應(yīng)用化學(xué)引言和31概述

1、2022-3-221第三章 化學(xué)電源 2022-3-2222022-3-2232022-3-2242022-3-225 目前使用最多的。它由燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為電能，在這種轉(zhuǎn)換過程中，能量損失達(dá)60一90。自1799年發(fā)明伏特電堆后，利用這種裝置就可以使。這種裝置現(xiàn)通稱為化學(xué)電源或原電池化學(xué)電源或原電池?，F(xiàn)在雖然交、直流發(fā)電機(jī)可供使用，但化學(xué)電源因無傳動(dòng)部件、無噪聲、對(duì)空氣無污染、可做成任意大小、便于攜帶、使用方便、電壓以及電流均可在相當(dāng)范圍內(nèi)變動(dòng)等待點(diǎn)而得到迅速的發(fā)展，并在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、通訊、電子、國防、宇航、計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。2022-3-2262

2、022-3-2272022-3-2282022-3-229空氣電池空氣電池2022-3-2210太陽能電池太陽能電池2022-3-22112022-3-2212鋰電池鋰電池2022-3-22132022-3-22142022-3-2215 手機(jī)工作時(shí)所需能手機(jī)工作時(shí)所需能量是由量是由電池電池提供的。提供的。2022-3-2216 它們工作時(shí)所需能它們工作時(shí)所需能量也是由量也是由電池電池提供的。提供的。2022-3-2217 手提電腦工作時(shí)所需能手提電腦工作時(shí)所需能量是通常也由量是通常也由電池電池提供的。提供的。2022-3-2218汽車是由蓄電池蓄電池提供電力起動(dòng)的 。2022-3-22193

3、.1 概概 述述一一.主要術(shù)語主要術(shù)語 1.1.幾個(gè)基本概念幾個(gè)基本概念化學(xué)電源化學(xué)電源： 又稱電池又稱電池(battery),是將氧化是將氧化-還原反應(yīng)的化還原反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置.放電和充電放電和充電： 電源對(duì)外供電過程稱為放電過程，反之則稱為電源對(duì)外供電過程稱為放電過程，反之則稱為充電過程。充電過程。把光能或熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為物理電池 如太陽能電池等2022-3-2220下一頁最后頁上一頁第一頁2.2.化學(xué)電源的類型化學(xué)電源的類型一次電池或原電池一次電池或原電池放電以后不能用充電方法復(fù)原，兩極的活性物質(zhì)只能利用一次二次電池或可充電池或蓄電池二次電

4、池或可充電池或蓄電池能多次重放電，循環(huán)實(shí)用。如鉛酸蓄電池2022-3-2221儲(chǔ)備電池儲(chǔ)備電池(storage battery)在儲(chǔ)存器內(nèi)電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)不接觸，能儲(chǔ)存幾十年。燃料電池燃料電池(fuel cell）有稱連續(xù)電池，其正負(fù)極不包含活性物質(zhì)，將燃料輸入電池就能長期發(fā)電。2022-3-2222 3.3.化學(xué)電源的組成化學(xué)電源的組成: : ：有活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料及添加劑組成。：保證正負(fù)極之間離子導(dǎo)電作用：有稱隔離物，防止正負(fù)極短路，但允許離子順利通過。：除干電池由鋅極兼作容器外，要求外殼具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，耐腐蝕，耐振動(dòng)，抗沖擊強(qiáng)度。2022-3-2223二、化學(xué)電池的主要性能二、化

5、學(xué)電池的主要性能 1.1.化學(xué)電源的電動(dòng)勢(shì)和開路電壓化學(xué)電源的電動(dòng)勢(shì)和開路電壓： 又稱理論電壓，是指沒有電流流過外電路時(shí)電池正負(fù)兩極之間的電極電勢(shì)差。測(cè)定：對(duì)消法 計(jì)算：G = - n F E： 是無負(fù)荷情況下的電池電壓，是無負(fù)荷情況下的電池電壓，實(shí)際測(cè)量的實(shí)際測(cè)量的數(shù)值，數(shù)值，一般一般 OCVE，只有可逆電池的，只有可逆電池的OCVE。2022-3-2224 2.2.工作電壓和電池的內(nèi)阻工作電壓和電池的內(nèi)阻工作電壓工作電壓(V)：是指電池有電流流過時(shí)的端電壓。是指電池有電流流過時(shí)的端電壓。VOCV，因?yàn)橛?，因?yàn)橛衖通過電池時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)通過電池時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)極化、濃差極化、和歐姆極化等。

6、極化、濃差極化、和歐姆極化等。 放電時(shí)：放電時(shí)：V V放放 E E 額定電壓額定電壓：指電池工作時(shí)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，例指電池工作時(shí)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，例如鋅錳干電池如鋅錳干電池 1.2V。中點(diǎn)電壓中點(diǎn)電壓：指電池放電期間的指電池放電期間的。截止電壓截止電壓：指電池放電終止時(shí)的電壓值（指電池放電終止時(shí)的電壓值（最低最低工作電壓）。工作電壓）。2022-3-2225 電池的內(nèi)阻：電池的內(nèi)阻： 由歐姆電阻（電池本身由歐姆電阻（電池本身的電阻）和極化電阻組成的電阻）和極化電阻組成是電池本身的電阻，由電極材料、電解質(zhì)溶液、隔膜以及它們之間的接觸電阻組成，另外電池尺寸、工藝結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)、電池的裝配越緊密，歐姆

7、電阻越?。簩?duì)于同一類相同結(jié)構(gòu)的電池，幾何尺寸大的電池的歐姆電阻通常要小于幾何尺寸小者。則是指電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由于電極極化所導(dǎo)致的電阻，通常包括電化學(xué)極化電阻和濃差極化電阻。極化電阻與電極活性物質(zhì)的性質(zhì)、電池結(jié)構(gòu)、工藝等因素密切相關(guān) 計(jì)算公式：計(jì)算公式： R= (E-V)/I 2022-3-22263.3.電流和反應(yīng)速率電流和反應(yīng)速率電流電流(i) 電池放電電池放電(或充電或充電)速度的一種量度速度的一種量度。電化學(xué)反應(yīng)速率的大小是通過電流的大小來衡量的。電化學(xué)反應(yīng)速率的大小是通過電流的大小來衡量的。 4.電池的容量及影響因素（1）電池容量）電池容量C： 指在一定放電條件下，電池放電到終止電

8、壓時(shí)指在一定放電條件下，電池放電到終止電壓時(shí)所所能提供能提供的電量，單位為庫侖（的電量，單位為庫侖（C）或安時(shí)（）或安時(shí)（Ah）理論容量：理論容量：C理論理論MmZFC 理理論論2022-3-222796500庫侖（庫侖（c）=26.8安時(shí)（安時(shí)（Ah） 與放電方式有關(guān)，與放電方式有關(guān)，可通過下可通過下式計(jì)算：式計(jì)算： 恒電流（恒電流（恒流恒流）放電：）放電： C=t0 i(t)dt=it 變電流放電：變電流放電： C= t0 i(t)dt 恒電阻（恒電阻（恒阻恒阻）放電：）放電： C= t0 i(t)dt=1/R t0 V(t)dt2022-3-2228（2）放電曲線）放電曲線 ： 圖圖3.

9、1（a）：三種不同模式下放電電流隨時(shí)）：三種不同模式下放電電流隨時(shí)間變化的關(guān)系。間變化的關(guān)系。 圖圖3.1（b）：三種不同模式下電池放電電壓）：三種不同模式下電池放電電壓對(duì)放電時(shí)間關(guān)系曲線。對(duì)放電時(shí)間關(guān)系曲線。 圖圖3.1(c).(d):假定假定下三種下三種模式放電時(shí)的電流或電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。模式放電時(shí)的電流或電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。2022-3-2229恒功率恒功率恒電流恒電流恒電阻恒電阻放電電流放電電流放電時(shí)間放電時(shí)間(a)電池電壓電池電壓恒電阻恒電阻放電時(shí)間放電時(shí)間恒功率恒功率恒電流恒電流(b)放電電流放電電流恒電阻恒電阻(c)恒功率恒功率放電時(shí)間放電時(shí)間恒電流恒電流電池電壓電池電壓(

10、d)恒功率恒功率放電時(shí)間放電時(shí)間恒電流恒電流恒電阻恒電阻2022-3-2230 這些條件下，電池使用時(shí)間大致相同，這些條件下，電池使用時(shí)間大致相同，但但，然而，然而，（電池保持恒定的輸出功率（電池保持恒定的輸出功率I*V）在電池整個(gè)壽命期間具有向在電池整個(gè)壽命期間具有向負(fù)載提供是均勻負(fù)載提供是均勻功率功率的優(yōu)點(diǎn)，從而是的優(yōu)點(diǎn)，從而是電池的能量得到最有效電池的能量得到最有效的利用。的利用。（3）活性物質(zhì)利用率）活性物質(zhì)利用率：電池實(shí)際放出的能量只是理論容量的一部分，電電池實(shí)際放出的能量只是理論容量的一部分，電池的實(shí)際容量與電池的理論容量之比池的實(shí)際容量與電池的理論容量之比 t0M/mZFidt1

11、00%電池理論容量電池理論容量電池實(shí)際容量電池實(shí)際容量 2022-3-2231（4）比容量）比容量：（5）額定容量：）額定容量： ，分別以分別以Ahkg-1和和AhL-1表示表示。質(zhì)量比容量間接地反映了活性物質(zhì)的利用率，而體積比容量則反映了電池結(jié)構(gòu)的特征。 指在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電池時(shí)，指在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電池時(shí)，在在指定的放電條件下電池應(yīng)該放出的指定的放電條件下電池應(yīng)該放出的2022-3-2232（6）影響電池容量的因素）影響電池容量的因素 電池容量的大小是評(píng)價(jià)電池性能的重要指電池容量的大小是評(píng)價(jià)電池性能的重要指標(biāo)，而電池容量可通過放電時(shí)的放電曲線測(cè)定標(biāo)，而電池容量可通過放電時(shí)的放電曲線測(cè)定 電池的電池的

12、與與。 電池的放電條件：電池的放電條件： 放電電流，放電深度，放電形式，放電期放電電流，放電深度，放電形式，放電期間電池的溫度等。間電池的溫度等。2022-3-2233 放電電流：放電電流： 其大小常用其大小常用放電倍率放電倍率表示，即對(duì)于一個(gè)具表示，即對(duì)于一個(gè)具有額定容量有額定容量C的電池，按規(guī)定的小時(shí)數(shù)放電的的電池，按規(guī)定的小時(shí)數(shù)放電的電流。電流。(A)(A.h)放電電流額定容量放電倍率 放電電流的大小對(duì)電池容量有較大的影響，放電電流的大小對(duì)電池容量有較大的影響，由于由于歐姆內(nèi)阻歐姆內(nèi)阻和有電流通過時(shí)和有電流通過時(shí)極化內(nèi)阻極化內(nèi)阻的存在，的存在，電池容量和放電電壓隨放電電流的增加而減小電池

13、容量和放電電壓隨放電電流的增加而減小，放電倍率愈大，則放電電流愈大，電容容量愈小。放電倍率愈大，則放電電流愈大，電容容量愈小。 2022-3-2234 放電深度放電深度DOD:指電池放電量占額定容量的百分?jǐn)?shù)指電池放電量占額定容量的百分?jǐn)?shù)一般情況下，二次電池一般情況下，二次電池DOD為額定容量的為額定容量的20%40%,愈深，實(shí)際電池容量愈大。愈深，實(shí)際電池容量愈大。 放電形式放電形式 ： 連續(xù)放電、間歇放電。連續(xù)放電、間歇放電。間歇放電間歇放電連續(xù)放連續(xù)放電電電壓電壓時(shí)間時(shí)間放電溫度：放電溫度： 2040oC之之間放電時(shí)，性間放電時(shí)，性能較好。能較好。2022-3-2235 5.5.比能量和比

14、功率比能量和比功率電池的能量電池的能量 電池所能作出的電池所能作出的電功電功，它等于放，它等于放電容量和電池平均工作電壓的乘積，電容量和電池平均工作電壓的乘積，常用單位為常用單位為瓦瓦時(shí)（時(shí)（wh）或）或J焦耳焦耳 電池的比能量（或能量密度）電池的比能量（或能量密度） 指單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的能量。指單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的能量。分別以分別以whkg-1和和whL-1表示表示 。電池的功率電池的功率 電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量。電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量。電池的比功率（或功率密度）電池的比功率（或功率密度） 指單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的功率。指單位質(zhì)量或單位體積的電

15、池所輸出的功率。2022-3-22366.6.電池的壽命電池的壽命 使用壽命使用壽命 指在一定條件下，電池指在一定條件下，電池的工作時(shí)間。的工作時(shí)間。 循環(huán)壽命循環(huán)壽命 指在二次電池報(bào)廢之前，在一定放電條件下，電池指在二次電池報(bào)廢之前，在一定放電條件下，電池經(jīng)歷充放電循環(huán)的次數(shù)，循環(huán)壽命越長，電池的可逆經(jīng)歷充放電循環(huán)的次數(shù)，循環(huán)壽命越長，電池的可逆性能就越好。性能就越好。 貯存壽命貯存壽命 指電池性能或電池容量降低到額定指標(biāo)以下時(shí)的貯指電池性能或電池容量降低到額定指標(biāo)以下時(shí)的貯存時(shí)間。存時(shí)間。2022-3-22377.7.自放電自放電(self-discharge)(self-discharg

16、e)(1)(1)定義：定義： 指由一些電池中一些指由一些電池中一些。應(yīng)盡量避免。應(yīng)盡量避免。 (2)(2)引發(fā)電池自放電的原因引發(fā)電池自放電的原因 ： 不期望的副反應(yīng)的發(fā)生不期望的副反應(yīng)的發(fā)生 電池內(nèi)部變化而導(dǎo)致的接觸問題電池內(nèi)部變化而導(dǎo)致的接觸問題 活性物質(zhì)的再結(jié)晶活性物質(zhì)的再結(jié)晶 電池的負(fù)極電池的負(fù)極 無外接負(fù)載時(shí)在電解質(zhì)橋上的放電等無外接負(fù)載時(shí)在電解質(zhì)橋上的放電等2022-3-2238 8.8.過充電過充電 如果充電時(shí)間太長，電池可能會(huì)過充電，如果充電時(shí)間太長，電池可能會(huì)過充電，此時(shí)會(huì)此時(shí)會(huì)，如水的電解，從，如水的電解，從而影響電池的循環(huán)壽命。而影響電池的循環(huán)壽命。 2022-3-2239H2氫氧燃料電池示意圖氫氧燃料電池示意圖 負(fù)負(fù)極極H22+4H+e-4O2（空空氣氣）+e-4H+2H2O正正極極+4O2電電解解質(zhì)質(zhì)e-e-負(fù)負(fù)荷荷H+2022-3-22402022-3-22412022-3-22422022-3-22432022-3-22442022-3-2245鉛酸電池：鉛酸電池：