姆內阻歐姆內阻( (ohmicohmic resistance) resistance) 極化電阻極化電阻(polarization resistance)(polarization resistance)R內=R+Rf6262電池歐姆內阻電池歐姆內阻 (ohmicohmic resistance resistance) 歐姆電阻包括電極本身的電阻，電解質溶液的電歐姆電阻包括電極本身的電阻，電解質溶液的電阻和隔膜電阻阻和隔膜電阻( (離子通過隔膜微孔時受到的阻力離子通過隔膜微孔時受到的阻力) ) 歐姆電阻造成的電壓損失與通過電池的電流強度歐姆電阻造成的電壓損失與通過電池的電流強度

34、成正比，符合歐姆定律的關系成正比，符合歐姆定律的關系63歐姆內阻的影響因素：歐姆內阻的影響因素： 物質特性物質特性: :顆粒大小、形狀、晶型顆粒大小、形狀、晶型 電極物料組成電極物料組成：導電劑、添加劑、粘接劑：導電劑、添加劑、粘接劑 電極結構電極結構：尺寸、基體、活性物質與電極結合：尺寸、基體、活性物質與電極結合 電解液電解液：種類、濃度：種類、濃度 隔膜隔膜：種類、孔率、孔徑：種類、孔率、孔徑 電池結構電池結構：卷繞、疊片，正負極間距離、電池尺寸：卷繞、疊片，正負極間距離、電池尺寸 制造工藝制造工藝： 荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)： 溫度溫度：636464極化電阻：polarization resis

35、tance 電化學反應中電極極化所相當的電阻，電化學反應中電極極化所相當的電阻，包括電化學極化和濃差極化所引起的電阻。 一個電極的極化電阻隨通過該電極的電流密度的增加而增加，并不遵守歐姆定律。 極化內阻不是常數，既隨放電時間的變化而變化，也隨放電制度的變化而變化。 在同樣電流密度下，不同電極的極化值可以有很大的差別，這取決于電極的特性、電極結構，而且與溫度，電解液濃度、電極結構等多種因素有關。6565電池內阻的測量方法電池內阻的測量方法鋅錳電池內阻表示方法：鋅錳電池內阻表示方法： 短路電流法短路電流法short circuit currentshort circuit current國家標準中

36、規(guī)定的電池內阻測量方法國家標準中規(guī)定的電池內阻測量方法1.1.交流法交流法：對電池施加頻率為對電池施加頻率為1.0kHZ0.1kHz的交流電流的交流電流Ia a時間時間1s1s5s s，測量此時間內的交流電壓，測量此時間內的交流電壓Ua a，則，則R Racac= =U Ua a/ /I Ia a2.2.直流法直流法：電池以電流電池以電流I I1 1恒流放電，測量放電至恒流放電，測量放電至10s10s末時的負載電末時的負載電壓壓U U1 1。然后立即將放電電流增加電流。然后立即將放電電流增加電流I I2 2，測量和記錄放電至，測量和記錄放電至3s3s末時的末時的負載電壓負載電壓U U2 2。電

37、池的直流內阻。電池的直流內阻RdcRdc按下式計算：按下式計算：R Rdcdc=(U=(U1 1-U-U2 2)/(I)/(I2 2-I-I1 1) )歐姆內阻測量常用交流法：交流阻抗方法、方波電流方歐姆內阻測量常用交流法：交流阻抗方法、方波電流方法法66661.5.5 電池的工作電壓電池的工作電壓 (working/operating/on-load/discharge voltage) 電池的工作電壓又稱負載電壓、放電電壓。是指有電池的工作電壓又稱負載電壓、放電電壓。是指有電流流過外電路時，電池兩極之間的電勢差電流流過外電路時，電池兩極之間的電勢差。 V = E - IR內= E (R+R

38、f) 放電電壓隨時間變化： 放電曲線discharge curve6767放電制度：（1）放電方式）放電方式恒電阻放電恒電阻放電 (constant load/resistance)恒電流放電恒電流放電 (constant current)恒功率放電恒功率放電 (constant power)682:4968（2）放電電流放電率，放電速率放電電流：A時率(Hourly Rate)：t 以一定的放電電流，放完額定容量所需的小時(t) ，t=C/I 是以放電時間的長短，來表示電池放電速度。 放電時率越大，放電電流越小倍率(C rate)：x 指電池放電電流的數值為額定容量數值的倍數。 xC 放電倍

39、率越大，放電電流越大時率與倍率關系：x=1/t如果電池容量為3Ah，實際放電電流為6A，則用時率形式和用倍率形式如何表示？6969 不同放電體系，放電性能有很大差別,高倍率電池Zn/AgO,低倍率電池鋅錳干電池 同一電池體系，不同電極和電池結構，適用不同倍率 區(qū)分原則： 低倍率放電：I0.5C 中倍率放電:0.5CI3.5C 高倍率放電:3.5CI7C量綱性錯誤量綱性錯誤C是容量，單位是容量，單位Ah I 是電流，單位是電流，單位A It=C/1 I=nIt7070 電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為終止電壓。 規(guī)定值：考慮電池充分利用，考慮用電設備需求，并且根據放電溫度、放電電流而變

40、化(3)終止電壓 End-of-discharge voltage; Final voltage; Cut-off voltage; End-point voltage7171（4）放電溫度溫度越低，工作電壓下降越快，原因：溫度越低，離子運動速度越慢，歐姆電阻增加，同時溫度降低，電化學極化和濃差極化也將增大，所以放電曲線下降變化較快72721.5.6電池的容量電池的容量capacity與比容量與比容量specific capacity 電池的容量是指在一定的放電條件下可以從電池的容量是指在一定的放電條件下可以從電池獲得的電量電池獲得的電量, 單位常用安培小時單位常用安培小時(Ah)表示。表示。

41、 必須指明放電制度：必須指明放電制度：電流電流、終止電壓、溫度、終止電壓、溫度 1A1Ah=1000mAh=1000mAh=3600Ah=3600As=3600s=3600庫侖庫侖 理論容量理論容量 實際容量實際容量 額定容量額定容量7373理論容量理論容量(C0)：theoretical capacity7474電化當量電化當量 electrochemical equivalent 電極的理論容量與活性物質質量和電化當量有關。電極的理論容量與活性物質質量和電化當量有關。 理論容量的大小與活性物質的質量成正比，與該物質的電化當量成反比。 常用電池物質的電化當量：常用電池物質的電化當量：Pb3.

42、87，Li0.259, Cd2.10, Zn1.22，PbO24.45, MnO23.22, NiOOH3.42, K = ( g/Ah ) nM8.26每放出每放出1 Ah 電量所需要的活性物質質量電量所需要的活性物質質量7575實際容量實際容量(C實實) Measured capacity 電池的實際容量是指在電池的實際容量是指在一定放電制度一定放電制度下，電池實際下，電池實際輸出的電量輸出的電量 恒電流放電時恒電流放電時 C實實 = I t 恒電阻放電時恒電阻放電時0tIdttVdtR01=C實實 = 恒功率放電時恒功率放電時7676活性物質的利用率活性物質的利用率 utilizatio

43、n (ratio/rate/percent) 利用率的計算方法利用率的計算方法m 活性物質的實際質量活性物質的實際質量,gm0按電池的實際容量根據法拉第定律按電池的實際容量根據法拉第定律計算出的物質量計算出的物質量,gC實實 活性物質的實際容量活性物質的實際容量,mAh/gC0 按電池的實際容量根據法拉第定律按電池的實際容量根據法拉第定律計算出的容量計算出的容量,mAh/g7777活性物質利用率的影響因素 物質形態(tài)物質形態(tài): :顆粒大小、形狀、晶型顆粒大小、形狀、晶型 電極物料組成電極物料組成：導電劑、添加劑、粘接劑：導電劑、添加劑、粘接劑 電極結構電極結構：尺寸、基體、活性物質與電極結合，孔

44、隙：尺寸、基體、活性物質與電極結合，孔隙 電池結構電池結構：卷繞、疊片，極間距、電池尺寸：卷繞、疊片，極間距、電池尺寸 電解液電解液：種類、濃度、數量：種類、濃度、數量 隔膜隔膜：種類、孔率、孔徑：種類、孔率、孔徑 制造工藝制造工藝： 放電制度放電制度：電流、終止電壓、溫度：電流、終止電壓、溫度7878額定容量額定容量(C額額) rated capacity 國家標準或行業(yè)標準規(guī)定，設計和制造電池時，保證電池在一定的放電條件下(溫度、放電制度)應該放出的最低容量。C理C實C額容量控制電極 三個容量值之間的關系？ 如果電池正極容量3Ah，負極容量3.3Ah，電池容量是多少？7979比容量比容量s

45、pecific capacityspecific capacity 單位質量或單位體積電池所給出的容量稱為質單位質量或單位體積電池所給出的容量稱為質量比容量或體積比容量量比容量或體積比容量 用于比較不同電池用于比較不同電池質量比容量：質量比容量：Cm=C/m (Ah/Kg)Specific capacity by weight / massGravimetric capacity體積比容量：體積比容量：Cv=C/V (Ah/L)Specific capacity by volumeVolumetric capacityCapacity density80801.5.7電池的能量電池的能量ene

46、rgy 與比能量與比能量specific energy 能量能量是指電池在一定的放電制度下，對外做功所輸是指電池在一定的放電制度下，對外做功所輸出的出的( (電電) )能量，通常用能量，通常用W W表示，其單位為表示，其單位為WhWh 理論能量理論能量：假設電池在放電過程中始終處于平衡狀：假設電池在放電過程中始終處于平衡狀態(tài)，其放電電壓始終保持其電動勢的數值。電池活態(tài)，其放電電壓始終保持其電動勢的數值。電池活性物質的利用率為性物質的利用率為100 ，則此時電池應該給出的，則此時電池應該給出的能量為理論能量能量為理論能量W0 W0 = C0E 可逆電池在恒溫恒壓下所作的最大有用功?？赡骐姵卦诤銣?/p>

47、恒壓下所作的最大有用功。 W0 = -G = -nFE = C0E 8181實際能量實際能量(W) 電池在一定的放電條件下所實際給出的電能量電池在一定的放電條件下所實際給出的電能量 在數值上它等于在數值上它等于實際容量和平均工作電壓的乘積實際容量和平均工作電壓的乘積。W = CU平平 實際電池放電時，實際電池放電時，UE，100%，所以，所以WW08282比能量比能量 比能量比能量是指單位質量或單位體積的電池所放出的能量是指單位質量或單位體積的電池所放出的能量 體積比能量(能量密度energy density) ：單位體積電池所給出的(電)能量 Wh/m3 質量比能量：單位質量電池所給出的(電

48、)能量 Wh/kg8383理論比能量理論比能量： 只包含所有參加反應的物質,電池的理論比能量沒有包括電池中的惰性物質 電化當量：K正極物質,K負極物質,K電解液,通常只說質量比能量通常只說質量比能量 Wh/kg000W =C EG8484例子：例子： 電化當量：3.866+4.463+3.659=11.988 g/Ah 電池的標準電動勢 E=2.044V22442PbPbO2H SO2PbSO2H O010002.044170.5 Wh/kg11.988W質量8585實際質量比能量實際電池中：非活性物質過剩的活性物質質量工作電壓小于電動勢理實WKKKWmCEm100%100% 100%ECVK

49、ECKCmKG實理電壓效率：容量效率：（活性物質利用率）質量效率：C UWG平均實際8686幾種電池的實際比能量與理論比能量電池體系實際比能量W/（Wh/kg）理論比能量W0/（Wh/kg）W/W0鉛酸電池1050170.30.060.29鎘鎳電池1540214.30.070.19鐵鎳電池1025272.50.040.09鋅銀電池60160487.50.120.33鋅錳干電池1015251.30.040.06堿性鋅錳電池30100274.00.110.36鋅空氣電池10025013500.070.1987871.5.8電池的電池的功率功率power與與比功率比功率power density 電池的功率電池的功率：指在一定放電制度下：指在一定放電制度下,單位時間內電池單位時