現(xiàn)代電池技術(shù)：第1章 化學(xué)電源基本概念

1、現(xiàn)代電池技術(shù)教材與參考書 郭炳焜，李新海，楊松青，化學(xué)電源電池原理及制造技術(shù)，中南大學(xué)出版社，2009程新群，化學(xué)電源，化學(xué)工業(yè)出版社，2008陳軍，陶占良，茍興龍，化學(xué)電源原理、技術(shù)與應(yīng)用，化學(xué)工業(yè)出版社，2006查全性，化學(xué)電源選論，武漢大學(xué)出版社，2005化學(xué)電源實(shí)例 鋅錳電池鉛酸電池鋰電池鎘鎳電池MH-Ni電池鈉硫電池鋰離子電池化學(xué)電源實(shí)例 鋅空氣電池鋰離子聚合物電池燃料電池激活電池鋅銀儲備電池質(zhì)子交換膜燃料電池堆化學(xué)電源應(yīng)用舉例 化學(xué)電源應(yīng)用舉例 電動汽車分類根據(jù)國標(biāo)GB/T 19596-2004電動汽車術(shù)語，電動汽車可做如下劃分：電動汽車(Electric vehicle EV)純

2、電動汽車(Battery electric vehicle BEV)燃料電池電動汽車(Fuel cell electric vehicle FCEV)混合動力(電動)汽車(Hybrid electric vehicle HEV)串聯(lián)式混合動力(電動)汽車(Series hybrid electric vehicle SHEV)并聯(lián)式混合動力(電動)汽車(Parallel hybrid electric vehicle PHEV)混聯(lián)式混合動力(電動)汽車(Combined hybrid electric vehicle PSHEV)純電動汽車(Battery electric vehicle

3、BEV)純電動汽車是指由電動機(jī)驅(qū)動的汽車，電動機(jī)的驅(qū)動電能來源于車載可充電蓄電池或其他能量存儲裝置。燃料電池電動汽車(Full cell electric vehicle FCEV)以燃料電池作為動力電源的汽車。燃料電池電動汽車(Full cell electric vehicle FCEV)混合動力(電動)汽車(Hybrid electric vehicle HEV)混合動力(電動)汽車是指能夠至少從下述兩類車載儲存的能量中獲得動力的汽車：可消耗的燃料；可再充電能/能量存儲裝置串聯(lián)式混合動力(電動)汽車(Series hybrid electric vehicle SHEV)車輛的驅(qū)動力只來

4、源于電動機(jī)的混合動力(電動)汽車并聯(lián)式混合動力(電動)汽車(Parallel hybrid electric vehicle PHEV)車輛的驅(qū)動力由電動機(jī)及發(fā)動機(jī)同時或單獨(dú)供給的混合動力(電動)汽車內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)兩動力系統(tǒng)，復(fù)雜，價格較貴用內(nèi)燃機(jī)時，大馬拉小車，油耗仍較高混聯(lián)式混合動力(電動)汽車(Combined hybrid electric vehicle PSHEV)同時具有串聯(lián)式和并聯(lián)式驅(qū)動方式的混合動力(電動)汽車內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和電動機(jī)系統(tǒng)各有一套變速機(jī)構(gòu)，兩者通過行星輪式齒輪機(jī)構(gòu)結(jié)合，綜合調(diào)節(jié)兩動力之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。雪佛蘭VOLT電動汽車配置：一臺149馬力的電動發(fā)動機(jī) 一臺1.4升

5、、74馬力的四缸燃?xì)獍l(fā)動機(jī) 一臺功率為16kwh的鋰電池（60km/h） 電池系統(tǒng)由288個單元組成 液冷循環(huán)系統(tǒng)(T2)性能：0100公里/小時加速時間僅為9秒左右 固定式充電、行駛中制動力回收轉(zhuǎn)化為電力、引擎發(fā)電 110伏電源6小時即可充滿。日產(chǎn)LEAF電動汽車配置：一臺功率為24kwh時的薄型化鋰電池模塊 共有192個單元性能：最大續(xù)駛里程可達(dá)160km，最高車速為140km/h 標(biāo)準(zhǔn)版充電模式：220V/8h 快速版充電模式：49kw/30min，充80%的電能 將制動力轉(zhuǎn)化為電能為電池充電 100英里，“葉子”僅需3美元，不到燃?xì)馄嚨囊话?。福特FOCUS電動汽車配置：一臺功率為25

6、kwh鋰離子電池 水冷和水熱保溫系統(tǒng) 一臺功率為136馬力電機(jī)性能：最大續(xù)駛里程可達(dá)160km，最高車速為136km/h 標(biāo)準(zhǔn)版充電模式：220V/34h 將制動力轉(zhuǎn)化為電能為電池充電寶馬i3電動汽車配置：一臺能量為22kwh鋰離子電池 一臺功率為125kw的電機(jī)性能：最大續(xù)駛里程可達(dá)160km，最高車速為150km/h 百公里加速時間為7.2s 加裝650cc雙缸發(fā)動機(jī)，最大續(xù)駛里程300km比亞迪E6電動汽車配置：一臺功率為57kwh鋰離子電池 百公里耗電20度 一臺功率為90kw電機(jī)(122馬力)性能：不開空調(diào)最大續(xù)駛里程可達(dá)300km，最高車速為140km/h 最快充電模式：220V/

7、15min,80% Tesla Model S電動汽車配置：一臺功率為85kwh鋰離子電池 從0加速到100km/h耗時5.6s 百公里耗電18度 一臺功率為306kw電機(jī)(414馬力)性能：最大續(xù)駛里程可達(dá)500km，最高車速為210km/h 普通充電時間：480mins 快速充電時間：60mins Tesla Model S動力系統(tǒng)電池模塊：85kwh，16塊電池組，7104節(jié)18650鋰離子電池構(gòu)成 Tesla Model S動力系統(tǒng)電池塊：74節(jié)并聯(lián)形成一組，6組串聯(lián)形成一塊Tesla Model S動力系統(tǒng)電池間：電池組間的幾根線一邊連接電池的板極，另一頭練到電池控制模塊，這些線檢測

8、電池組的電壓，保證電池組的正常工作，同時每一節(jié)電池上都有一根保險絲，防止電池溫度過高之類的異?，F(xiàn)象，保險絲自動熔斷，保護(hù)電池組。更多電動汽車信息：化學(xué)電源簡史 1600年，Gilbert(美國)建立對電的研究基礎(chǔ)（摩擦起電）；1791年，Galvani(意大利)發(fā)表“動物電”學(xué)說；1800年，Volta(意大利)宣布 “伏特電堆” ；1833年，F(xiàn)araday(英國)發(fā)表法拉第電解定律；1836年，Daniell(英國)發(fā)明“丹尼爾”電池；1839年，Grove(英國)創(chuàng)制了氫-氧燃料電池；1859年，Plante(英國)發(fā)明鉛酸電池；1868年，Leclanche(法國)研制成Zn-MnO2

9、電池（干電池原型）；1899年，Jungner(瑞典)發(fā)明Cd-Ni堿性電池；1901年，Michaelowski(俄羅斯)發(fā)明Zn-Ni電池；1902年，Edison(美國)發(fā)明Fe-Ni堿性電池；1917年，F(xiàn)erry(法國)發(fā)明Zn-空氣電池；1940年， Ruben (美國)與Mallory公司開發(fā)出Zn-Hg電池；化學(xué)電源簡史 1949年，美國RAY-O-VAC公司使堿性Zn-MnO2電池商品化；1958年，Harris(美國)將鋰金屬引入原電池中 ；1967年，美國Ford公司首先發(fā)明鈉硫電池；1974年，Klein(美國)研制出高壓氫-鎳電池；1980年，Amand(美國)研制鋰

10、離子電池；1985年，荷蘭Philips公司首先制成MH-Ni電池；1992年，日本索尼公司將鋰離子電池商品化。1994年，美國Bellcore公司宣布研制成功聚合物鋰離子電池1999年，日本索尼公司將聚合物鋰離子電池商品化2000年后燃料電池、太陽能電池成為全世界矚目的能源化學(xué)電源基本概念 電荷-電子-離子電極(核心) 導(dǎo)電骨架/活性物(參加成流反應(yīng)的物質(zhì)，要求：電化學(xué)活性高、電動勢高、質(zhì)量比容量和體積比容量大、化學(xué)穩(wěn)定性好、電子電導(dǎo)高等)化學(xué)電源組成 電解質(zhì) 擔(dān)負(fù)正負(fù)極間電荷的傳遞，要求：比電導(dǎo)高、溶液歐姆電壓降小、離子電導(dǎo)高、無電子電導(dǎo)、分解電位高、化學(xué)穩(wěn)定性好等隔膜 防止正負(fù)極接觸短路

11、，要求：絕緣性高、化學(xué)穩(wěn)定性好、有一定機(jī)械強(qiáng)度、對電解質(zhì)離子運(yùn)動阻力小等外殼 電池容器，要求：機(jī)械強(qiáng)度高、耐振動、耐沖擊、耐腐蝕、耐溫差變化等電極類型及結(jié)構(gòu) 電極是電池的核心，由：活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、黏合劑、添加劑等組成。片狀電極 有金屬片或板直接制成，如鋅電極、鋰電極粉末多孔電極 多孔，比表面積大、電化學(xué)極化和濃差極化小、不易形成枝晶。盒式電極：將電極粉裝入表面有微孔的管或盒中壓成式電極：將電極粉裝入模具中加壓而成涂膏式電極：將電極粉用電解液調(diào)成膏狀，涂覆在導(dǎo)電骨架上燒結(jié)式電極：將電極粉加壓成型并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成發(fā)泡式電極：將電極粉填充到發(fā)泡鎳網(wǎng)上粘結(jié)式電極：將活性物加粘結(jié)劑混勻，滾壓在導(dǎo)電骨架

12、上電沉積式電極：將活性物質(zhì)電沉積在導(dǎo)電骨架上纖維式電極：將活性物填充到纖維鎳氈狀基體上氣體擴(kuò)散電極化學(xué)電源用隔膜 主要起隔離、吸液作用 聚丙烯微孔膜celgard電池組 串聯(lián)：UnU，RbnRiInU/(RnRi)并聯(lián)：UU，RbRi/nIU/(RRi/n)復(fù)聯(lián)(n串m并)：UnU，RbnRi/mInU/(RnRi/m)化學(xué)電源分類一次電池 鋅-錳、鋅-汞、鎘-汞、鋅-銀、鋅-空氣、銀-碘、鋰電池等二次電池 鉛酸、鎘-鎳、氫-鎳、金屬氫化物-鎳、鈉-硫、鋰離子電池等激活電池 鋅-銀、鎂-銀、鉛-高氯酸電池等燃料電池 氫-氧、肼-空氣燃料電池等一次電池工作原理電池表達(dá)式：(-)Zn|NH4Cl,

13、ZnCl2|MnO2,C(+)正極為陰極，錳由四價還原為三價：2MnO22H2O2e2MnO(OH)2OH-負(fù)極為陽極，鋅氧化為二價鋅離子：Zn2NH4ClZn(NH3)2Cl22H+2e總的電池反應(yīng)為：2MnO2Zn2NH4Cl2MnO(OH)Zn(NH3)2Cl2電池理論容量與能量C0 理論容量(Ah)m0 活性物質(zhì)質(zhì)量M 活性物質(zhì)摩爾質(zhì)量n 成流反應(yīng)得失電子數(shù)q 活性物質(zhì)電化當(dāng)量Cs 理論比容量W0 理論能量E 電池電動勢高比能量條件高比能量條件影響電池比能量的因素W 實(shí)際比容量W0 理論比容量u 電壓效率r 反應(yīng)效率m 質(zhì)量效率電壓效率電化學(xué)極化過電位 (與i有關(guān)，增加S有利)濃差極化

14、過電位 (增加擴(kuò)散系數(shù)D有利)歐姆過電位 (增加電導(dǎo)率有利)反應(yīng)效率反應(yīng)效率主要指活性物質(zhì)的利用率電池中存在以下副反應(yīng)：水溶液中的置換反應(yīng)負(fù)極鈍化正極的歧化反應(yīng)質(zhì)量效率m0按電池反應(yīng)式反應(yīng)的活性物質(zhì)量ms 不參與反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量m 電池總質(zhì)量電池主要性能參數(shù)電動勢內(nèi)阻開路電壓和工作電壓放電電流：時率、倍率時率：以放電時間(h)表示的放電速率，表示在一定放電電流下放完額定容量所需小時數(shù)。倍率：在規(guī)定時間內(nèi)放完額定容量所輸出的電流值，電流值上等于額定容量的倍數(shù)。理論容量、實(shí)際容量、額定容量、比容量理論能量、實(shí)際能量、比能量理論功率、實(shí)際功率、比功率電池壽命各種電池比能量關(guān)系各種電池比能量與比功率關(guān)系

15、電池的電壓電流特性化學(xué)電源的應(yīng)用一次電池(低功率或中等功率放電)二次電池(較大功率放電)激活電池(導(dǎo)彈、魚雷等武器以及心臟起搏器等)燃料電池(長時間連續(xù)工作的場合，如飛船、航天器等)To be continued伽伐尼（L.Galvani,1737-1798）電流的發(fā)現(xiàn)18世紀(jì)末，意大利的醫(yī)學(xué)家伽伐尼在偶然的情況下，以銅制的解剖刀碰觸到置于鐵盤內(nèi)的青蛙，發(fā)現(xiàn)其立刻產(chǎn)生抽搐現(xiàn)象，因而認(rèn)為有微電流流過，他發(fā)現(xiàn)了生物本身內(nèi)在的自發(fā)電流的現(xiàn)象。被認(rèn)為是提出了原電池的雛形。從而開啟了19世紀(jì)電流生理學(xué)的發(fā)展，今天醫(yī)學(xué)上的電療法、心電圖等研究，都發(fā)源于此。為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn)，在英文里把檢流計稱為galvan

16、ometer，金屬鍍鋅（電鍍）的程序稱為galvanizingReturn伏特（A.Volta,1745-1827）伏特電堆1799年，意大利物理學(xué)家伏特（Alessandro Volta）把一塊鋅板和一塊銀板浸在鹽水里，發(fā)現(xiàn)連接兩塊金屬的導(dǎo)線中有電流通過。于是，他把許多鋅片與銀片之間墊上浸透鹽水的絨布或紙片，平疊起來。用手觸摸兩端時，會感到強(qiáng)烈的電流刺激。伏特用這種方法成功制成了世界上第一個電池“伏特電堆”。這個“伏特電堆”實(shí)際上就是串聯(lián)的電池組。為紀(jì)念他的偉大成就，科學(xué)界將他的姓簡化成Volt（伏特），作為電壓單位的命名。Return法拉第（ M.Faraday l791-1867）法拉第電解定律法拉第電解定律，分為兩個子定律，即法拉第第一定律和法拉第第二定律。(1)法拉第第一定律 電解過程中，陰極上還原物質(zhì)析出的量與所通過的電流強(qiáng)度和通電時間成正比。當(dāng)我們討論的是金屬的電沉積時，用公式可以表示為：M=KQ=KIt式中M一析出金屬的質(zhì)量；K比例常數(shù)；Q通過的電量；1電流強(qiáng)度；t通電時間。(2)法拉第第二定律 電解過程中，通過的電量相同，所析出或溶解出的不同物質(zhì)的物質(zhì)的量相同。也可以表述為：電解lmol的物質(zhì)，所需用的電量都是l個“法拉第”(F)，等于9