化學(xué)電源基本概念

1、關(guān)于化學(xué)電源基本概念現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第一頁，共34頁本章重點(diǎn)：本章重點(diǎn)：化學(xué)電源的組成和工作原理化學(xué)電源的組成和工作原理：構(gòu)成電池的必要條件；化學(xué)電源的基本組成部分及其作用。化學(xué)電源的主要性能化學(xué)電源的主要性能：開路電壓和電動勢的意義及區(qū)別；內(nèi)阻及其對電池性能的影響；工作電壓及放電曲線的意義；容量、比容量、放電時率與放電倍率，利用率及其影響因素；能量，高比能量電池的條件；功率及其影響因素；自放電及其影響因素?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二頁，共34頁一、化學(xué)電源的組成和工作原理一、化學(xué)電源的組成和工作原理構(gòu)成電池的必要條件：構(gòu)成電池的必要條件：化學(xué)反應(yīng)中的兩個過程必須分隔在兩個區(qū)域進(jìn)行。（區(qū)別于一般的化學(xué)反應(yīng)）

2、物質(zhì)在發(fā)生氧化還原反應(yīng)時，電子必須經(jīng)過外電路。（區(qū)別于腐蝕電池 ）現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第三頁，共34頁 化學(xué)電源的基本組成部分及其作用：化學(xué)電源的基本組成部分及其作用： 電極 電解質(zhì) 隔膜 外殼現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第四頁，共34頁 化學(xué)電源的工作原理：化學(xué)電源的工作原理：以丹尼爾電池為例討論化學(xué)電源的工作原理：丹尼爾電池：（）ZnZnSO4（c1） CuSO4 （c2） Cu(+)負(fù)極： Zn2e Zn2 氧化正極： Cu22eCu 還原電池反應(yīng)：ZnCu2Zn2Cu 成流反應(yīng)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第五頁，共34頁二、二、 化學(xué)電源的分類化學(xué)電源的分類按工作性質(zhì)分：按工作性質(zhì)分：原電池，又稱一次電池蓄電池，又稱二次電池

3、儲備電池，又稱激活式電池燃料電池，又稱連續(xù)電池電化學(xué)電容器：超大容量或者超級電容器，介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型電源；分為雙電層電容器和贗電容器現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第六頁，共34頁 按電解質(zhì)的性質(zhì)分：按電解質(zhì)的性質(zhì)分： 電解質(zhì)為堿性水溶液堿性電池 電解質(zhì)為中性水溶液中性電池 電解質(zhì)為酸性水溶液酸性電池 電解質(zhì)為有機(jī)電解質(zhì)溶液有機(jī)電解質(zhì)電池 電解質(zhì)為固體電解質(zhì)固體電解質(zhì)電池現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第七頁，共34頁 按正負(fù)極活性物質(zhì)的材料分：按正負(fù)極活性物質(zhì)的材料分： Zn-MnO2系列電池。 ZnAgO系列電池 Cd-NiOOH電池 鉛酸電池 氫鎳電池 鋰離子電池 等等現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第八頁，共34頁 活性物質(zhì)的保存

4、方式分：活性物質(zhì)的保存方式分： 活性物質(zhì)保存在電極上 通常的一次、二次電池 活性物質(zhì)從外邊連續(xù)供給電極 燃料電池現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第九頁，共34頁三、三、 化學(xué)電源的主要性能化學(xué)電源的主要性能 電池的開路電壓與電動勢：電池的開路電壓與電動勢： 電動勢電動勢E： 電池兩極斷路時，處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，兩極平衡電位之差。開路電壓開路電壓V開：開：電池斷路時，兩極的穩(wěn)定電位之差?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十頁，共34頁電池的電動勢的大小是通過電池?zé)崃W(xué)原理理論計(jì)電池的電動勢的大小是通過電池?zé)崃W(xué)原理理論計(jì)算獲得，不能實(shí)驗(yàn)測定。即：算獲得，不能實(shí)驗(yàn)測定。即：E平平aAnecCbBnedD正極：負(fù)極：lncdcdabAB

5、RTnFa aEa a平平GE=-nFE 平平000正負(fù)正負(fù)（G ） （G ）G=-nFnF 由此可以明確地看出，若正極的電位越正，負(fù)極的電位越負(fù)，由此可以明確地看出，若正極的電位越正，負(fù)極的電位越負(fù)，電池的電動勢也就越高。電池的電動勢也就越高。 從元素的標(biāo)準(zhǔn)電位序來看，在元素周期表左上邊的元素（從元素的標(biāo)準(zhǔn)電位序來看，在元素周期表左上邊的元素（IA,IIA族）族）具有較負(fù)的電位，右上邊的元素（具有較負(fù)的電位，右上邊的元素（VIA,VIIA族）具有較正的電位。由這族）具有較正的電位。由這些元素組成的電池可以得到較高的電動勢。些元素組成的電池可以得到較高的電動勢。現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十一頁，共34頁其

6、中以其中以Li的電位為最負(fù)：的電位為最負(fù)：平=-3.045VLieLi(在酸性介質(zhì)中在酸性介質(zhì)中)氟的電位為最正：氟的電位為最正：平=2.87V 若做成鋰氟電池若做成鋰氟電池 ，其電動勢可達(dá)，其電動勢可達(dá)5.91V。這是化學(xué)電源中電動勢最高的數(shù)值。這是化學(xué)電源中電動勢最高的數(shù)值。 應(yīng)當(dāng)注意的是，在選擇電極活性物質(zhì)時，不能只看平衡電應(yīng)當(dāng)注意的是，在選擇電極活性物質(zhì)時，不能只看平衡電位數(shù)值的高低，還要看（位數(shù)值的高低，還要看（1）它在介質(zhì)中的穩(wěn)定性（）它在介質(zhì)中的穩(wěn)定性（2）材料來）材料來源（源（3）電化當(dāng)量等多方面的因素。例如）電化當(dāng)量等多方面的因素。例如LiF2,若組成電池，若組成電池，它具有

7、很高的電動勢，但由于它具有很高的電動勢，但由于Li只適用與非水溶劑電解質(zhì)，只適用與非水溶劑電解質(zhì)，F(xiàn)2是活性的氣體，不易儲存和是活性的氣體，不易儲存和和控制，因而由單質(zhì)和控制，因而由單質(zhì)Li與與F2組組成電池也是不切合實(shí)際的。成電池也是不切合實(shí)際的。FeF222LiFFLi222現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十二頁，共34頁 電池的內(nèi)阻：電池的內(nèi)阻： 電流通過電池內(nèi)部時受到的阻力，也叫全內(nèi)阻。電流通過電池內(nèi)部時受到的阻力，也叫全內(nèi)阻。 包括兩部分包括兩部分: 電池的歐姆內(nèi)阻 電極的極化所相當(dāng)?shù)膬?nèi)阻，也叫極化內(nèi)阻現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十三頁，共34頁 電池的工作電壓及放電曲線：電池的工作電壓及放電曲線： 工作電壓工作電

8、壓 電池工作時兩端的電壓 放電制度放電制度 人為規(guī)定的放電條件稱為放電制度 （放電電流、放電溫度、放電的終止電壓、 放電方式） 放電曲線放電曲線 用繪圖的方式表示出電壓隨時間的變化曲線現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十四頁，共34頁 根據(jù)電池的放電曲根據(jù)電池的放電曲線，通?？梢源_定電池線，通?？梢源_定電池的放電性能和電池的容的放電性能和電池的容量。量。1. 通常電池的放電曲線通常電池的放電曲線越平坦、穩(wěn)定、電池的越平坦、穩(wěn)定、電池的性能就越好。性能就越好。2. 電池的容量大小。電池的容量大小?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十五頁，共34頁電池的容量和比容量：電池的容量和比容量： 電池的容量電池的容量 電池在一定的放電制度下，所

9、放出的電量C，可以用安時（Ah)表示。表示。Ah表示表示1安培（安培（A）電流放電）電流放電1小時（小時（h）。）。1. 理論容量：理論容量： 理論容量是根據(jù)活性物質(zhì)的重量按法拉第理論容量是根據(jù)活性物質(zhì)的重量按法拉第定律計(jì)算出的電量。定律計(jì)算出的電量。理論容量的計(jì)算方法理論容量的計(jì)算方法（舉例說明）舉例說明） 例如：設(shè)某電池中的負(fù)極為例如：設(shè)某電池中的負(fù)極為 Zn，其重量為，其重量為13.5克，求鋅電極克，求鋅電極的理論容量？的理論容量？電極反應(yīng)：電極反應(yīng)：22Z neZ n現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十六頁，共34頁 另外由法拉第定律知道，另外由法拉第定律知道，1克當(dāng)量的活性物質(zhì)可產(chǎn)生克當(dāng)量的活性物質(zhì)可產(chǎn)

10、生96500庫庫侖的電量（侖的電量（96500/3600=26.8Ah)，也就是該有，也就是該有32.69克的克的Zn, 就可就可以產(chǎn)生以產(chǎn)生26.8Ah的電量，所以現(xiàn)在有的電量，所以現(xiàn)在有13.5克的鋅，理論上所能產(chǎn)生克的鋅，理論上所能產(chǎn)生的電量應(yīng)為：的電量應(yīng)為：Q理理=13.5/32.6926.8=11.1Ah 另外由于另外由于32.69克鋅可產(chǎn)生克鋅可產(chǎn)生26.8Ah的電量，故我們又可以的電量，故我們又可以得到：得到： 從反應(yīng)式知鋅的反應(yīng)電子數(shù)為從反應(yīng)式知鋅的反應(yīng)電子數(shù)為2，故，故1克當(dāng)量的克當(dāng)量的Zn應(yīng)為應(yīng)為65.382=32.69克克32.69克/26.8AH=1.22克/AH現(xiàn)在學(xué)

11、習(xí)的是第十七頁，共34頁 即理論上得到即理論上得到1Ah的電量，就需要消耗的電量，就需要消耗1.22克的鋅或消耗克的鋅或消耗1克克 鋅就可得到鋅就可得到0.82Ah的電量。的電量?；蚧?6.8Ah/32.69克克=0.82Ah/克克 通常把輸出通常把輸出1Ah的電量，理論所需要的活性物質(zhì)的量稱的電量，理論所需要的活性物質(zhì)的量稱為該物質(zhì)的電化當(dāng)量。有了為該物質(zhì)的電化當(dāng)量。有了電化當(dāng)量電化當(dāng)量，對理論電量的計(jì)算更為，對理論電量的計(jì)算更為方便了。方便了。如上例：如上例：Q理理=13.5/1.22=11.1Ah2. 實(shí)際容量：實(shí)際容量： 實(shí)際容量指在一定的放電制下（放電方式實(shí)際容量指在一定的放電制下（

12、放電方式,一定的電流密度和終止電壓等），電池所能給出的電量。一定的電流密度和終止電壓等），電池所能給出的電量?，F(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十八頁，共34頁實(shí)際容量的計(jì)算：實(shí)際容量的計(jì)算：（1）若是恒電流放電）若是恒電流放電（2）恒電阻放電）恒電阻放電由于恒電阻放電時，由于恒電阻放電時，I 是不斷變化的，故是不斷變化的，故QR要通過積分的要通過積分的方法計(jì)算：方法計(jì)算：IQ =I t(AH)00011tttRVQIdtdtVdtV tRRR平3. 額定容量：額定容量： 額定容量是指在一定的放電制度下，電池額定容量是指在一定的放電制度下，電池應(yīng)該給出的最低限度的容量。也就是設(shè)計(jì)指標(biāo)。應(yīng)該給出的最低限度的容量。也

13、就是設(shè)計(jì)指標(biāo)。電池的容量是電池的一個很重要的性能指標(biāo)。一個電池電池的容量是電池的一個很重要的性能指標(biāo)。一個電池現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第十九頁，共34頁的實(shí)際容量往往小于其理論容量，這主要是由于活性物質(zhì)的利用率低，的實(shí)際容量往往小于其理論容量，這主要是由于活性物質(zhì)的利用率低，不能達(dá)到不能達(dá)到100%。對活性物質(zhì)的利用率可用下式計(jì)算：對活性物質(zhì)的利用率可用下式計(jì)算：活性物質(zhì)利用率（活性物質(zhì)利用率（%）=M/g100%M 放電時按法拉第定律計(jì)算應(yīng)消耗的物質(zhì)的重量放電時按法拉第定律計(jì)算應(yīng)消耗的物質(zhì)的重量g 電池中實(shí)際存在的活性物質(zhì)的重量電池中實(shí)際存在的活性物質(zhì)的重量例如：例如：13.5克鋅理論上可放出克鋅理論上

14、可放出11.1AH的電量，若實(shí)的電量，若實(shí)際上用了際上用了20克，則克，則:13.5/20=67.5%現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十頁，共34頁影響容量的因素：影響容量的因素： 活性物質(zhì)的量：活性物質(zhì)的量：1. 活性物質(zhì)的利用率活性物質(zhì)的利用率活性物質(zhì)的活性活性物質(zhì)的活性 電池和電極的結(jié)構(gòu)電池和電極的結(jié)構(gòu) 電解液的量、濃度、質(zhì)量電解液的量、濃度、質(zhì)量 制造工藝制造工藝 放電制度放電制度 現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十一頁，共34頁 放電時率與放電倍率：放電時率與放電倍率： 放電時率放電時率以一定放電電流放完額定容量所需要的小時數(shù)放電倍率：在規(guī)定時間內(nèi)放完全部額定容量所需放電倍率：在規(guī)定時間內(nèi)放完全部額定容量所需的電流

15、值。的電流值。例如：若電池的額定容量為例如：若電池的額定容量為10Ah,以以2A放電，則放電，則:t放電時率放電時率=10Ah/2A=5h例如：若電池的額定容量為例如：若電池的額定容量為10Ah,以以5H放電，則放電，則:t放電倍率放電倍率=10Ah/5h=2A如是在1倍率(或叫1C)放電，是指用1h放完額定容量，所需電流為10A。如用2h放完電，則叫以0. 5 C放電，放電電流為10Ah/2h=5A現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十二頁，共34頁 能量和比能量能量和比能量: 能量能量 電池在一定的放電制度下，對外做功所輸出的能量。通常用瓦時（Wh)表示 （1）理論能量理論能量從熱力學(xué)上看，電池的理論能量等于

16、可逆從熱力學(xué)上看，電池的理論能量等于可逆過程電池所能做的最大有用功：過程電池所能做的最大有用功：()WGnFEQ E WH 理電現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十三頁，共34頁（2）電池的實(shí)際能量：）電池的實(shí)際能量：電池在一定的放電條件下實(shí)際放出的能量。電池在一定的放電條件下實(shí)際放出的能量。2.恒電阻放電時恒電阻放電時1.恒電位放電時恒電位放電時0tIWIVdtTV t平22001ttIVWIVdtdtV tRR平（3）比能量比能量: 單位體積或單位重量的電池所輸出的能量。單位體積或單位重量的電池所輸出的能量。1. 體積比能量：單位體積電池輸出的能量（瓦體積比能量：單位體積電池輸出的能量（瓦時時/L）2. 重

17、量比容量：單位重量電池所能輸出的能量重量比容量：單位重量電池所能輸出的能量（瓦瓦時時/Kg）a. 理論重量比能量理論重量比能量又可分為：又可分為：b. 實(shí)際重量比能量實(shí)際重量比能量現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十四頁，共34頁下面以鉛酸電池為例說明理論比能量的計(jì)算：下面以鉛酸電池為例說明理論比能量的計(jì)算：電池的總反應(yīng)：電池的總反應(yīng)：參加反應(yīng)的總物質(zhì)：參加反應(yīng)的總物質(zhì)： 該反應(yīng)能產(chǎn)生兩個法拉第的電量，如果該反應(yīng)能產(chǎn)生兩個法拉第的電量，如果642.6克物質(zhì)都能克物質(zhì)都能全部反應(yīng)，則就能產(chǎn)生全部反應(yīng)，則就能產(chǎn)生226.8=53.6Ah的電量。的電量。另查表可知：另查表可知：22442222PbPbOH SOPbS

18、OH OM=207.2（Pb）239.2(PbO2)298.08(H2SO4) =642.6克克(2/4)1.685PbOPbSOV正(4/)0.355PbSOPbV 負(fù)現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十五頁，共34頁所以：所以：2.04EV正負(fù) 故：故：642.6克反應(yīng)物在理論上所能產(chǎn)生的電能為：克反應(yīng)物在理論上所能產(chǎn)生的電能為：設(shè)比能量為設(shè)比能量為X，則，則642.6:109.3=1000:XW理理=53.62.04=Q理理E=109.3WhX=170.2Wh/Kg 對鉛酸電池來說，由于對鉛酸電池來說，由于H2SO4參加了反應(yīng)，故其電動勢與參加了反應(yīng)，故其電動勢與H2SO4的濃度有關(guān)。若取的濃度有關(guān)。若取

19、d=1.25的硫酸，換成活度的硫酸，換成活度 V=2.104V。表表11給出了一些電池的理論比能量和實(shí)際比能量。見下表：給出了一些電池的理論比能量和實(shí)際比能量。見下表：得到得到現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十六頁，共34頁一些電池的實(shí)際比能量與理論比能量一些電池的實(shí)際比能量與理論比能量 電池電池反應(yīng)電動勢（V） 理論比能量(Wh/Kg) 實(shí)際比能量(Wh/Kg) 鉛酸 2.104175.51050CdNi 1.326（E0） 214.31540FeNi 1.399（E0） 272.41025ZnAg 1.8521.59V平 =1.721487.560160Zn-Mn 1.623（開） 251.31050Zn

20、空氣 1.646（E） 135010025022442222Pb PbOHSOPbSOHO222222 ()()C dN iO O H HON iO HC dO H222222 ()()FeN iO O HHON iO HFeO H22AgOZnAg OZnO第一段：22Ag OZnAgZnO第二段：222A g OZ nA gZ n O2243222()ZnM nON HC lM nO O H ZnN H C l122Z nOZ n O現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十七頁，共34頁電池的功率與比功率電池的功率與比功率:功率功率在一定的放電制度下，單位時間內(nèi)電池所輸出的能量。比功率比功率（W/Kg，W/L).單位時間電池的比能量。比功率是電池的重要性能之一。一個電池的比功率越大，表示它可以承受的放電電流越大，或者說其可以在高倍率下放電。比功率與比能量比功率與比能量通常在I不是很大時，P隨I增大而增大，但比能量下降理論上電池的功率可以用下式表示：理論上電池的功率可以用下式表示： P=IE現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十八頁，共34頁現(xiàn)在學(xué)習(xí)的是第二十九頁，共34頁 電池的自放電和貯存性能電池的自放電和貯存性能: 貯存性能貯存性能 貯存時所表現(xiàn)出的性能。 電池的貯存分為干貯存(不帶電液)和濕貯存(帶電液). 自放電自放電 電池在貯存一段時間后，容量