化學電源 第1章 緒論

1、1 化學電源工藝學 程新群程新群 2 電化學工業(yè) 化學電源 電鍍（表面工程） 腐蝕與防護 電解加工（精煉與提純、切削與拋光） 電化學合成 電化學傳感器 3 參考教材參考教材 1.化學電源化學電源 程新群，程新群，化學工業(yè)出版社，化學工業(yè)出版社，2008 2.化學電源工藝學化學電源工藝學 史鵬飛，哈爾濱工業(yè)大學出版社，史鵬飛，哈爾濱工業(yè)大學出版社，2006 3.化學電源：電池原理及制造技術化學電源：電池原理及制造技術 郭炳焜，中南大學出版社，郭炳焜，中南大學出版社，2009 4 參考期刊 國內 電池 電源技術 電池工業(yè) 蓄電池 電化學 化學與物理電源系統(tǒng) 化學類其他期刊 國際 J. Power

2、Sources Solid State Ionics Fuel Cell Electrchemica Acta Electrochemical communication J. Electrochem Soc. Electrochemical and solid state letters J. Solid state electrochemistry J. Applied electrochemistry Electrochemistry J. New materials for electrochemical system Others 5 1.化學電源的重要意義化學電源的重要意義 化學電

3、源電池 electrochemical power source battery / cell 能源技術與工業(yè)在現(xiàn)代社會中的地位：能源危機 能源化學工程新專業(yè) 能源的使用：在線、離網(wǎng) 油氣煤：儲運方便、效率低、污染大 電：清潔、缺乏有效儲電手段(電池、抽水電站、壓縮空氣等) 太陽能、風能等新能源技術發(fā)展的需要 現(xiàn)代電子設備：功能多,小巧便攜,自動化程度高 設備大腦：芯片，設備心臟：電池 6 國家項目與政策支持： 973973項目：國家重大基礎研究，電池方向至項目：國家重大基礎研究，電池方向至20201111年共年共8 8項項 20122012年：年： 高比能直接甲醇燃料電池關鍵納米材料與納米結

4、構研究 碳基燃料固體氧化物燃料電池體系基礎研究 基于貴金屬替代的新型動力燃料電池關鍵技術和理論基礎研究 納米結構材料在先進能源器件應用中的表界面研究 另外太陽能電池方向約有另外太陽能電池方向約有6 6項項 7 國家項目與政策支持： 國家863項目：節(jié)能與新能源汽車重大專項，十一五經(jīng)費達12億元， 十二五一期經(jīng)費為7.38億元，其中1/3用于電池 十城千輛：首批13城市，總共25城市，電動車規(guī)模試 驗 節(jié)能減排：電池是高效綠色能源 十二五期間國家優(yōu)先發(fā)展七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)：節(jié)能環(huán)保、 新能源、新一代信息技術、生物、高端裝備制造業(yè)、新材料、新能源汽車 名詞：“充電” 8 2. 生活中的電池品種 9

5、2. 生活中的電池品種 鋅錳電池（Zn-MnO2） 鎘鎳電池（Cd-NiOOH） 鉛酸電池（Pb-acid） 金屬氫化物-鎳電池(MH-NiOOH) 氫鎳電池（H2-NiOOH） 鋅鎳電池（Zn-NiOOH） 鋅氧化銀電池 鋰電池 鋰離子電池 金屬-空氣電池 燃料電池 Fuel Cell 海水電池：Mg(Al)-CuCl2電池電池(AgCl) 10 其他電池 Zn(Cd)-HgO電池： 聚合物電池 鈉硫電池：1.782.08V。比能量高，300，電力 調峰 熱電池：儲存壽命長、激活時間短，400600oC 鋅溴電池 液流電池：大規(guī)模儲能 其他新型電池 11 廢舊電池 12 3. 化學電源定義

6、化學電源化學電源：將化學反應產(chǎn)生的能量直接直接轉變?yōu)?電能的裝置叫做化學電源（電池） Electrochemical power source, battery, cell 手電筒中用的干電池和汽車蓄電池是兩種在外 形上和使用上都不相同的電池，可是它們都靠 各自內部的化學變化向外提供電能，所以我們 稱它為化學電源。 研究化學電源工作原理和制造技術的一門學科 稱為化學電源工藝學化學電源工藝學。 13 物理電源 通常把熱能、光能、機械能、核能 等轉變成電能的裝置叫做物理電源( 如發(fā)電機、太陽能電池、溫差發(fā)電 器、原子能電池、風能發(fā)電等) 14 生物電池 生物能 生物燃料電池 15 4.化學電源特點

7、化學電源特點 1. 既能釋放能量，又能貯存能量 能量貯存器能量貯存器，能量轉換器能量轉換器 2. 能量轉換效率高，無噪音 21世紀全新的高效、節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電方式之一 3. 電流、電壓、容量和幾何尺寸可調 扣式電池幾個毫安時，潛艇電池288塊大型鉛酸電池，每只 8000安時，重1噸。微型電池可制作在電路板上 16 4. 便于攜帶，使用簡便 太陽能電池對使用環(huán)境也有要求：光線 5. 能經(jīng)受各種環(huán)境的考驗(如沖擊、震動 、旋轉)。 導彈發(fā)射，車輛振動，耐高加速度、耐振動、耐旋轉， 真空環(huán)境中也可工作 6. 工作溫度范圍寬 -4060 7. 維護方便 17 5. 電池應用 應用于國民經(jīng)濟的各個部

8、門 海：潛艇、航標、魚雷、輪船。 陸：電信、電站、車輛起動與照明、家用電器、玩具、應急 燈、收錄音機、計算器、手機、UPS、新能源儲能。 空：飛機、火箭、導彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛船、制導武器、 智能武器 地下：礦燈、地下應急設施 185:3918 第一章第一章 化學電源概論化學電源概論 19 1.1化學電源發(fā)展歷史化學電源發(fā)展歷史 巴格達電池（2000年前） 1936年巴格達考古發(fā)現(xiàn) 向陶瓶內倒入一些酸或堿水，便 可以發(fā)電，推測為電池 在巴格達近郊，繼發(fā)現(xiàn)古電池之 后，還陸續(xù)發(fā)現(xiàn)許多電鍍物品 20 1786年 伽伐尼現(xiàn)象“動物電” 17371798 意大利醫(yī)生和 動物學家 21 伏打序列與伏打電

9、堆 意大利著名物理學家, 17451827 1793年，提出“金屬電” 兩種金屬 1796年，第一類導體與第二類導體 1797年，根據(jù)各種金屬接觸的實驗結果，伏打列出了 “鋅鉛錫鐵銅銀金”的次序，這就是著 名的伏打序列。其中兩種金屬相接觸時，位于序列前 面的都帶負電、后面的帶正電。 1800年，伏打電堆 22 伏打電堆的促進了電學的發(fā)展：歐姆 定律，電磁學，電動機，發(fā)電機 1800年，利用電池電解水實驗：氫氣 和氧氣 1834年， 法拉第電解定律：電與化 學反應的定量關系 1836年， 丹尼爾電池 第一種實用性電池第一種實用性電池 23 200多年中，化學電源的重要進展 1859年法國科學家P

10、lante發(fā)明了鉛酸蓄電池(這是世界上 第一個可充電池) 1868年法國科學家勒克朗謝(Leclanche)研制成功鋅錳干 電池。 1889年瑞典的Junghet(雍格納)：鎘鎳蓄電池 1901年美國愛迪生：Fe-Ni蓄電池。 24 發(fā)電機的出現(xiàn)使得電池的發(fā)展受到抑制， 20世紀四十年代以后，化學電 源工業(yè)得到迅速發(fā)展。 40年代，中性鋅-空氣電池、鋅-銀電池(法國安德烈)、鋅-汞(美國茹濱) 50年代：堿性鋅錳電池 60年代：燃料電池 阿波羅飛船 70年代：各種鋰電池 80年代：氫鎳蓄電池 90年代：鋰離子電池 二十一世紀：新型綠色環(huán)保電池(金屬氫化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、 無汞堿性鋅錳電

11、池和可充堿錳電池、燃料電池、聚合物鋰電池或鋰離子 蓄電池。 25 電池發(fā)展的推動力量：電池發(fā)展的推動力量： 1）電池的發(fā)展和軍事工業(yè)的發(fā)展密不可分 u 航天技術：Ni-Cd，Ni-H，燃料電池 u 衛(wèi)星火箭：鋅銀電池，航天部有兩個廠：貴州，上海 u 潛艇：鉛酸電池，481，德國212潛艇：燃料電池 u 地雷：感應式地雷，貯存壽命長 u 單兵系統(tǒng) 2）20世紀90年代的發(fā)展主要是電子通訊工業(yè)的推動：手機、通訊基站、 MP3、MP4等 3）電動汽車與新能源儲能對電池是一個巨大的推動。EV，HEV，863節(jié)能 與新能源汽車重大專項，十城千輛工程，財政補貼 26 4）新材料的發(fā)展也促進了電池的發(fā)展：M

12、H， LiC6、SOFC中的高溫密封材料等 5）資源 6）環(huán)境 用戶對化學電源的要求：高比能量，高可靠性， 長壽命，無污染 27 我國電池生產(chǎn)概況 從1982年開始，我國超過美國成為世界第一民用電池生產(chǎn) 大國 我國電池產(chǎn)量年均增長10%，產(chǎn)值年均增長19%。 據(jù)不完全統(tǒng)計,我國從事電池及其材料研制的單位達數(shù)百 家, 生產(chǎn)電池及材料的廠家多達2000余家,出版電池專業(yè) 雜志或信息的刊物也達十余家。 28 2008年，我國電池產(chǎn)量達360億只，總產(chǎn)值超2000億元 。出口254億只，88億美元。 中國電池產(chǎn)量已連續(xù)超過世界電池總產(chǎn)量的1/3，成為 世界電池主要生產(chǎn)地，是國外采購電池的首選地。 20

13、10年電池總產(chǎn)量400多億只，占全世界50%以上，出 口300多億只 我國電池生產(chǎn)企業(yè)超過50%分布在江浙滬和廣東沿海地 區(qū)，配套完善。 29 中國電池主要廠家 比亞迪 風帆 光宇 雙登 南都 力神 比克 30 酸性電解液電池 acid battery 堿性電解液電池 alkaline battery 中性電解液電池neutral battery 有機電解質溶液電池organic electrolyte battery 固體電解質電池solid electrolyte battery 熔融鹽電解質電池melton electrolyte battery 聚合物電解質電池polymer elec

14、trolyte battery 1.2 電池的分類（電解液類型） 31 電池的分類（電池形狀） 圓柱式電池 cylindrical/ round battery 扣式電池 button/coin battery 方形電池 prismatic battery 紙式電池 paper battery 微電池 microbattery 微電池與微芯片、 微電子機械系統(tǒng) 集成設計。 紙紙 電電 池池 32 電池的分類（工作性質和儲存方式） 一次電池（原電池）Primary battery / Galvanic battery 電池放電后，不能用充電方法將它回復到放電前的初始狀態(tài)的一類電池 鋅-二氧化錳干

15、電池 ZnNH4Cl、ZnCl2MnO2（dry cell） 扣式鋅-氧化銀 ZnKOHAg2O或AgO 鋅-汞電池 ZnKOHHgO 鋅-空氣電池 ZnKOHO2 鋰電池(鋰錳)： LiLiClO4，PC-DMEMnO2 特點：小型，攜帶方便 33 電池的分類（工作性質和儲存方式） 二次電池（蓄電池）Secondary battery / storage battery / rechargeable battery，accumulator 電池放電后，可以用充電方法使活性物質恢復到放電前狀態(tài)，從而能夠再 次放電的一類電池，充放電過程可以反復進行。 鉛酸：Pb | H2SO4 | PbO2 鎘

16、鎳 Cd | KOH | NiOOH 鐵鎳 Fe | KOH | NiOOH 鋰離子電池 LiC6LiPF6，EC-DEC-EMCLiCoO2 循環(huán)使用 34 電池的分類（工作性質和儲存方式） 貯備電池 (激活電池）Reserve battery / activated battery 在貯存期間，電解質和電極活性物質分離或電解質處于惰性狀態(tài)，使用前 注入電解質或通過其他方式使電池激活，電池立即開始工作。 鋅一銀電池 ZnKOHAg2O(AgO)，使用前注入電解液 熱電池: CaLiCl-KClPbSO4，鐵粉燃燒產(chǎn)生大量熱量，使得電解質熔融 熱電池種類很多 激活時間短 35 電池的分類（工作

17、性質和儲存方式） 燃料電池 full cell 電池中的電極材料是惰性的，是活性物質進行電化學反應的場所，而正負極活性物質分別儲 存在電池體外，當活性物質連續(xù)不斷地注入電池時，電池就能不斷地輸出電能。 連續(xù)工作 種類：AFC、PAFC、MCFC、SOFC、PEMFC、 DMFC. 3636 1.3 化學電源的工作原理 化學電源是化學能直接轉換成電能的裝置。化學電源是化學能直接轉換成電能的裝置。 3737 雙電層雙電層 負 極 正 極 化學電源內部的電勢變化 discharge Charge 3838 化學電源要實現(xiàn)將化學能直接轉化為電能 必須具備的條件 例1：濃硫酸稀釋 例2：酸堿中和 例3：

18、置換 例4：鎂條燃燒 (1)化學反應必須是氧化還原反應，而且氧化和 還原過程必須分隔在兩個空間進行 例4：鐵的腐蝕 (2)氧化還原反應發(fā)生時 電子必須經(jīng)過外線路 3939 幾個概念： 成流反應：Current Producing Reaction 電池工作時，電極上發(fā)生的產(chǎn)生電能的電化學反應 活性物質：Active Material / Mass 電極上能夠參加電化學反應、釋放電能的物質 4040 幾個概念： 正極：Positive Electrode 負極：Negative Electrode 陰極：Cathode 陽極：Anode 電池電極 放電充電 正極陰極陽極 負極陽極陰極 4141

19、1.4 電池的組成 4242 電池的組成 正極 負極 隔 膜 電解液（電解質） 外殼 電極 離子導體，傳遞正負極間電荷 防止正負極活性物質接觸造成內部短路，對離子運動阻力小，電子絕緣體 組成： 4343 （1）電極）電極（electrode) 電池的核心電池的核心 電極中參加成流電極中參加成流 反應、產(chǎn)生電能的物質。反應、產(chǎn)生電能的物質。 傳導電子，使電傳導電子，使電 流分布均勻；支撐活性物流分布均勻；支撐活性物 質。質。 活性物質：活性物質： 導電骨架導電骨架: 4444 活性物質活性物質(activematerial/mass) 對活性物質的要求對活性物質的要求: 電化學活性高；電化學活性

20、高；G0，i0大 組成電池電動勢高：組成電池電動勢高： 正極活性物質電勢盡可能正正極活性物質電勢盡可能正 負極活性物質電勢盡可能負負極活性物質電勢盡可能負 質量比容量和體積比容量大質量比容量和體積比容量大 電化當量，密度電化當量，密度 在電解液中化學穩(wěn)定性好在電解液中化學穩(wěn)定性好 電子導電性好電子導電性好 資源豐富，價格便宜資源豐富，價格便宜 環(huán)境友好環(huán)境友好 4545 常用活性物質常用活性物質 活性物質存在形式：活性物質存在形式： 一般為固體（一般為固體（Zn、PbO2等），也有氣體（等），也有氣體（H2、O2）、液體）、液體 （SO2）或漿料（）或漿料（ZnO） 常用活性物質種類：常用活性

21、物質種類： 正極活性物質：正極活性物質： 一般為電極電勢較高的金屬氧化物、氯化物、氟化物、硫化物一般為電極電勢較高的金屬氧化物、氯化物、氟化物、硫化物 等。等。如：如：MnO2,PbO2,O2,AgO,NiOOH 負極活性物質：負極活性物質： 一般為電位較低的金屬如：一般為電位較低的金屬如：Zn,Pb,H2,Li,Cd 4646 集流體集流體/導電骨架導電骨架 currentcollector/conductingmatrix 對導電骨架的要求對導電骨架的要求: 導電性好導電性好 機械強度高機械強度高 加工性好加工性好 化學穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性好化學穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性好 成本、資源、環(huán)保成本

22、、資源、環(huán)保 常用導電骨架材料：Pb、Ni、鋼、Al、Cu、Ag 4747 （2）電解質）電解質(electrolyte) 電解質的作用電解質的作用： 正負極間傳遞電荷，溶液導電；正負極間傳遞電荷，溶液導電； 正極：正極：2NiOOH+2H2NiOOH+2H2 2O+2eO+2e- -Ni(OH)Ni(OH)2 2+2OH+2OH- - 負極：負極：Cd+2OHCd+2OH- -Cd(OH)Cd(OH)2 2+2e+2e- - 參加電極反應。參加電極反應。 正極：正極：PbOPbO2 2+3H+3H+ +HSO+HSO4 4- -+2e+2e- -PbSOPbSO4 4+2H+2H2 2O O

23、 負極：負極：Pb+HSOPb+HSO4 4- -PbSOPbSO4 4+ +H H+ +2e+2e- - 反應需要 大量電解液 離子導電,可 減少用量 4848 電解質的要求電解質的要求： 電導率高，溶液歐姆壓降小；（對固體電解質，電導率高，溶液歐姆壓降??；（對固體電解質， 離子導電性好，電子絕緣；）離子導電性好，電子絕緣；） 化學性質穩(wěn)定，不與活性物質發(fā)生反應；化學性質穩(wěn)定，不與活性物質發(fā)生反應； 電化學穩(wěn)定窗口范圍寬；電化學穩(wěn)定窗口范圍寬； 沸點高、冰點低，使用溫度范圍寬。沸點高、冰點低，使用溫度范圍寬。 無毒無污染、成本無毒無污染、成本 4949 電解質分類電解質分類 按形態(tài)可分為按形

24、態(tài)可分為液態(tài)、固態(tài)、膠態(tài)電解質液態(tài)、固態(tài)、膠態(tài)電解質。 液體電解質可分為液體電解質可分為水溶液水溶液和和非水溶液非水溶液。 液體電解質：液體電解質：溶質和溶劑溶質和溶劑。 溶質作用為無機鹽，在溶劑中電離出陰陽離子溶質作用為無機鹽，在溶劑中電離出陰陽離子 在正負極之間起傳遞電荷的作用。在正負極之間起傳遞電荷的作用。 溶劑起到使溶質電離的作用溶劑起到使溶質電離的作用。 5050 （3）隔離物）隔離物(separator)：隔膜、隔板：隔膜、隔板 形狀形狀：薄膜、板材、棒材等薄膜、板材、棒材等 作用作用：防止電池正負極接觸，內部短路，同時吸蓄電解液。防止電池正負極接觸，內部短路，同時吸蓄電解液。 要

25、求要求： 孔徑、孔隙率，孔隙的均勻分布孔徑、孔隙率，孔隙的均勻分布 電解質離子運動阻力?。浑娊赓|離子運動阻力??； 電子的良好絕緣體；電子的良好絕緣體； 良好的機械強度和抗彎曲能力：良好的機械強度和抗彎曲能力：抗拉、阻止電極上脫落的活抗拉、阻止電極上脫落的活 性物質微粒；阻止枝晶的生長穿透；性物質微粒；阻止枝晶的生長穿透； 化學穩(wěn)定性好：耐電解液腐蝕，耐氧化、耐還原化學穩(wěn)定性好：耐電解液腐蝕，耐氧化、耐還原 脹縮率脹縮率 資源、成本、環(huán)保資源、成本、環(huán)保 5151 化學電源用隔膜化學電源用隔膜 5252 （4）外殼）外殼(case/can/container) 外殼：外殼：電池的容器。電池的容器

26、。 外殼的要求：外殼的要求： 機械強度高機械強度高 耐振動耐振動 耐沖擊耐沖擊 耐腐蝕耐腐蝕 耐溫差耐溫差 l 只有鋅只有鋅-錳干電池是鋅電極兼作外殼。錳干電池是鋅電極兼作外殼。 5353 1.5化學電源的電性能化學電源的電性能 1.5.1電池的電動勢電池的電動勢electromotive force 電池在開路條件下，正、負兩極間的平衡電極電位之差 a A + b B = e E + f F l 不同體系電池具有不同的特征值不同體系電池具有不同的特征值 l 電池的電動勢只和參與化學反應的物質本性、電池的反應條件電池的電動勢只和參與化學反應的物質本性、電池的反應條件 (即溫度即溫度)及反應物與

27、產(chǎn)物的活度有關，而與電池的幾何結構、尺及反應物與產(chǎn)物的活度有關，而與電池的幾何結構、尺 寸大小無關。寸大小無關。 G=-nFE 00 E Equilibrium Electrode Potential b B a A f F e E nF RT EE ln 0 5454 吉布斯-亥姆霍茲方程式：電池電動勢 與反應焓變的關系： 結合G=H-TS ， G=-nFE，可以得到電動勢溫度系數(shù)： mV/ 等溫條件下，可逆反應的熱效應為： 溫度系數(shù)：鉛酸電池+0.3 mV/ ，鎘鎳電池-0.5 mV/ () P HE ET nFT () P ES Tn F () RP E QT SnFT T 5555 1

28、.5.2 電池的開路電壓 open circuit voltage 電池的開路電壓是兩極間所聯(lián)接的外線路處于開路 時，兩極間的電極電勢之差 如果電池的正、負極都處于熱力學平衡狀態(tài)，那么 開路電壓就應等于電動勢 開路電壓總小于電動勢, 鋅-空氣電池的電動勢1.646V， 實際的開路電壓為1.4 1.5 V 開路電壓與電動勢區(qū)別： 平衡電極電勢與外界沒 有電子交換；電極上氧化還應和還原反應是可逆 的，反應速率相等 5656 1.5.3標稱電壓標稱電壓nominalvoltage 用以表示或識別一種電池或一個電 化學體系的適當?shù)碾妷航浦怠?電池的特征值, 也叫額定電壓 5757 5858 1.5.

29、4電池的內阻電池的內阻(internalresistance) 電池的內阻電池的內阻R內 內又稱全內阻，是指電流流 又稱全內阻，是指電流流 過電池時所受到的阻力過電池時所受到的阻力 歐姆內阻歐姆內阻(ohmic resistance)(ohmic resistance) 極化電阻極化電阻(polarization resistance)(polarization resistance) R內=R+Rf 5959 電池歐姆內阻電池歐姆內阻(ohmic resistanceohmic resistance) 歐姆電阻包括電極本身的電阻，電解質溶液的電歐姆電阻包括電極本身的電阻，電解質溶液的電 阻和

30、隔膜電阻阻和隔膜電阻( (離子通過隔膜微孔時受到的阻力離子通過隔膜微孔時受到的阻力) ) 歐姆電阻造成的電壓損失與通過電池的電流強度歐姆電阻造成的電壓損失與通過電池的電流強度 成正比，符合歐姆定律的關系成正比，符合歐姆定律的關系 60 歐姆內阻的影響因素：歐姆內阻的影響因素： 物質特性物質特性: :顆粒大小、形狀、晶型顆粒大小、形狀、晶型 電極物料組成電極物料組成：導電劑、添加劑、粘接劑：導電劑、添加劑、粘接劑 電極結構電極結構：尺寸、基體、活性物質與電極結合：尺寸、基體、活性物質與電極結合 電解液電解液：種類、濃度：種類、濃度 隔膜隔膜：種類、孔率、孔徑：種類、孔率、孔徑 電池結構電池結構：

31、卷繞、疊片，正負極間距離、電池尺寸：卷繞、疊片，正負極間距離、電池尺寸 制造工藝制造工藝： 荷電狀態(tài)荷電狀態(tài)： 溫度溫度： 60 6161 極化電阻：polarization resistance 電化學反應中電極極化所相當?shù)碾娮?，電化學反應中電極極化所相當?shù)碾娮瑁娀瘜W 極化和濃差極化所引起的電阻。 一個電極的極化電阻隨通過該電極的電流密度的增 加而增加，并不遵守歐姆定律。 極化內阻不是常數(shù)，既隨放電時間的變化而變化， 也隨放電制度的變化而變化。 在同樣電流密度下，不同電極的極化值可以有很大 的差別，這取決于電極的特性、電極結構，而且與 溫度，電解液溫度、電極結構等多種因素有關。 626

32、2 電池內阻的測量方法電池內阻的測量方法 鋅錳電池內阻表示方法：鋅錳電池內阻表示方法： 短路電流法短路電流法short circuit currentshort circuit current 國家標準中規(guī)定的電池內阻測量方法國家標準中規(guī)定的電池內阻測量方法 1.1.交流法交流法：對電池施加頻率為1.0kHZ0.1kHz的交流電流Ia時間 1s5s，測量此時間內的交流電壓Ua，則Rac=Ua/Ia 2.2.直流法直流法：電池以電流電池以電流I I1 1恒流放電，測量放電至恒流放電，測量放電至10s10s末時的負載電末時的負載電 壓壓U U1 1。然后立即將放電電流增加電流。然后立即將放電電流增

33、加電流I I2 2，測量和記錄放電至，測量和記錄放電至3s3s末時的末時的 負載電壓負載電壓U U2 2。電池的直流內阻。電池的直流內阻RdcRdc按下式計算：按下式計算：R Rdc dc=(U =(U1 1-U-U2 2)/(I)/(I2 2-I-I1 1) ) 歐姆內阻測量常用交流法：交流阻抗方法、方波電流方歐姆內阻測量常用交流法：交流阻抗方法、方波電流方 法法 6363 1.5.5電池的工作電壓電池的工作電壓 (working/operating/on-load/discharge voltage) 電池的工作電壓又稱負載電壓、放電電壓。是指有電池的工作電壓又稱負載電壓、放電電壓。是指有

34、 電流流過外電路時，電池兩極之間的電勢差電流流過外電路時，電池兩極之間的電勢差。 V = E - IR內= E (R+Rf) 放電電壓隨時間變化： 放電曲線discharge curve 6464 放電制度： （1）放電方式）放電方式 恒電阻放電恒電阻放電 (constantload/resistance) 恒電流放電恒電流放電 (constantcurrent) 恒功率放電恒功率放電 (constantpower) 655:3965 （2）放電電流放電率，放電速率 放電電流：A 時率(Hourly Rate)：t 以一定的放電電流，放完額定容量所需的小時(t) ，t=C/I 是以放電時間的長

35、短，來表示電池放電速度。 放電時率越大，放電電流越小 倍率(C rate)：x 指電池放電電流的數(shù)值為額定容量數(shù)值的倍數(shù)。 xC 放電倍率越大，放電電流越大 時率與倍率關系：x=1/t 如果電池容量為3Ah，實際放電電流為6A，則用時率形式和 用倍率形式如何表示？ 6666 不同放電體系，放電性能有很大差別,高倍率電池 Zn/AgO,低倍率電池鋅錳干電池 同一電池體系，不同電極和電池結構，適用不同倍 率 區(qū)分原則： 低倍率放電：I0.5C 中倍率放電:0.5CI3.5C 高倍率放電:3.5CI7C 量綱性錯誤量綱性錯誤 C是容量，單位是容量，單位Ah I是電流，單位是電流，單位A It=C/1

36、 I=nIt 6767 電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為終止 電壓。 規(guī)定值：考慮電池充分利用，考慮用電設備需求，并 且根據(jù)放電溫度、放電電流而變化 (3)終止電壓end-of-dischargevoltage;final voltage;cut-offvoltage;end-pointvoltage 6868 （4）放電溫度 溫度越低，工作電壓下降越快，原因：溫度越低，離子運動速 度越慢，歐姆電阻增加，同時溫度降低，電化學極化和濃差極 化也將增大，所以放電曲線下降變化較快 6969 1.5.6電池的容量電池的容量capacity與比容量與比容量specificcapacity 電池

37、的容量是指在一定的放電條件下可以從電池的容量是指在一定的放電條件下可以從 電池獲得的電量電池獲得的電量,單位常用安培小時單位常用安培小時(Ah)表示。表示。 必須指明放電制度：必須指明放電制度：電流電流、終止電壓、溫度、終止電壓、溫度 1A1Ah=1000mAh=1000mAh=3600Ah=3600As=3600s=3600庫侖庫侖 理論容量理論容量 實際容量實際容量 額定容量額定容量 7070 理論容量理論容量(C0)：theoretical capacity 7171 電化當量電化當量 electrochemicalequivalent 電極的理論容量與活性物質質量和電化當量有關。電極的

38、理論容量與活性物質質量和電化當量有關。 理論容量的大小與活性物質的質量成正比，與該物質 的電化當量成反比。 常用電池物質的電化當量：常用電池物質的電化當量：Pb3.87，Li0.259, Cd2.10, Zn1.22，PbO24.45, MnO23.22, NiOOH3.42, K = ( g/Ah ) n M 8.26 每放出每放出1Ah電量所需要的活性物質質量電量所需要的活性物質質量 7272 實際容量實際容量(C實 實) Measured capacity 電池的實際容量是指在電池的實際容量是指在一定放電制度一定放電制度下，電池實際下，電池實際 輸出的電量輸出的電量 恒電流放電時恒電流放

39、電時 C實 實= I t 恒電阻放電時恒電阻放電時 0 t Idt t Vdt R 0 1 =C實 實= 恒功率放電時恒功率放電時 7373 活性物質的利用率活性物質的利用率 utilization(ratio/rate/percent) 利用率的計算方法利用率的計算方法 m 活性物質的實際質量活性物質的實際質量,g m0按電池的實際容量根據(jù)法拉第定律按電池的實際容量根據(jù)法拉第定律 計算出的物質量計算出的物質量,g C實 實活性物質的實際容量 活性物質的實際容量,mAh/g C0 按電池的實際容量根據(jù)法拉第定律按電池的實際容量根據(jù)法拉第定律 計算出的容量計算出的容量,mAh/g 7474 活性

40、物質利用率的影響因素 物質形態(tài)物質形態(tài): :顆粒大小、形狀、晶型顆粒大小、形狀、晶型 電極物料組成電極物料組成：導電劑、添加劑、粘接劑：導電劑、添加劑、粘接劑 電極結構電極結構：尺寸、基體、活性物質與電極結合，孔隙：尺寸、基體、活性物質與電極結合，孔隙 電池結構電池結構：卷繞、疊片，極間距、電池尺寸：卷繞、疊片，極間距、電池尺寸 電解液電解液：種類、濃度、數(shù)量：種類、濃度、數(shù)量 隔膜隔膜：種類、孔率、孔徑：種類、孔率、孔徑 制造工藝制造工藝： 放電制度放電制度：電流、終止電壓、溫度：電流、終止電壓、溫度 7575 額定容量額定容量(C額 額)ratedcapacity 國家標準或行業(yè)標準規(guī)定，

41、設計和制造電池時， 保證電池在一定的放電條件下(溫度、放電制度) 應該放出的最低容量。 C理C實C額 容量控制電極 三個容量值之間的關系？ 如果電池正極容量3Ah，負極容量3.3Ah，電池容 量是多少？ 7676 比容量比容量specific capacityspecific capacity 單位質量或單位體積電池所給出的容量稱為質單位質量或單位體積電池所給出的容量稱為質 量比容量或體積比容量量比容量或體積比容量 用于比較不同電池用于比較不同電池 質量比容量：質量比容量：Cm=C/m(Ah/Kg) Specificcapacitybyweight/mass Gravimetriccapaci

42、ty 體積比容量：體積比容量：Cv=C/V(Ah/L) Specificcapacitybyvolume Volumetriccapacity Capacitydensity 7777 1.5.7電池的能量電池的能量energy與比能量與比能量specificenergy 能量能量是指電池在一定的放電制度下，對外做功所輸是指電池在一定的放電制度下，對外做功所輸 出的出的( (電電) )能量，通常用能量，通常用W W表示，其單位為表示，其單位為WhWh 理論能量理論能量：假設電池在放電過程中始終處于平衡狀：假設電池在放電過程中始終處于平衡狀 態(tài)，其放電電壓始終保持其電動勢的數(shù)值。電池活態(tài)，其放電

43、電壓始終保持其電動勢的數(shù)值。電池活 性物質的利用率為性物質的利用率為100，則此時電池應該給出的，則此時電池應該給出的 能量為理論能量能量為理論能量W0 W0 = C0E 可逆電池在恒溫恒壓下所作的最大有用功。可逆電池在恒溫恒壓下所作的最大有用功。 W0 =-G =-nFE = C0E 7878 實際能量實際能量(W) 電池在一定的放電條件下所實際給出的電能量電池在一定的放電條件下所實際給出的電能量 在數(shù)值上它等于在數(shù)值上它等于實際容量和平均工作電壓的乘積實際容量和平均工作電壓的乘積。 W = CU平 平 實際電池放電時，實際電池放電時，UE，100%，所以，所以WW0 7979 比能量比能量

44、 比能量比能量是指單位質量或單位體積的電池所放出的能量是指單位質量或單位體積的電池所放出的能量 體積比能量(能量密度energy density) ：單位體積電池所給出的( 電)能量 Wh/m3 質量比能量：單位質量電池所給出的(電)能量 Wh/kg 8080 理論比能量： 只包含所有參加反應的物質,電池的理論比能量沒有包 括電池中的惰性物質 電化當量：K正極物質,K負極物質,K電解液, 通常只說質量比能量通常只說質量比能量Wh/kg 0 0 0 W = C E G 8181 例子： 電化當量：3.866+4.463+3.659=11.988 g/Ah 電池的標準電動勢 E=2.044V 22

45、442 PbPbO2H SO2PbSO2H O 0 1000 2.044170.5 Wh/kg 11.988 W 質量 8282 實際質量比能量 實際電池中： 非活性物質 過剩的活性物質質量 工作電壓小于電動勢 理實 WKKKW mCE m 100% 100% 100% E C V K E C K C m K G 實 理 電壓效率： 容量效率：（活性物質利用率） 質量效率： C U W G 平均 實際 8383 幾種電池的實際比能量與理論比能量 電池體系 實際比能量W /（Wh/kg） 理論比能量W0 /（Wh/kg） W/W0 鉛酸電池1050170.30.060.29 鎘鎳電池154021

46、4.30.070.19 鐵鎳電池1025272.50.040.09 鋅銀電池60160487.50.120.33 鋅錳干電池1015251.30.040.06 堿性鋅錳電池30100274.00.110.36 鋅空氣電池10025013500.070.19 8484 1.5.8電池的電池的功率功率power與與比功率比功率powerdensity 電池的功率電池的功率：指在一定放電制度下：指在一定放電制度下,單位時間內電池單位時間內電池 所輸出的能量所輸出的能量,單位為瓦單位為瓦(W)或千瓦或千瓦(kW)。 比功率比功率：單位質量或單位體積電池輸出的功率。：單位質量或單位體積電池輸出的功率。 質量比功率質量比功率W/kg，體積比功率，體積比功率W/L。 功率、比功率是化學電源的重要性能之一。它表