化学电源概述省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

<p>电化学工业化学电源电镀（表面工程）腐蚀与防护电解加工（精炼与提纯、切削与抛光）电化学合成电化学传感器第2页31.化学电源主要意义化学电源主要意义化学电源电池 electrochemical power source battery/cell能源技术与工业在当代社会中地位：能源危机能源化学工程新专业能源使用：在线、离网 油气煤：储运方便、效率低、污染大 电：清洁、缺乏有效储电伎俩(电池、抽水电站、压缩空气等)太阳能、风能等新能源技术发展需要当代电子设备：功效多,小巧便携,自动化程度高 设备大脑：芯片，设备心脏：电池第3页4国家项目与政策支持：973项目：国家重大基础研究，电池方向至共8项年：高比能直接甲醇燃料电池关键纳米材料与纳米结构研究碳基燃料固体氧化物燃料电池体系基础研究基于贵金属替换新型动力燃料电池关键技术和理论基础研究纳米结构材料在先进能源器件应用中表界面研究另外太阳能电池方向约有6项第4页5国家项目与政策支持：国家863项目：节能与新能源汽车重大专题，十一五经费达12亿元，十二五一期经费为7.38亿元，其中1/3用于电池十城千辆：首批13城市，总共25城市，电动车规模试验节能减排：电池是高效绿色能源十二五期间国家优先发展七大战略新兴产业：节能环境保护、新能源、新一代信息技术、生物、高端装备制造业、新材料、新能源汽车名词：“充电”第5页62.生活中电池品种第6页72.生活中电池品种锌锰电池（Zn-MnO2）镉镍电池（Cd-NiOOH）铅酸电池（Pb-acid）金属氢化物-镍电池(MH-NiOOH)氢镍电池（H2-NiOOH）锌镍电池（Zn-NiOOH）锌氧化银电池锂电池锂离子电池金属-空气电池燃料电池 Fuel Cell海水电池：Mg(Al)-CuCl2电池电池(AgCl)第7页8其它电池Zn(Cd)-HgO电池：聚合物电池钠硫电池：1.782.08V。比能量高，300，电力调峰热电池：储存寿命长、激活时间短，400600oC锌溴电池液流电池：大规模储能其它新型电池第8页9废旧电池第9页103.化学电源定义化学电源化学电源：将化学反应产生能量直接直接转变为电能装置叫做化学电源（电池）Electrochemical power source,battery,cell手电筒中用干电池和汽车蓄电池是两种在外形上和使用上都不相同电池，可是它们都靠各自内部化学改变向外提供电能，所以我们称它为化学电源。研究化学电源工作原理和制造技术一门学科称为化学电源工艺学化学电源工艺学。第10页11物理电源通常把热能、光能、机械能、核能等转变成电能装置叫做物理电源(如发电机、太阳能电池、温差发电器、原子能电池、风能发电等)第11页12生物电池生物能生物燃料电池第12页134.化学电源特点化学电源特点1.既能释放能量，又能贮存能量 能量贮存器，能量转换器2.能量转换效率高，无噪音 二十一世纪全新高效、节能、环境友好发电方式之一3.电流、电压、容量和几何尺寸可调 扣式电池几个毫安时，潜艇电池288块大型铅酸电池，每只8000安时，重1吨。微型电池可制作在电路板上第13页144.便于携带，使用简便太阳能电池对使用环境也有要求：光线5.能经受各种环境考验(如冲击、震动、旋转)。导弹发射，车辆振动，耐高加速度、耐振动、耐旋转，真空环境中也可工作6.工作温度范围宽 -40607.维护方便第14页155.电池应用应用于国民经济各个部门海：潜艇、航标、鱼雷、轮船。陆：电信、电站、车辆起动与照明、家用电器、玩具、应急灯、收录音机、计算器、手机、UPS、新能源储能。空：飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、制导武器、智能武器地下：矿灯、地下应急设施第15页课程基本信息课程类型课程类型：专业关键课、专业关键课、学科拓展课程学科拓展课程 适用学科专业适用学科专业：新能源材料与器件新能源材料与器件先修课程：先修课程：普通化学普通化学课时数课时数 ：56（讲课（讲课46+试验试验10）学分数：学分数：3.5考评方式：考评方式：试验试验 20%+作业作业 10%+课程设计课程设计 10%+期末期末考评考评 60%数理化基础数理化基础化学电源基础化学电源基础新型电化学能源新型电化学能源器件器件（大二上学期）（大二上学期）16第16页教材及参考书教材及参考书教材教材化学电源化学电源程新群程新群 主编，主编，化学工业出版社，化学工业出版社，参考书参考书1、化学电源测试原理与技术杨军、化学电源测试原理与技术杨军,解晶莹解晶莹,王久林著，化学工业出版王久林著，化学工业出版社，社，2、锂离子电池原理与关键技术吴宇平，、锂离子电池原理与关键技术吴宇平，化学工业出版社，化学工业出版社，3、燃料电池基础、燃料电池基础Whitney Colella,等等,王晓红王晓红,黄宏黄宏 译，译，电子工业出版电子工业出版社，社，4、电化学电容器电化学电容器 袁国辉袁国辉 主编，主编，化学工业出版社，化学工业出版社，5、Electrochemical Methods:Fundamentals and Applications6、ATKINS PHYSICAL CHEMISTRY，Peter Atkins，Julio de Paula,W.H.Freeman and Company New York，.17第17页18参考期刊国内电池电源技术电池工业蓄电池电化学化学与物理电源系统化学类其它期刊国际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第18页化学电源基础化学电源基础内容内容体系体系电化学基电化学基本原理本原理一次电池一次电池锌锰干电锌锰干电池池锌锌-氧化银氧化银电池电池二次电池二次电池镍氢电池镍氢电池铅酸蓄电铅酸蓄电池池锂离子电锂离子电池池电化学电电化学电容器容器燃料电池燃料电池电池测试电池测试技术技术电极材料电极材料测试技术测试技术电池性能电池性能测试方法测试方法19第19页教学纲领（教学纲领（1 1）化学电源的发展和分类化学电源的发展和分类化学电源的工作原理与组成化学电源的工作原理与组成化学电源的电性能概述化学电源的电性能概述电极电势与电池电动势电极电势与电池电动势电极过程动力学电极过程动力学液相传质过程动力学液相传质过程动力学第一章：第一章：化学电源概论化学电源概论（2学时）学时）一次电池：锌一次电池：锌-二氧化锰、锌二氧化锰、锌-氧化银电池氧化银电池二次电池：二次电池：镉镍电池镉镍电池、镍氢电池、铅酸蓄电池、镍氢电池、铅酸蓄电池第二章：第二章：电化学理论基础电化学理论基础（8学时）学时）第三章：第三章：一次电池和二次一次电池和二次电池电池（6学时）学时）第四章：燃料电池第四章：燃料电池 （8学时）学时）20第20页教学纲领（教学纲领（2 2）锂离子电池工作原理和基本性能锂离子电池工作原理和基本性能锂离子电池正负极材料和电解质材料锂离子电池正负极材料和电解质材料锂离子电池制造工艺锂离子电池制造工艺电化学电容器工作原理和性能特性电化学电容器工作原理和性能特性电化学电容器电极材料和电解质材料电化学电容器电极材料和电解质材料电化学电容器电化学电容器制备技术及评价方法制备技术及评价方法第五章：第五章：锂离子电池锂离子电池 （8学时）学时）电极材料的电化学测试：循环伏安法、交电极材料的电化学测试：循环伏安法、交流阻抗法等流阻抗法等电池性能测试：充放电与容量、稳定性测电池性能测试：充放电与容量、稳定性测试试第六章：第六章：电化学电化学电容器电容器（6学时）学时）第七章：第七章：电极材料与电电极材料与电池性能测试池性能测试（6学时）学时）实验实验 （10学时）学时）21第21页22*22第一章第一章 化学电源概论化学电源概论第22页231.1 化学电源发展历史化学电源发展历史巴格达电池（前）1936年巴格达考古发觉向陶瓶内倒入一些酸或碱水，便能够发电，推测为电池在巴格达近郊，继发觉古电池之后，还陆续发觉许多电镀物品第23页241786年 伽伐尼现象“动物电”17371798意大利医生和动物学家第24页25伏打序列与伏打电堆意大利著名物理学家,174518271793年，提出“金属电”两种金属1796年，第一类导体与第二类导体1797年，依据各种金属接触试验结果，伏打列出了“锌铅锡铁铜银金”次序，这就是著名伏打序列。其中两种金属相接触时，位于序列前面都带负电、后面带正电。18，伏打电堆第25页26伏打电堆促进了电学发展：欧姆定律，电磁学，电动机，发电机18，利用电池电解水试验：氢气和氧气1834年，法拉第电解定律：电与化学反应定量关系1836年，丹尼尔电池第一个实用性电池第一个实用性电池第26页27200多年中，化学电源主要进展1859年法国科学家Plante创造了铅酸蓄电池(这是世界上第一个可充电池)1868年法国科学家勒克朗谢(Leclanche)研制成功锌锰干电池。1889年瑞典Junghet(雍格纳)：镉镍蓄电池19美国爱迪生：Fe-Ni蓄电池。第27页28发电机出现使得电池发展受到抑制，20世纪四十年代以后，化学电源工业得到快速发展。40年代，中性锌-空气电池、锌-银电池(法国安德烈)、锌-汞(美国茹滨)50年代：碱性锌锰电池60年代：燃料电池 阿波罗飞船70年代：各种锂电池80年代：氢镍蓄电池90年代：锂离子电池二十一世纪：新型绿色环境保护电池(金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、无汞碱性锌锰电池和可充碱锰电池、燃料电池、聚合物锂电池或锂离子蓄电池。第28页29电池发展推进力量：电池发展推进力量：1）电池发展和军事工业发展密不可分航天技术：Ni-Cd，Ni-H，燃料电池卫星火箭：锌银电池，航天部有两个厂：贵州，上海潜艇：铅酸电池，481，德国212潜艇：燃料电池地雷：感应式地雷，贮存寿命长单兵系统2）20世纪90年代发展主要是电子通讯工业推进：手机、通讯基站、MP3、MP4等3）电动汽车与新能源储能对电池是一个巨大推进。EV，HEV，863节能与新能源汽车重大专题，十城千辆工程，财政补助第29页304）新材料发展也促进了电池发展：MH，LiC6、SOFC中高温密封材料等5）资源6）环境用户对化学电源要求：高比能量，高可靠性，长寿命，无污染第30页31我国电池生产概况从1982年开始，我国超出美国成为世界第一民用电池生产大国我国电池产量年均增加10%，产值年均增加19%。据不完全统计,我国从事电池及其材料研制单位达数百家,生产电池及材料厂家多达余家,出版电池专业杂志或信息刊物也达十余家。第31页32，我国电池产量达360亿只，总产值超2000亿元。出口254亿只，88亿美元。中国电池产量已连续超出世界电池总产量1/3，成为世界电池主要生产地，是国外采购电池首选地。年电池总产量400多亿只，占全世界50%以上，出口300多亿只我国电池生产企业超出50%分布在江浙沪和广东沿海地域，配套完善。第32页33中国电池主要厂家比亚迪风帆光宇双登南都力神比克第33页34酸性电解液电池 acid battery碱性电解液电池 alkaline battery中性电解液电池neutral battery有机电解质溶液电池organic electrolyte battery固体电解质电池solid electrolyte battery熔融盐电解质电池melton electrolyte battery聚合物电解质电池polymer electrolyte battery1.2 电池分类（电解液类型）第34页35电池分类（电池形状）圆柱式电池 cylindrical/round battery扣式电池 button/coin battery方形电池 prismatic battery纸式电池 paper battery微电池 microbattery 微电池与微芯片、微电子机械系统集成设计。纸纸电电池池第35页40401.3 化学电源工作原理 化学电源是化学能直接转换成电能装置。化学电源是化学能直接转换成电能装置。第40页4141双电层双电层负极正极化学电源内部电势改变dischargeCharge第41页4242化学电源要实现将化学能直接转化为电能必须具备条件例1：浓硫酸稀释例2：酸碱中和例3：置换 例4：镁条燃烧(1)化学反应必须是氧化还原反应，而且氧化和还原过程必须分隔在两个空间进行例4：铁腐蚀(2)氧化还原反应发生时 电子必须经过外线路第42页4343几个概念：成流反应：Current Producing Reaction电池工作时，电极上发生产生电能电化学反应活性物质：Active Material/Mass电极上能够参加电化学反应、释放电能物质第43页4444几个概念：正极：Positive Electrode负极：Negative Electrode阴极：Cathode阳极：Anode电池电极 放电充电正极阴极阳极负极阳极阴极第44页45451.4 电池组成第45页4646电池组成正极负极隔 膜电解液（电解质）外壳电极离子导体，传递正负极间电荷预防正负极活性物质接触造成内部短路，对离子运动阻力小，电子绝缘体组成：第46页4747（1）电极）电极（electrode)电池关键电池关键 电电极极中中参参加加成成流流反应、产生电能物质。反应、产生电能物质。传传导导电电子子，使使电电流流分分布布均均匀匀；支支撑撑活活性性物物质。质。活性物质：活性物质：导电骨架导电骨架:第47页4848活性物质活性物质(active material/mass)对活性物质要求对活性物质要求:电化学活性高；电化学活性高；G0，i0大组成电池电动势高：组成电池电动势高：正极活性物质电势尽可能正正极活性物质电势尽可能正 负极活性物质电势尽可能负负极活性物质电势尽可能负质量比容量和体积比容量大质量比容量和体积比容量大 电化当量，密度电化当量，密度在电解液中化学稳定性好在电解液中化学稳定性好电子导电性好电子导电性好资源丰富，价格廉价资源丰富，价格廉价环境友好环境友好第48页4949惯用活性物质惯用活性物质活性物质存在形式：活性物质存在形式：普通为固体（普通为固体（Zn、PbO2等），也有气体（等），也有气体（H2、O2）、液体）、液体（SO2）或浆料（）或浆料（ZnO）惯用活性物质种类：惯用活性物质种类：正极活性物质：正极活性物质：普通为电极电势较高金属氧化物、氯化物、氟化物、硫化物等。普通为电极电势较高金属氧化物、氯化物、氟化物、硫化物等。如：如：MnO2,PbO2,O2,AgO,NiOOH负极活性物质：负极活性物质：普通为电位较低金属如：普通为电位较低金属如：Zn,Pb,H2,Li,Cd第49页5050集流体集流体/导电骨架导电骨架 current collector/conducting matrix对导电骨架要求对导电骨架要求:导电性好导电性好机械强度高机械强度高加工性好加工性好化学稳定性和电化学稳定性好化学稳定性和电化学稳定性好成本、资源、环境保护成本、资源、环境保护惯用导电骨架材料：Pb、Ni、钢、Al、Cu、Ag第50页5151（2）电解质）电解质(electrolyte)电解质作用电解质作用：正负极间传递电荷，溶液导电；正负极间传递电荷，溶液导电；正极：正极：2NiOOH+2H2NiOOH+2H2 2O+2eO+2e-Ni(OH)Ni(OH)2 2+2OH+2OH-负极：负极：Cd+2OHCd+2OH-Cd(OH)Cd(OH)2 2+2e+2e-参加电极反应。参加电极反应。正极：正极：PbOPbO2 2+3H+3H+HSO+HSO4 4-+2e+2e-PbSOPbSO4 4+2H+2H2 2O O负极：负极：Pb+HSOPb+HSO4 4-PbSOPbSO4 4+H H+2e+2e-反应需要大量电解液离子导电,可降低用量第51页5252电解质要求电解质要求：电导率高，溶液欧姆压降小；（对固体电解质，电导率高，溶液欧姆压降小；（对固体电解质，离子导电性好，电子绝缘；）离子导电性好，电子绝缘；）化学性质稳定，不与活性物质发生反应；化学性质稳定，不与活性物质发生反应；电化学稳定窗口范围宽；电化学稳定窗口范围宽；沸点高、冰点低，使用温度范围宽。沸点高、冰点低，使用温度范围宽。无毒无污染、成本无毒无污染、成本第52页5353电解质分类电解质分类按形态可分为按形态可分为液态、固态、胶态电解质液态、固态、胶态电解质。液体电解质可分为液体电解质可分为水溶液水溶液和和非水溶液非水溶液。液体电解质：液体电解质：溶质和溶剂溶质和溶剂。溶质作用为无机盐，在溶剂中电离出阴阳离子溶质作用为无机盐，在溶剂中电离出阴阳离子在正负极之间起传递电荷作用。在正负极之间起传递电荷作用。溶剂起到使溶质电离作用溶剂起到使溶质电离作用。第53页5454（3）隔离物）隔离物(separator)：隔膜、隔板：隔膜、隔板形状形状：薄膜、板材、棒材等薄膜、板材、棒材等作用作用：预防电池正负极接触，内部短路，同时吸蓄电解液。预防电池正负极接触，内部短路，同时吸蓄电解液。要求要求：孔径、孔隙率，孔隙均匀分布孔径、孔隙率，孔隙均匀分布电解质离子运动阻力小；电解质离子运动阻力小；电子良好绝缘体；电子良好绝缘体；良好机械强度和抗弯曲能力：良好机械强度和抗弯曲能力：抗拉、阻止电极上脱落活性物质抗拉、阻止电极上脱落活性物质微粒；阻止枝晶生长穿透；微粒；阻止枝晶生长穿透；化学稳定性好：耐电解液腐蚀，耐氧化、耐还原化学稳定性好：耐电解液腐蚀，耐氧化、耐还原胀缩率胀缩率资源、成本、环境保护资源、成本、环境保护第54页5555化学电源用隔膜化学电源用隔膜第55页5656（4）外壳）外壳(case/can/container)外壳：外壳：电池容器。电池容器。外壳要求：外壳要求：机械强度高机械强度高耐振动耐振动耐冲击耐冲击耐腐蚀耐腐蚀耐温差耐温差只有锌只有锌-锰干电池是锌电极兼作外壳。锰干电池是锌电极兼作外壳。第56页57571.5 化学电源电性能化学电源电性能 1.5.1电电池池电动势电动势 electromotive force电池在开路条件下，正、负两极间平衡电极电位之差a A+b B=e E+f F不一样体系电池含有不一样特征值不一样体系电池含有不一样特征值电电池池电电动动势势只只和和参参加加化化学学反反应应物物质质本本性性、电电池池反反应应条条件件(即即温温度度)及反应物与产物活度相关，而与电池几何结构、尺寸大小无关。及反应物与产物活度相关，而与电池几何结构、尺寸大小无关。G=-nFEEquilibrium Electrode Potential第57页5858吉布斯-亥姆霍兹方程式：电池电动势 与反应焓变关系：结合G=H-TS，G=-nFE，能够得到电动势温度系数：mV/等温条件下，可逆反应热效应为：温度系数：铅酸电池+0.3 mV/，镉镍电池-0.5 mV/第58页59591.5.2 电池开路电压 open circuit voltage电池开路电压是两极间所联接外线路处于开路时，两极间电极电势之差 假如电池正、负极都处于热力学平衡状态，那么开路电压就应等于电动势开路电压总小于电动势,锌-空气电池电动势1.646V，实际开路电压为1.4 1.5 V开路电压与电动势区分：平衡电极电势与外界没有电子交换；电极上氧化还应和还原反应是可逆，反应速率相等第59页60601.5.3标称电压标称电压nominal voltage用以表示或识别一个电池或一个电化学体系适当电压近似值。电池特征值,也叫额定电压第60页6161第61页62621.5.4电电池内阻池内阻(internal resistance)电池内阻电池内阻R内内又称全内阻，是指电流流过又称全内阻，是指电流流过电池时所受到阻力电池时所受到阻力 欧姆内阻欧姆内阻(ohmic resistance)(ohmic resistance)极化电阻极化电阻(polarization resistance)(polarization resistance)R内=R+Rf第62页6363电电池欧姆内阻池欧姆内阻(ohmic resistanceohmic resistance)欧欧姆姆电电阻阻包包含含电电极极本本身身电电阻阻，电电解解质质溶溶液液电电阻阻和和隔膜电阻隔膜电阻(离子经过隔膜微孔时受到阻力离子经过隔膜微孔时受到阻力)欧欧姆姆电电阻阻造造成成电电压压损损失失与与经经过过电电池池电电流流强强度度成成正正比，符合欧姆定律关系比，符合欧姆定律关系第63页64欧姆内阻影响原因：欧姆内阻影响原因：物质特征物质特征:颗粒大小、形状、晶型颗粒大小、形状、晶型 电极物料组成电极物料组成：导电剂、添加剂、粘接剂：导电剂、添加剂、粘接剂电极结构电极结构：尺寸、基体、活性物质与电极结合：尺寸、基体、活性物质与电极结合电解液电解液：种类、浓度：种类、浓度隔膜隔膜：种类、孔率、孔径：种类、孔率、孔径电池结构电池结构：卷绕、叠片，正负极间距离、电池尺寸：卷绕、叠片，正负极间距离、电池尺寸制造工艺制造工艺：荷电状态荷电状态：温度温度：64第64页6565极化电阻：polarization resistance电化学反应中电极极化所相当电阻，电化学反应中电极极化所相当电阻，包含电化学极化和浓差极化所引发电阻。一个电极极化电阻随经过该电极电流密度增加而增加，并不恪守欧姆定律。极化内阻不是常数，既随放电时间改变而改变，也随放电制度改变而改变。在一样电流密度下，不一样电极极化值能够有很大差异，这取决于电极特征、电极结构，而且与温度，电解液温度、电极结构等各种原因相关。第65页6666电池内阻测量方法电池内阻测量方法锌锰电池内阻表示方法：锌锰电池内阻表示方法：短路电流法短路电流法short circuit currentshort circuit current国家标准中要求电池内阻测量方法国家标准中要求电池内阻测量方法1.1.交交流流法法：对电池施加频率为1.0kHZ0.1kHz交流电流Ia时间1s5s，测量此时间内交流电压Ua，则Rac=Ua/Ia2.2.直直流流法法：电电池池以以电电流流I I1 1恒恒流流放放电电，测测量量放放电电至至10s10s末末时时负负载载电电压压U U1 1。然然后后马马上上将将放放电电电电流流增增加加电电流流I I2 2，测测量量和和统统计计放放电电至至3s3s末末时时负负载载电压电压U U2 2。电池直流内阻。电池直流内阻RdcRdc按下式计算：按下式计算：R Rdcdc=(U=(U1 1-U-U2 2)/(I)/(I2 2-I-I1 1)欧欧姆姆内内阻阻测测量量惯惯用用交交流流法法：交交流流阻阻抗抗方方法法、方方波波电电流流方方法法第66页67671.5.5 电电池工作池工作电压电压(working/operating/on-load/discharge voltage)电电池池工工作作电电压压又又称称负负载载电电压压、放放电电电电压压。是是指指有有电电流流流过外电路时，电池两极之间电势差流过外电路时，电池两极之间电势差。V=E-IR内=E(R+Rf)放电电压随时间改变：放电曲线discharge curve第67页6868放电制度：（1）放电方式）放电方式恒电阻放电恒电阻放电 (constant load/resistance)恒电流放电恒电流放电 (constant current)恒功率放电恒功率放电 (constant power)第68页69*69（2）放电电流放电率，放电速率放电电流：A时率(Hourly Rate)：t以一定放电电流，放完额定容量所需小时(t)，t=C/I是以放电时间长短，来表示电池放电速度。放电时率越大，放电电流越小倍率(C rate)：x指电池放电电流数值为额定容量数值倍数。xC放电倍率越大，放电电流越大时率与倍率关系：x=1/t假如电池容量为3Ah，实际放电电流为6A，则用时率形式和用倍率形式怎样表示？第69页7070不一样放电体系，放电性能有很大差异,高倍率电池Zn/AgO,低倍率电池锌锰干电池同一电池体系，不一样电极和电池结构，适用不一样倍率区分标准：低倍率放电：I0.5C中倍率放电:0.5CI3.5C高倍率放电:3.5CI7C量纲性错误量纲性错误C是容量，单位是容量，单位Ah I 是电流，单位是电流，单位A It=C/1 I=nIt第70页7171电压下降到不宜再继续放电最低工作电压称为终止电压。要求值：考虑电池充分利用，考虑用电设备需求，而且依据放电温度、放电电流而改变(3)终止电压end-of-discharge voltage;final voltage;cut-off voltage;end-point voltage第71页7272（4）放电温度温度越低，工作电压下降越快，原因：温度越低，离子运动速度越慢，欧姆电阻增加，同时温度降低，电化学极化和浓差极化也将增大，所以放电曲线下降改变较快第72页73731.5.6电电池容量池容量capacity与比容量与比容量specific capacity 电池容量是指在一定放电条件下能够从电池电池容量是指在一定放电条件下能够从电池取得电量取得电量,单位惯用安培小时单位惯用安培小时(Ah)表示。表示。必须指明放电制度：必须指明放电制度：电流电流、终止电压、温度、终止电压、温度1A1Ah=1000mAh=1000mAh=3600Ah=3600As=3600s=3600库仑库仑 理论容量理论容量 实际容量实际容量 额定容量额定容量第73页7474理论容量理论容量(C0)：theoretical capacity第74页7575电化当量电化当量 electrochemical equivalent电极理论容量与活性物质质量和电化当量相关。电极理论容量与活性物质质量和电化当量相关。理论容量大小与活性物质质量成正比，与该物质电化当量成反比。惯用电池物质电化当量：惯用电池物质电化当量：Pb3.87，Li0.259,Cd2.10,Zn1.22，PbO24.45,MnO23.22,NiOOH3.42,K=(g/Ah)每放出每放出1 Ah 电量所需要活性物质质量电量所需要活性物质质量第75页7676实际容量实际容量(C实实)Measured capacity电池实际容量是指在电池实际容量是指在一定放电制度一定放电制度下，电池实际输下，电池实际输出电量出电量 恒电流放电时恒电流放电时 C实实=I t 恒电阻放电时恒电阻放电时=C实实=恒功率放电时恒功率放电时第76页7777活性物质利用率活性物质利用率 utilization(ratio/rate/percent)利用率计算方法利用率计算方法m 活性物质实际质量活性物质实际质量,gm0按按电电池池实实际际容容量量依依据据法法拉拉第第定定律律计计算出物质量算出物质量,gC实实 活性物质实际容量活性物质实际容量,mAh/gC0 按按电电池池实实际际容容量量依依据据法法拉拉第第定定律律计计算出容量算出容量,mAh/g第77页7878活性物质利用率影响原因物质形态物质形态:颗粒大小、形状、晶型颗粒大小、形状、晶型 电极物料组成电极物料组成：导电剂、添加剂、粘接剂：导电剂、添加剂、粘接剂电极结构电极结构：尺寸、基体、活性物质与电极结合，孔隙：尺寸、基体、活性物质与电极结合，孔隙电池结构电池结构：卷绕、叠片，极间距、电池尺寸：卷绕、叠片，极间距、电池尺寸电解液电解液：种类、浓度、数量：种类、浓度、数量隔膜隔膜：种类、孔率、孔径：种类、孔率、孔径制造工艺制造工艺：放电制度放电制度：电流、终止电压、温度：电流、终止电压、温度第78页7979额定容量额定容量(C额额)rated capacity国家标准或行业标准要求，设计和制造电池时，确保电池在一定放电条件下(温度、放电制度)应该放出最低容量。C理C实C额容量控制电极三个容量值之间关系？假如电池正极容量3Ah，负极容量3.3Ah，电池容量是多少？第79页8080比容量比容量specific capacityspecific capacity单位质量或单位体积电池所给出容量称为质量单位质量或单位体积电池所给出容量称为质量比容量或体积比容量比容量或体积比容量用于比较不一样电池用于比较不一样电池质量比容量：质量比容量：Cm=C/m (Ah/Kg)Specific capacity by weight/massGravimetric capacity体积比容量：体积比容量：Cv=C/V (Ah/L)Specific capacity by volumeVolumetric capacityCapacity density第80页81811.5.7电电池能量池能量energy 与比能量与比能量specific energy能能量量是是指指电电池池在在一一定定放放电电制制度度下下，对对外外做做功功所所输输出出(电电)能量，通惯用能量，通惯用W W表示，其单位为表示，其单位为WhWh理理论论能能量量：假假设设电电池池在在放放电电过过程程中中一一直直处处于于平平衡衡状状态态，其其放放电电电电压压一一直直保保持持其其电电动动势势数数值值。电电池池活活性性物物质质利利用用率率为为100，则则此此时时电电池池应应该该给给出出能能量量为为理理论能量论能量W0 W0=C0E 可逆电池在恒温恒压下所作最大有用功。可逆电池在恒温恒压下所作最大有用功。W0=-G=-nFE=C0E 第81页8282实际能量实际能量(W)电池在一定放电条件下所实际给出电能量电池在一定放电条件下所实际给出电能量在数值上它等于在数值上它等于实际容量和平均工作电压乘积实际容量和平均工作电压乘积。W=CU平平实际电池放电时，实际电池放电时，UE，100%，所以，所以WW0第82页8383比能量比能量比能量比能量是指单位质量或单位体积电池所放出能量是指单位质量或单位体积电池所放出能量 体积比能量(能量密度energy density)：单位体积电池所给出(电)能量 Wh/m3质量比能量：单位质量电池所给出(电)能量 Wh/kg第83页8484理论比能量：只包含全部参加反应物质,电池理论比能量没有包含电池中惰性物质电化当量：K正极物质,K负极物质,K电解液,通常只说质量比能量通常只说质量比能量 Wh/kg第84页8585例子：电化当量：3.866+4.463+3.659=11.988 g/Ah电池标准电动势 E=2.044V第85页8686实际质量比能量实际电池中：非活性物质过剩活性物质质量工作电压小于电动势第86页8787几个电池实际比能量与理论比能量电池体系实际比能量W/（Wh/kg）理论比能量W0/（Wh/kg）W/W0铅酸电池1050170.30.060.29镉镍电池1540214.30.070.19铁镍电池1025272.50.040.09锌银电池60160487.50.120.33锌锰干电池1015251.30.040.06碱性锌锰电池30100274.00.110.36锌空气电池10025013500.070.19第87页88881.5.8电电池池功率功率power与与比功率比功率power density 电电池池功功率率：指指在在一一定定放放电电制制度度下下,单单位位时时间间内内电电池池所所输出能量输出能量,单位为瓦单位为瓦(W)或千瓦或千瓦(kW)。比功率比功率：单位质量或单位体积电池输出功率。：单位质量或单位体积电池输出功率。质量比功率质量比功率W/kg，体积比功率，体积比功率W/L。功功率率、比比功功率率是是化化学学电电源源主主要要性性能能之之一一。它它表表示示电电池池放放电电速速率率大大小小，电电池池功功率率越越大大，意意味味着着电电池池能能够够在在大大电流或高速率下放电。电流或高速率下放电。第88页8989实际功率：实际功率：P=IU=I(E IR内内)=IE-I2R内内对对I微分微分:dP/dI=E-2IR内内=0并令并令dP/dI=0 E=I(R内内+R外外)当当R内内=R外外时，电池输出功率最大。时，电池输出功率最大。第89页9090第90页91911.5.9电电池池储储存性能与自放存性能与自放电电self discharge储储存存性性能能是是指指电电池池开开路路时时，在在一一定定条条件件下下(如如温温度度、湿湿度度等等)贮贮存存时时容容量量自自行行降降低低性性能能。也也称称自自放放电电。容容量量下下降率越低，即贮存性能越好。降率越低，即贮存性能越好。储存性能指存放时间，自放电指容量降低储存性能指存放时间，自放电指容量降低锂离子电池：锂离子电池：5%/月月镍氢电池：镍氢电池：30%/月月第91页9292自放电主要发生在负极：腐蚀微电池正极上也存在自放电正极物质从电极上溶解，会在负极还原引发自放电。锌银电池中：AgO在7mol/LKOH溶液中溶解度2.410-4mol/L杂质氧化还原反应引发正负极活性物质消耗。自放电原因：第92页9393自放电表示方法1.自放电速率：单位时间内容量降低百分数2.搁置(储存)寿命shelf life：电池搁置到容量降低至某要求容量时时间干搁置寿命：电池在生产时不注入电液而贮存，如贮备电池湿搁置寿命：电池在制造时已加入电液而贮存，如锌锰干电池对于蓄电池：荷电保持能力第93页9494降低电池自放电办法降低电池自放电办法1 采取高纯度原材料。采取高纯度原材料。2 在负极中加入高氢过电位金属，如在负极中加入高氢过电位金属，如Hg、Cd、Pb等。等。3 在电极或电解液中加入缓蚀剂，降低自放电反应发在电极或电解液中加入缓蚀剂，降低自放电反应发生。生。4 低温贮存。低温贮存。第94页95951.5.10 二次电池循环寿命二次电池循环寿命cycle life蓄电池经历一次充电和放电，称一个循环蓄电池经历一次充电和放电，称一个循环cycle(周期周期)在一定放电制度下，电池容量降至要求值之前，电池在一定放电制度下，电池容量降至要求值之前，电池所经受循环次数，称为循环寿命所经受循环次数，称为循环寿命。循环寿命最长是镉镍蓄电池：1000几千次开启型铅酸：300500次氢-镍蓄电池 5001000次二次锂离子电池 1200次锌银 40100次第95页9696影响蓄电池循环使用寿命主要原因有影响蓄电池循环使用寿命主要原因有：1 活性物质晶型改变，活性降低。活性物质晶型改变，活性降低。2 充放电过程中，电极活性表面积减小，使真充放电过程中，电极活性表面积减小，使真实电流增大，极化增大。实电流增大，极化增大。3 电极上活性物质脱落或转移。电极上活性物质脱落或转移。4 电极材料与骨架发生腐蚀。电极材料与骨架发生腐蚀。5 电池内部短路。电池内部短路。6 隔膜损坏。隔膜损坏。第96页</p>