儲能材料與器件重點

1、考試題型：填空題20分；簡答題50分；論述題30分考題分布：湯昊老師60分（10，30，20）；胡友根老師40分（10，20，10）湯昊老師考題全在網(wǎng)絡教學平臺試題庫中，胡友根老師劃定重點。I湯昊老師部分一填空題1. 超載吸附只能改變緊密層和分散層電勢差的大小或符號，改變電勢分布，但不能改變整個相間電勢差。2. 擴散雙電層理論認為，溶液一側的剩余電荷一部分排在電極表面形成緊密層，其余部分按照玻耳茲曼分布規(guī)律分散于表面附近一定距離的液層中，形成分散層3. 在有電流通過電極時，電極電勢偏離可逆（平衡）電勢值的現(xiàn)象稱為電極的極化。4. 超電勢或電極電勢與電流密度之間的關系曲線稱為極化曲線，它的形狀和

2、變化規(guī)律反映了電化學過程的動力學特征。5. 電極反應的基本動力學參數(shù)“對稱系數(shù)和”主要決定于電極反應的類型而與反應粒子濃度關系不大。6. 電極電勢越小，越容易失去電子，越容易氧化，是較強的還原劑。電極電勢越大，越容易得到電子，越容易還原，是較強的氧化劑。7. 電池電動勢是通過原電池電流為零時(電池反應達平衡)的電池電勢，用E表示，單位為伏特。8. 燃料電池的壽命是指輸出電壓降至初始值的90%時的運行時間。9. 在PAFC中有3種冷卻方式：空氣冷卻、絕緣液體冷卻和水冷卻。10. 目前燃料電池最常用的燃料是H2。11. 在堿性燃料電池中，通常使用的電解質(zhì)是KOH的水溶液，濃度一般為6-8ml/L。

3、12. 質(zhì)子交換膜型燃料電池是以全氟磺酸型固體聚合物為電解質(zhì)的燃料電池。13. 固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)為固體氧化物，其在高溫下具有傳遞O2及分隔燃料和氧化劑的作用。14. 在MCFC中，陰極CO2與O2組成比例為2:1時，陰極反應最佳。15. 目前絕大多數(shù)固體氧化物燃料電池都以6%-10%Y2O3摻雜的ZrO2為固體電解質(zhì)。16. 磷酸燃料電池是以濃磷酸為電解質(zhì)，以貴金屬催化的氣體擴散電極為正、負電極的中溫型燃料電池。17. 在MCFC中，CO2是必不可少的物質(zhì)，其在陰極為反應物，在陽極為產(chǎn)物。18. SOFC常采用的結構類型有管型和平板型兩種。19. 質(zhì)子交換膜型燃料電池廣泛采用的雙極板

4、是石墨板與金屬板。20. 法拉第贗電容超級電容器是基于電極表面的活性物質(zhì)發(fā)生的快速可逆氧化還原反應或者法拉第電荷轉移反應而產(chǎn)生的法拉第贗電容。21. 金屬氧化物在電極/電解液界面產(chǎn)生的法拉第準電容遠大于炭材料表面的雙電層電容，其容量大概是炭材料電容容量的10-100倍，有很廣闊的發(fā)展前景。22. 雙電層超級電容器是基于電解液中離子和電極表面之間的靜電吸引而產(chǎn)生的雙電層電容，例如采用碳基材料作為電極材料。23. 導電聚合物是一類重要的電化學電容器的電極材料，導電聚合物電極材料的電容量主要也是由法拉第準電容提供的。24. 雙電層超級電容器容量大小隨所選電極材料的有效比表面積的增大而增大。2 簡答題

5、1. 第一類導體和第二類導體有什么區(qū)別？答：區(qū)別：載流子的不同。第一類導體載流子為物體內(nèi)部自由電子或空穴，第二類導體的載流子為正負離子。2.電極出現(xiàn)極化現(xiàn)象的原因是什么？根據(jù)產(chǎn)生的原因不同，極化主要分為哪幾類？答：當有電流流過電極時，在電極上發(fā)生一系列的過程，并以一定的速率進行，而每一步都或多或少地存在阻力（或勢壘），要克服這些阻力，相應地各需要一定的推動力，表現(xiàn)在電極電勢上就出現(xiàn)這樣那樣的偏離。根據(jù)極化產(chǎn)生的不同原因，通常把極化大致分為三類：濃差極化、電化學極化、電阻極化。3.為什么不能測出電極的絕對電位？我們平常所用的電極電位是怎么得到的？答：電極電位是兩類導體界面所形成的相間電位，相間電

6、位中的內(nèi)電位是無法直接測量的，故無法直接測出電極的絕對電位，我們平常所用的電極電位都是相對電極電位。4.燃料電池的熱力學效率能否大于1？請解釋原因。答：由熱力學知：對任一電池的熱力學效率（最大效率）為： 因此，燃料電池的熱力學效率與其熵變的大小和符號有關，可能會出現(xiàn)效率大于、等于或小于100%的情況。燃料電池的熱力學效率有時會大于100%。5.與其它能量轉換裝置比較，燃料電池有哪些主要特點？答：高效、污染小、噪聲低、負載響應快速、良好的建設與維護特性。6.磷酸型燃料電池性能衰退的主要因素是什么？可從哪些方面提高其電池壽命？答：一般認為燃料電池性能的衰退是由于鉑催化劑顆粒的燒結、碳載體的腐蝕及酸

7、涌等現(xiàn)象造成的?？蓮囊韵聨讉€方面來提高電池壽命：（1）電池電壓不能超過0.8V；(2)應避免操作的瞬間劇烈變化；（3）必須保證向電池提供充足的反應氣體。7.燃料電池系統(tǒng)主要由哪幾部分組成？答：（1）電池組，是系統(tǒng)的核心，任務是將化學能轉變?yōu)殡娔埽?（2）燃料和氧化劑供給子系統(tǒng)； （3）水熱管理； （4）輸出電能調(diào)整子系統(tǒng)，包括直流電壓的穩(wěn)定，過載保護和對交流用戶的逆變子系統(tǒng)； （5）控制子系統(tǒng)。8.堿性燃料電池電解質(zhì)采用循環(huán)系統(tǒng)有哪些主要作用？答：（1）循環(huán)的電解質(zhì)可以為電池提供一個冷卻系統(tǒng)； （2）電解質(zhì)被不斷地攪拌和混合 （3）電解質(zhì)循環(huán)就可以使產(chǎn)生的水進入循環(huán)，而無需在陽極蒸發(fā)； （4）

8、如果電解質(zhì)與CO2反應過多，可以用新溶液來更換。9.熔融碳酸鹽燃料電池中目前被普遍使用的隔膜基本材料是哪種？其主要作用有哪些？答：目前被普遍使用的隔膜基本材料為LiAlO2。隔離電池陽極與陰極的電子絕緣體；碳酸鹽電解質(zhì)的載體；CO32-離子運動的通道；浸滿熔鹽后是氣體的不透層。10.在SOFC中固體電解質(zhì)需要具備哪些基本條件？答：電解質(zhì)必須具備以下條件：高的離子電導率和可以忽略的電子電導率；在氧化和還原氣氛中具有良好的穩(wěn)定性；能夠形成致密的薄膜；足夠的機械強度；較低的價格等。11.在PEMFC中流場的主要作用是什么？試列舉至少4種主要流場類型。答：流場的作用是引導反應氣流動方向，確保反應氣均勻

9、分配到電極各處，經(jīng)擴散層到達催化層參與電化學反應。流場主要有：網(wǎng)狀，多孔，平行溝槽，蛇形和交指狀等。12.超級電容器按原理不同可以分為哪幾類？其能量存儲原理分別是怎樣的？答：（1）超級電容器器按原理不同可以分為雙電層電容及法拉第贗電容。 （2）雙電層電容原理是由于正負離子在固體電極與電解液之間的表面上分別吸附,造成兩固體電極之間的電勢差,從而實現(xiàn)能量的存儲。贗電容原理則是利用在電極表面及其附近發(fā)生在一定電位范圍內(nèi)快速可逆法拉第反應來實現(xiàn)能量存儲。13.與蓄電池相比，超級電容器有哪些優(yōu)勢和劣勢？答：（1）優(yōu)點：高功率密度：輸出功率密度高達數(shù)KW/kg,一般蓄電池的數(shù)十倍；極長的充放電循環(huán)壽命：循

10、環(huán)壽命可達萬次以上；非常短的充放電時間：0.1-30s即可完成；溫度特性好：工作溫度范圍寬；節(jié)約能源；綠色環(huán)保。 （2）缺點：如果使用不當會造成電解質(zhì)泄漏等現(xiàn)象；比能量較低。14. 金屬氧化物為電極的超級電容器為何比雙電層電容器有更大的電容和更高能量密度？答：其充放電過程與雙電層電容器基本相同，不同的是其儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，而且包括電解液中離子在電極活性物質(zhì)中發(fā)生氧化還原反應而將電荷儲存于電極中。不僅發(fā)生在電極表面，而且可深入電極內(nèi)部，通常有更大的電容和更高的能量密度。15.以導電聚合物為電極材料的超級電容器的電容量主要由哪種方式提供？其作用機理如何？答：導電聚合物電極材料的

11、電容量主要也是由法拉第準電容提供的。其作用機理是，通過導電聚合物在充放電過程中的氧化還原反應，在聚合物中發(fā)生快速可逆的n型或p型元素摻雜和去摻雜氧化還原反應，使聚合物達到很高的儲存電荷密度，產(chǎn)生很高的法拉第準電容而實現(xiàn)電能儲存。3 論述題1. 電極過程的一般步驟有哪些？答： 反應物粒子向電極表面附近遷移液相傳質(zhì)步驟。 前置表面轉化步驟。電子轉移步驟或電化學步驟。隨后的表面轉化步驟或后置的表面轉化步驟。產(chǎn)物粒子自電極表面向溶液內(nèi)部或向液態(tài)電極內(nèi)部疏散的單元步驟液相傳質(zhì)步驟。 或是：反應產(chǎn)物生成新相如生成氣相、固相沉積層等新相生成步驟。2.什么是電化學？電化學反應有何特點？答：（1)電化學是研究第

12、一類導體與第二類導體的界面及界面上所發(fā)生的一切變化的科學。 (2)電化學反應特點：電化學反應是一種特殊的氧化還原反應。特殊性在于氧化、還原兩反應在不同的位置上進行，即在不同的界面上發(fā)生的，在空間上是分開的。電化學反應是一種特殊的異相催化反應。電化學反應發(fā)生在兩類導體的界面，固相為電極，電極具備催化性質(zhì)，但催化性質(zhì)與電極電勢有關。氧化反應和還原反應是等當量進行的，即得電子數(shù)與失電子數(shù)相同。氧化反應和還原反應互相制約，又各具獨特性。制約性體現(xiàn)在兩個反應同時進行，且電子得失數(shù)相同。獨立性體現(xiàn)在兩個反應分別在不同位置進行。3.為什么不能用普通電壓表測量電動勢？應該怎樣測量？答： 電池與伏特計接通后有電

13、流通過，在電池兩極上會發(fā)生極化現(xiàn)象，使電極偏離平衡狀態(tài)。另外，電池本身有內(nèi)阻，伏特計所量得的僅是不可逆電池的端電壓。因此電池電動勢不能直接用伏特表來測定。利用電位差計可在電池無電流（或極小電流）通過時測得其兩極間的電勢差，即為該電池的平衡電動勢。具體測試方法為：在待測電池上并聯(lián)一個大小相等，方向相反的外加電勢，這樣待測電池中就沒有電流通過，外加電勢差的大小就等于待測電池的電動勢。4.試分析DMFC與PEMFC在結構上的不同之處。答：（1）由甲醇陽極氧化電化學方程可知，當甲醇陽極氧化時，不但產(chǎn)生H+與電子，而且還產(chǎn)生氣體CO2，因此盡管反應物CH30H與H20均為液體，仍要求電極具有憎水孔。而且

14、由水電解工業(yè)經(jīng)驗可知，對析氣電極，尤其是采用多孔氣體擴散電極這類立體電極時，電極構成材料極易在析出的反應氣作用下導致脫落、損失，進而影響電池壽命。因此與PEMFC相比，在DMFC陽極結構與制備工藝優(yōu)化時，必須考慮CO2析出這一特殊因素。 （2）當采用甲醇水溶液作燃料時，由于陽極室充滿了液態(tài)水，DMFC質(zhì)子交換膜陽極側會始終保持在良好的水飽和狀態(tài)下。但與PEMFC不同的是，當DMFC工作時不管是電遷移還是濃差擴散，水均是由陽極側遷移至陰極側，即對以甲醇水溶液為燃料的DMFC，陰極需排出遠大于電化學反應生成的水。因此與PEMFC相比，DMFC陰極側不但排水負荷增大，而且陰極被水掩的情況更嚴重，在設

15、計DMFC陰極結構與選定制備工藝時必須考慮這一因素。5.管型SOFC電池組與平板型SOFC電池組相比各有何特點？答：（1）管型SOFC電池組由一端封閉的管狀單電池以串聯(lián)、并聯(lián)方式組裝而成。 管型SOFC的優(yōu)點：電池間的連接體設在還原氣氛一側，這樣可使用廉價的金屬材料作電流收集體。單電池采用串聯(lián)、并聯(lián)方式組合到一起，可以避免當某一單電池損壞時電池組完全失效。用鎳氈將單電池的連接體聯(lián)結起來，可以減小單電池間的應力。電池組相對簡單，容易通過電池單元之間并聯(lián)和串聯(lián)組成大功率的電池組。一般在很高的溫度下操作，主要用于固定電站，高溫SOFC一般采用管型結構。 管式SOFC的缺點：電流通過的路徑較長，限制了

16、SOFC的性能。 （2）平板型SOFC的空氣電極/YSZ固體電解質(zhì)/燃料電極燒結成一體，組成“三合一”結構。 平板型SOFC的優(yōu)點：“三合一”組件制備工藝簡單，造價低，電流收集均勻，流經(jīng)路徑短，使平板型電池的輸出功率密度較管式高。平板型SOFC的缺點：密封困難、抗熱循環(huán)性能差、難以組裝成大功率電池組。6.PEMFC有哪些主要特點和用途？其主要應用領域有哪些？答：（1）特點：除了具有FC的一般優(yōu)點外，PEMFC還具有：室溫下快速啟動；無電解質(zhì)液流失；比功率和比能量高；壽命長。 （2）用途：可用于分散電站，移動電源，是電動車、移動通訊和潛艇等的理想電源，也是最佳的家庭動力源。 （3）PEMFC的主

17、要應用領域可分為以下三大類： 1）用作便攜電源、小型移動電源，適用于軍事、通訊、計算機等2）用作交通工具動力，如摩托車、汽車、火車、船舶等3）用作分散型電站，適于用作海島、山區(qū)、邊遠地區(qū)或新開發(fā)地區(qū)電站。-II胡友根老師重點一、四種電池的比較：（1） 種類:鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池（2） 優(yōu)缺點：1. 鉛酸蓄電池：（1） 優(yōu)點： 原材料易得且價格低廉； 高倍率放電性能性能良好； 高低溫性能良好，可在-4060的環(huán)境下工作； 適合與浮充使用，使用壽命長無記憶效應； 廢電池容易回收，發(fā)達國家鉛的回收率高達96%。（2） 缺點： 比能量低，僅為3040Wh/kg； 使用壽命

18、沒有鎘鎳電池和鋰離子電池長； 制造過程易污染環(huán)境,需配三廢處理設備 。2. 鎳鎘電池：（1） 優(yōu)點：使用壽命長，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)，機械性能好。（2） 缺點：活性物質(zhì)利用率低，成本較高，負極鎘有毒，電池長期淺充放循環(huán)時有記憶效應。3. 金屬氫化物鎳電池（1） 優(yōu)點：能量密度高，可大電流快速充放電，環(huán)境相容性好（2） 缺點：自放電較大，壽命比鎳鎘電池稍差。4. 鋰離子電池（1）優(yōu)點：工作電壓高，高比能量，長循環(huán)壽命，較寬的工作溫度范圍，高可靠性（2）缺點：電池制造成本高，不能大電流放電。（3） 正負極材料1. 鉛酸蓄電池：正極為二氧化鉛，負極為海綿狀金屬鉛；

19、電解液為稀硫酸水溶液；標稱電壓為2V 2. 鎳鎘電池：正極為鎳的氧化物，負極為海綿狀金屬鎘；電解質(zhì)為氫氧化鉀溶液；標稱電壓為1.2V。3.4. 鋰離子電池：正極為含鋰的化合物，負極為碳素材料；電解液為非水溶劑；單電池電壓為3.6V（4） 成流反應（工作原理）1. 鉛酸蓄電池：2. 鎳鎘電池：3. 金屬氫化物鎳電池：4. 鋰離子電池：（5） 基本組成 正負極（活性物質(zhì)和板柵組成)、電解液、隔板、電池槽。二、鉛酸蓄電池：1、 板柵的概念及作用（1）板柵定義：由鉛基合金通過澆鑄而形成的格子體。（2）作用：活性物質(zhì)的載體，在電池的制造過程中，鉛膏就涂覆在他上面，活性物質(zhì)靠板柵來保持和支撐； 集流體，它

20、負擔著電池在充放電過程中電流的傳導，集散作用并使電流分布均勻。2.極板、生極板的定義（1）極板：化學電源的兩個電極由活性物質(zhì)和支撐及導電用的“集電體”組成，一般為片狀多孔體，稱為極板。（2）生極板：化成（充電）之前的極板為生極板，化成結束后，做好抗氧化處理，適合儲存和運輸?shù)臉O板叫做熟極板。3.極板化成的定義及原理（1）定義：極板化成是指利用化學和電化學反應使極板轉化成具有電化學特性的正、負極板的過程。（2）原理：化學反應：PbO+H2SO4PbSO4+H2O 3PbOPbSO4 H2O +3H2SO44PbSO4+4H2O電化學反應：在直流電的作用下，在正、負極板上分別發(fā)生電化學氧化和電化學還

21、原反應。 4.鉛負極不可逆硫酸鹽化（1）概念：簡稱硫化，是負極活性物質(zhì)在一定條件下生成堅硬、粗大、幾乎不溶解的硫酸鉛，所以在充電時不能轉化為海綿狀鉛，使電池容量大大降低的現(xiàn)象。（2）原因：通常是長期充電不足或放電狀態(tài)下長期儲存等使用或維護不當造成。（3）特征：充電時電壓上升快，放電時電壓下降迅速；充電時氣泡產(chǎn)生過早；電解液密度低于正常值；極板表面生成白色粒狀斑點；電池容量明顯下降。（4）預防：及時充電，不要過放電。5.鉛負極鈍化（1）現(xiàn)象：負極電極電勢升高、電極反應遲鈍（2）加速負極鈍化的因素：大電流放電、硫酸濃度大、放電溫度低5. 簡述鉛酸電池正負極的轉變過程，以及鉛酸電池的雙硫酸鹽化理論。

22、 三、鎳鎘電池：1、鎘鎳電池的密封原因、原理、措施。答：（1）原因：鎘鎳電池使用時不可避免的產(chǎn)生氣體，氣體溢出時會帶出電解液，腐蝕設備，而且要經(jīng)常補加電解液。開口電池中KOH電解液會發(fā)生碳酸酸化，降低電解液的電導率。影響電池壽命和性能。如果把電池密封就能解決以上問題。 （2）原理：電池密封最重要的條件是，防止儲存時產(chǎn)生氣體和消除工作時產(chǎn)生的氣體。鎘鎳電池是堿性不會發(fā)生自溶解而析出氫氣，另外負極海綿狀技術Cd具有很強的氧化合能力，正極充放電時產(chǎn)生的氧氣，只要擴散到負極，和容易于Cd進行化學反應或電化學反應而吸收掉。 （3）措施：負極大容量大于正極的容量，控制電解液用量，采用微孔隔膜，采用多孔薄型電極，采用反極保護，使用密封安全閥，正確使用和維護。四、金屬氫化物鎳電池1、 儲氫合金的定義答：能儲存氫的金屬和合金，統(tǒng)稱為儲氫合金。在常溫常壓下能與氫反應，成為金屬氫化物，通過加熱或減壓可以降儲存的氫釋放出來，通過冷卻或加壓又可以再次吸收氫，金屬氫化物氫密度比液氫還高，因而可以用于儲氫。2、 儲氫合金電池的原理答：（1）先吸收少量氫，形成含氫固溶體-MHx（相）合金結構保持不變； （2）固溶體進一步與氫反應，產(chǎn)生相變（結構改變）生成氫化物相-MHy（相）；反應式為： （3）繼續(xù)提高氫壓，金屬中的氫含量略有增加。五、鋰離子電池