各類電池的電極反應(yīng)、優(yōu)缺點(diǎn)、自放電、解決方法及密封措施

------------------------------------------------------------------------各類電池的電極反應(yīng)、優(yōu)缺點(diǎn)、自放電、解決方法及密封措施1、化學(xué)電源的分類（1）按工作性質(zhì)分:1.原電池，又稱一次電池:例如:Zn一MnO2，Zn一HgO，Zn一AgO，鋰電池等。2.蓄電池，又稱二次電池:例如:Pb一PbO2，Cd—NiOOH等。3.貯備電池，又稱激活式電池:Mg—ClAg，Zn—AgO。4.燃料電池，又稱連續(xù)電池:H2-O2燃料電池。（2）按電解質(zhì)的性質(zhì)分:1.電解質(zhì)為堿性水溶液一堿性電池(例:Cd—NiOOH)2.電解質(zhì)為中性水溶液一中性電池(例:Zn一MnO2)3.電解質(zhì)為酸性水溶液一酸性電池(例:鉛酸電池)4.電解質(zhì)為有機(jī)電解質(zhì)溶液一有機(jī)電解質(zhì)電池(例:鋰離子電池)5.電解質(zhì)為固體電解質(zhì)一固體電解質(zhì)電池(例:鋰碘電池)（3）按正負(fù)極活性物質(zhì)的材料分:Zn一MnO2系列電池、Zn一AgO系列電池、Cd—NiOOH電池、鉛酸電池、氫鎳電池、鋰離子電池、海水電池、溴一鋅蓄電池等等。（4）活性物質(zhì)的保存方式分:1.活性物質(zhì)保存在電極上:通常的一次、二次電池。2.活性物質(zhì)從外邊連續(xù)供給電極:燃料電池。2、電池自放電（1）發(fā)生自放電的原因:從熱力學(xué)上看，產(chǎn)生自放電的根本原因是由于電極活性物質(zhì)在電解液中不穩(wěn)定引起的。因大多數(shù)的負(fù)極活性物質(zhì)是活潑的金屬，它在水溶液中的還原電位比氧負(fù)極要負(fù)，因而會(huì)形成金屬的自溶解和氫析出的共扼反應(yīng)，使負(fù)極活性物質(zhì)不斷被消耗。正極活性物質(zhì)同樣也會(huì)與電解液或電極中的雜質(zhì)發(fā)生作用被還原而產(chǎn)生自放電。其他原因:1.正負(fù)極之間的微短路或正極活性物質(zhì)溶解轉(zhuǎn)移到負(fù)極上必須采用良好的隔膜來解決。2.電池密封不嚴(yán)，進(jìn)入水分、空氣等物質(zhì)造成自放電。（2）克服自放電的方法:采用高純的原材料、在負(fù)極材料中加入氫過電位高的金屬(Hg，Cd，Pb)、在電極或溶液中加入緩蝕劑來抑制氫的析出。鋅—二氧化錳電池一、鋅負(fù)極的自放電:鋅電極產(chǎn)生自放電的原因：1.氫離子的陰極還原所引起的鋅的自放電（主因）2.氧的陰極還原所引起的鋅電極的自放電3.電解液中的雜質(zhì)所引起的鋅電極的自放電影響鋅電極自放電的因素1.鋅的純度及表面均勻性的影響。2.溶液pH值的影響。3.電液中NH4Cl、ZnCl2濃度的影響。4.溫度的影響。二、降低鋅負(fù)極自放電的措施：1.加添加劑，在金屬鋅中加入添加劑、在電解液中加入緩蝕劑。2.保證原材料的質(zhì)量達(dá)到要求。3.對(duì)電解液進(jìn)行凈化。4.貯存電池的溫度低于25℃。5.電池要嚴(yán)格密均。Cd/Ni00H電池因?yàn)樨?fù)極鎘在電解液中的平衡電極電勢(shì)比氫的正，不易構(gòu)成自發(fā)腐蝕電池，而且氫在鎘上的析出過電位很大，所以鎘鎳電池自放電小。氫鎳電池一、影響鎳氫電池自放電的因素:

(1)成分自分解(構(gòu)成正極的氫氧化鎳的熱、動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性),正極成分分解產(chǎn)生的氧可能到達(dá)負(fù)極,造成正負(fù)極活性物質(zhì)的損失,相應(yīng)的容量也會(huì)降低。(2)儲(chǔ)氫合金負(fù)極上產(chǎn)生的氫到達(dá)正極,與正極反應(yīng)造成活性物質(zhì)損失,相應(yīng)的容量降低。(3)由于正極上雜質(zhì)氮化物的存在,引起亞硝酸鹽和氨之間的氧化還原穿梭反應(yīng)的進(jìn)行,使得正極退化,容量降低。(4)負(fù)極表面由于氧化造成的負(fù)極退化,從而負(fù)極容量損失(5)鎳氫電池內(nèi)壓的形成和電解液泄漏。二、降低氫鎳電池自放電的措施：1、改變電極組分和合金成分的作用;2、采用正極添加材料，添加Co、Mn類化合物等。3、對(duì)隔膜進(jìn)行改性，使用具有OH-交換功能的聚合物薄膜改善電池的自放電和循環(huán)壽命性能。4、存放環(huán)境應(yīng)干凈整潔,以防灰塵中含有導(dǎo)體物質(zhì)而使電自放電加快。5、電池應(yīng)帶電儲(chǔ)存，其儲(chǔ)存溫度以20±5℃為宜。鉛酸蓄電池的自放電負(fù)極產(chǎn)生的自放電由于負(fù)極活性物質(zhì)鉛為活潑的金屬粉末電極，在硫酸溶液中，電極電位比氫負(fù)，可以發(fā)生置換氫氣的反應(yīng)。

影響鉛自溶速度有以下幾方面：（1）鉛自溶速度隨硫酸濃度及電解液溫度的增加而增長(zhǎng)。（2）負(fù)極表面雜質(zhì)的影響，負(fù)極表面有各種金屬雜質(zhì)存在，當(dāng)雜質(zhì)的氫超電勢(shì)值低時(shí)，就能與負(fù)極活性物質(zhì)形成腐蝕微電池，從而加速了鉛的自溶速度。例如銻、鐵、銀等金屬存在時(shí)。（3）正極PbO2反應(yīng)析出的氧氣很容易在負(fù)極被還原吸收，從而促使負(fù)極鉛自溶。（4）隔板、電解液中含有的金屬雜質(zhì)與負(fù)極活性物質(zhì)產(chǎn)生的微電池促使負(fù)極鉛自溶。正極產(chǎn)生的自放電（1）正極板柵中金屬銻、金屬鉛及金屬銀等的氧化。（2）極板孔隙深處和極板外表面硫酸濃度之差所產(chǎn)生的濃差電池引起自放電，這種自放電隨著充電后的擱置時(shí)間而逐漸減小。3）負(fù)極產(chǎn)生氫氣的影響4）隔板電解液中雜質(zhì)影響，若在隔板或電解液中存在易被氧化的雜質(zhì)，會(huì)引起正極活性物質(zhì)的還原而產(chǎn)生自放電。（5）正極活性物質(zhì)中鐵離子的影響。鋰離子電池自放電自放電的原因：

1.造成可逆容量損失的原因：可逆容量損失的原因是發(fā)生了可逆放電反應(yīng)，原理跟電池正常放電反應(yīng)一致。不同點(diǎn)是正常放電電子路徑為外電路、反應(yīng)速度很快；自放電的電子路徑是電解液、反應(yīng)速度很慢。2.造成不可逆容量損失的原因：A:正極與電解液發(fā)生的不可逆反應(yīng)（相對(duì)主要發(fā)生于錳酸鋰、鎳酸鋰這兩種易發(fā)生結(jié)構(gòu)缺陷的材料）。B:負(fù)極材料與電解液發(fā)生的不可逆反應(yīng)（化成時(shí)形成的SEI膜就是為了保護(hù)負(fù)極不受電解液的腐蝕。）C:電解液自身所帶雜質(zhì)引起的不可逆反應(yīng)，消耗了電解液中的鋰離子，進(jìn)而損失了電池容量。D:制成時(shí)雜質(zhì)造成的微短路所引起的不可逆反應(yīng)?？諝庵械姆蹓m或者制成時(shí)極片、隔膜沾上的金屬粉末都會(huì)造成內(nèi)部微短路。如何實(shí)現(xiàn)電池的密封？實(shí)現(xiàn)電池密封必須解決三個(gè)問題:1、負(fù)極在電解液中穩(wěn)定，不會(huì)自動(dòng)溶解而析出氫氣;負(fù)極物質(zhì)過量，使正極在充電完全而產(chǎn)生氧氣時(shí)，負(fù)極上仍有未充電的活性物質(zhì)存在，保證負(fù)極上不會(huì)由于過充電而析生氫氣；正極上產(chǎn)生的氧氣易于在負(fù)極上還原即負(fù)極活性物質(zhì)可以吸收正極上生成的氧氣。2、有一定的氣室，便于氧氣遷移。3、采用合適的隔膜，便于氧氣通過，促進(jìn)氧氣快速向負(fù)極擴(kuò)散。Cd/Ni00H電池的密封措施：1、負(fù)極的容量大于正極容量，當(dāng)正極發(fā)生過充電時(shí)，負(fù)極上還有過量的Cd(OH)2仍可進(jìn)行還原，因而不會(huì)發(fā)生析氫過程。而正極充電和過充時(shí)產(chǎn)生的O2可以與負(fù)極還原成的Cd發(fā)生反應(yīng)而消除，構(gòu)成鎘氧循環(huán)。2、控制電解液用量。3、采用多孔薄型鎳電極和福電極，極間距減小，有利于氧氣向負(fù)極擴(kuò)散以及氧氣的吸收。4、采用微孔隔膜。5.在氧化鎳電極中加入反極物質(zhì)Cd(OH)2。一旦電池過放電時(shí)，正極中的Cd(OH)2(反極物質(zhì))可進(jìn)行陰極還原，因此防止了正極上析氫。若負(fù)極也過放產(chǎn)生氧氣則又可被正極中反極物質(zhì)生成的鎘所吸收，構(gòu)成鎘氧循環(huán)。6、使用密封安全閥7、正確使用和維護(hù)電池，嚴(yán)格控制電池的充放電制度和對(duì)工作溫度的控制。鉛酸蓄電池密封措施：鉛酸蓄電池采用負(fù)極活性物質(zhì)過量設(shè)計(jì)，正極在充電后期產(chǎn)生的氧氣擴(kuò)散到負(fù)極，與負(fù)極海綿狀鉛發(fā)生反應(yīng)變成水，使負(fù)極處于去極化狀態(tài)或充電不足狀態(tài)，達(dá)不到析氫過電位，所以負(fù)極不會(huì)由于充電而析出氫氣，電池失水量很小，故使用期間不需加酸加水維護(hù)。氧循環(huán)如下：正極：PbSO4+H2O——PbO2+O2-----擴(kuò)散負(fù)極:PbSO4----------PbO2H2O---------H2SO4+PbO負(fù)極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時(shí)，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產(chǎn)生的O2反應(yīng)而被氧化成PbO，另一方面是極板中的硫酸鉛又要

接受外電路傳輸來的電子進(jìn)行還原反應(yīng)，由硫酸鉛反應(yīng)成海綿狀鉛。金屬氫化物鎳電池密封措施：電池設(shè)計(jì)和鎘鎳電池基本相同，負(fù)極容量比正極容量大，過充電時(shí)，正極產(chǎn)生的氧氣在貯氫合金負(fù)極上還原，過放電時(shí)，在鎳電極析出的氫氣則可被氫化物電極吸收，電池可實(shí)現(xiàn)密封設(shè)計(jì)。過充電時(shí)：正極：4OH------2H2O+O2+4e氧循環(huán)負(fù)極：2H2O+O2+4e-----4OH-過放電時(shí)：正極：2H2O+2e----2OH-+H2氫循環(huán)負(fù)極：2OH-+H2----2H2O+2e如何提高活性物質(zhì)的利用率？影響活性物質(zhì)的利用率主要有以下幾點(diǎn)：⑴活性物質(zhì)的活性，活性大小與其晶型結(jié)構(gòu)、制造方法、含雜多少以及表面的狀態(tài)有密切的關(guān)系，活性高的其利用率也高。有時(shí)活性物質(zhì)吸附一些有害雜質(zhì)也會(huì)使活性降低，造成電池容量下降。⑵電極和電池的結(jié)構(gòu)，電極的結(jié)構(gòu)包括電極的成型方法、極片的孔徑、孔率、厚度，極片的真實(shí)表面積的大小等。在活性物質(zhì)相同的條件下，極片越薄，其活性物質(zhì)的利用率越高；電極的孔徑大一些孔率高一些，有利于電解液的擴(kuò)散，但是孔徑過大、孔率過高，電子導(dǎo)電的電阻增大，因此孔徑和孔率要適當(dāng)，利用率才會(huì)較高；極片的真實(shí)表面積越大，活性物質(zhì)的利用率也越高。⑶電解液的數(shù)量、濃度和純度。電解液的濃度要保證其有較高的導(dǎo)電率；電解液的純度越高，活性物質(zhì)的利用率也越高。另外，影響活性物質(zhì)利用率的外在因素則是放電制度，I放越大，利用率越??；T放越高，利用率越大；V終越高，利用率越小。電極反應(yīng)堿性鋅—二氧化錳電池正極：2MnO2+2H2O+2e-----2MnOOH+2OH-負(fù)極：Zn+2OH--2e----Zn(OH)2==ZnO+H2O總反應(yīng)：Zn+2MnO2+2H2O---2MnOOH+Zn(OH)2鉛酸蓄電池正極：PbO2+3H++HSO4-+2e----PbSO4+2H2O負(fù)極：Pb---Pb2++2ePb2++HSO4-----PbSO4+H+總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4-----2PbSO4+2H2OCd/Ni00H電池負(fù)極：Cd+2OH-----Cd(OH)2+2e正極：2NiOOH+2H2O+2e----2Ni(OH)2+2OH-總反應(yīng)：Cd+2NiOOH+2H2O----2Ni(OH)2+Cd(OH)2高壓鎳氫電池負(fù)極：1/2H2+OH------H2O+e正極：NiOOH+H2O+e----Ni(OH)2+OH-總反應(yīng)：NiOOH+1/2H2-----Ni(OH)2低壓鎳氫電池（金屬氫化物鎳電池）負(fù)極：MH+OH------M+H2O+e正極：NiOOH+H2O+e------Ni(OH)2+OH-總反應(yīng)：NiOOH+MH-----Ni(OH)2+M鋅---氧化銀電池Zn+2AgO+H2O-----Zn(OH)2+Ag2OZn+Ag2O+H2O----Zn(OH)2+2Ag鋰離子電池正極：LiCoO2----Li1-xCoO2+xLi++xe負(fù)極：6C+xLi++xe-----LixC6總反應(yīng)：6C+LiCoO2-----LixC6+Li1-xCoO2堿性鋅錳電池特點(diǎn)1.放電性能好:容量高，可大電流連放，放電曲線平穩(wěn)。2.低溫性能好:可以在-40℃的溫度下工作。性能：1、堿錳電池的開路電壓約為1.55v，工作電壓約為1.25v。2、電池內(nèi)阻小，在快速放電時(shí)能提供足夠的容量，而且在低溫(一20℃)下，其放電容量相當(dāng)于干電池室溫下的數(shù)量。3、放電曲線相當(dāng)平坦，放電到終止電壓(0.9v)時(shí)，放電量明顯高于其他鋅錳電池。鉛酸蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1.原料易得，價(jià)格相對(duì)低廉;2.高倍率放電性能良好;3.溫度性能良好，可在-40~+60℃的環(huán)境下工作4.適合于浮充電使用，使用壽命長(zhǎng)，無記憶效應(yīng);5.廢舊電池容易回收，有利于保護(hù)環(huán)境。缺點(diǎn):1.比能量低，一般為30一40Wh/kg;2.使用壽命不及Cd/Ni電池3制造過程容易污染環(huán)境，必須配備三廢處理設(shè)備。Cd/Ni00H電池的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):使用壽命長(zhǎng)，蓄電池自放電小，使用溫度范圍廣，耐過充過放，放電電壓平穩(wěn)，機(jī)械性能好。缺點(diǎn):活性物質(zhì)利用率低，成本較高，負(fù)極鎘有毒，電池長(zhǎng)期淺充放循環(huán)時(shí)有記憶效應(yīng)。高壓氫鎳電池優(yōu)點(diǎn):較高的比能量，循環(huán)壽命長(zhǎng)，耐過充、過放，能力強(qiáng)，以及可.以通過氫壓來指示電池荷電狀態(tài)。缺點(diǎn):成本高，密封難，自放電大，安全性低.低壓氫鎳電池(金屬氫化物鎳電池)1、耐過充過放能力強(qiáng)2、容量和比能量提高1.5一2倍;電池壽命相當(dāng).3、自放電較大，環(huán)境污染小，無記憶效應(yīng)。鋅一氧化銀電池優(yōu)點(diǎn):(1具有很高的比能量(2)很高的放電速率(3)平穩(wěn)的放電電壓(4)較小的自放電速率.缺點(diǎn):(1)成本很高(2)壽命較短(3)高低溫性能較差鋰電池優(yōu)點(diǎn):①比能量高，放電電壓高(3.0v}②工作電壓平穩(wěn)③使用溫度范圍寬(-40℃一+50℃)④體積小、重量輕⑤濕儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)⑥資源豐富，性價(jià)比高缺點(diǎn):①安全性·某些鋰非水溶液電池，如Li/SO2等電池，在重負(fù)荷放電，特別是當(dāng)外部短路時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。②成本高。鋰電池在制作過程中要避免與水接觸。所用有機(jī)溶劑和無機(jī)鹽均需徹底除去水份，這就提高了成本，另外，有些正極活性物質(zhì)的成本也較高。③比功率低。有些鋰電池(如有機(jī)電解液的鋰電池)由于有機(jī)電解液的比電導(dǎo)較小，放電