應(yīng)用化學(xué)引言和31概述

第三章化學(xué)電源2023/2/512023/2/522023/2/532023/2/54目前使用最多的二次能源為電能。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化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)際轉(zhuǎn)化率達(dá)70％以上。這種裝置現(xiàn)通稱為化學(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)電源因無傳動部件、無噪聲、對空氣無污染、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、計算機(jī)等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。2023/2/55一次電池（鋅錳干電池）2023/2/562023/2/57二次電池（鉛酸蓄電池）2023/2/58空氣電池2023/2/59太陽能電池2023/2/5102023/2/511鋰電池2023/2/5122023/2/5132023/2/514手機(jī)工作時所需能量是由電池提供的。2023/2/515它們工作時所需能量也是由電池提供的。2023/2/516手提電腦工作時所需能量是通常也由電池提供的。2023/2/517汽車是由蓄電池提供電力起動的。2023/2/518§3.1概述一.主要術(shù)語

1.幾個基本概念化學(xué)電源：又稱電池(battery),是將氧化-還原反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置.放電和充電：

電源對外供電過程稱為放電過程，反之則稱為充電過程。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2023/2/519下一頁最后頁上一頁第一頁2.化學(xué)電源的類型①一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②二次電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2023/2/520③儲備電池(storagebattery)在儲存器內(nèi)電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)不接觸，能儲存幾十年。④燃料電池(fuelcell）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。2023/2/521

3.化學(xué)電源的組成:

電極：有活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料及添加劑組成。電解液：保證正負(fù)極之間離子導(dǎo)電作用隔膜：有稱隔離物，防止正負(fù)極短路，但允許離子順利通過。外殼：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，抗沖擊強(qiáng)度。2023/2/522二、化學(xué)電池的主要性能

1.化學(xué)電源的電動勢和開路電壓電動勢E：

又稱理論電壓，是指沒有電流流過外電路時電池正負(fù)兩極之間的電極電勢差。測定：對消法計算：ΔG=-nFE開路電壓OCV：

是無負(fù)荷情況下的電池電壓，，實(shí)際測量的數(shù)值，一般OCV≤E，只有可逆電池的OCV＝E。2023/2/523

2.工作電壓和電池的內(nèi)阻工作電壓(V)：是指電池有電流流過時的端電壓。V＜OCV，因?yàn)橛衖通過電池時，會產(chǎn)生電化學(xué)極化、濃差極化、和歐姆極化等。

放電時：V放<E

充電時：V充>E

額定電壓：指電池工作時公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，例如鋅錳干電池1.2V。中點(diǎn)電壓：指電池放電期間的平均電壓。截止電壓：指電池放電終止時的電壓值（最低工作電壓）。2023/2/524電池的內(nèi)阻：全內(nèi)阻由歐姆電阻（電池本身的電阻）和極化電阻組成歐姆電阻是電池本身的電阻，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，歐姆電阻越?。簩τ谕活愊嗤Y(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。極化電阻則是指電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時由于電極極化所導(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)．計算公式：R=(E-V)/I

2023/2/5253.電流和反應(yīng)速率電流(i)

電池放電(或充電)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。

4.電池的容量及影響因素（1）電池容量C：

指在一定放電條件下，電池放電到終止電壓時所能提供的電量，單位為庫侖（C）或安時（A·h）理論容量：C理論2023/2/52696500庫侖（c）=26.8安時（A˙h）

實(shí)際電池容量與放電方式有關(guān)，可通過下式計算：

恒電流（恒流）放電：

C=∫t0i(t)dt=it

變電流放電：

C=∫t0i(t)dt

恒電阻（恒阻）放電：

C=∫t0i(t)dt=1/R∫t0V(t)dt2023/2/527（2）放電曲線：

圖3.1（a）：三種不同模式下放電電流隨時間變化的關(guān)系。圖3.1（b）：三種不同模式下電池放電電壓對放電時間關(guān)系曲線。圖3.1(c).(d):假定相同平均放電電流下三種模式放電時的電流或電壓與放電時間的關(guān)系。一般來說，放電曲線愈平坦愈好。2023/2/528恒功率恒電流恒電阻放電電流放電時間(a)電池電壓恒電阻放電時間恒功率恒電流(b)放電電流恒電阻(c)恒功率放電時間恒電流電池電壓(d)恒功率放電時間恒電流恒電阻2023/2/529這些條件下，電池使用時間大致相同，但恒電阻模式下的電壓調(diào)節(jié)最好，然而，恒功率模式（電池保持恒定的輸出功率I*V）在電池整個壽命期間具有向負(fù)載提供是均勻功率的優(yōu)點(diǎn)，從而是電池的能量得到最有效的利用。（3）活性物質(zhì)利用率η：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2023/2/530（4）比容量：（5）額定容量：

指單位質(zhì)量或單位體積電池所輸出的電量，分別以A·h·kg-1和A·h·L-1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)計和生產(chǎn)電池時，規(guī)定或保證在指定的放電條件下電池應(yīng)該放出的最低限度的電量。2023/2/531（6）影響電池容量的因素

電池容量的大小是評價電池性能的重要指標(biāo)，而電池容量可通過放電時的放電曲線測定

電池的實(shí)際容量與放電條件密切相關(guān)。電池的放電條件：

放電電流，放電深度，放電形式，放電期間電池的溫度等。2023/2/532

①放電電流：

其大小常用放電倍率表示，即對于一個具有額定容量C的電池，按規(guī)定的小時數(shù)放電的電流。放電電流的大小對電池容量有較大的影響，由于歐姆內(nèi)阻和有電流通過時極化內(nèi)阻的存在，電池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。

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②放電深度DOD: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DOD為額定容量的20%~40%,愈深，實(shí)際電池容量愈大。

③放電形式：連續(xù)放電、間歇放電。間歇放電連續(xù)放電電壓時間④放電溫度：

20～40oC之間放電時，性能較好。2023/2/534

5.比能量和比功率電池的能量電池所能作出的電功，它等于放電容量和電池平均工作電壓的乘積，常用單位為瓦·時（w·h）或J焦耳

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。分別以w·h·kg-1和w·h·L-1表示。電池的功率電池在單位時間內(nèi)所輸出的能量。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。2023/2/5356.電池的壽命

①使用壽命指在一定條件下，電池工作到不能使用的工作時間。

②循環(huán)壽命指在二次電池報廢之前，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，電池的可逆性能就越好。

④貯存壽命指電池性能或電池容量降低到額定指標(biāo)以下時的貯存時間。2023/2/5367.自放電(self-discharge)(1)定義：指由一些電池中一些自發(fā)過程的進(jìn)行而引起電池容量的損失。應(yīng)盡量避免。

(2)引發(fā)電池自放電的原因：

①不期望的副反應(yīng)的發(fā)生

②電池內(nèi)部變化而導(dǎo)致的接觸問題

③活性物質(zhì)的再結(jié)晶

④電池的負(fù)極

⑤無外接負(fù)載時在電解質(zhì)橋上的放電等2023/2/537

8.過充電

如果充電時間太長，電池可能會過充電，此時會出現(xiàn)新的電極反應(yīng)，如水的電解，從而影響電池的循環(huán)壽命。

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