化学电源概述省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、 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
6、、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
7、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 A
8、pplications6、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.Sol
9、id 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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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 a
17、lkaline 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
18、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 Produc
19、ing 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
20、 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
21、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
22、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-
23、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
24、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(separat
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