第三章化學(xué)電源

1、Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electro

2、chemistry2022-6-26學(xué)習(xí)內(nèi)容與任務(wù) 教學(xué)要求：掌握有關(guān)化學(xué)電源的基本術(shù)語(yǔ)和有關(guān)電池性能測(cè)試的基本方法，掌握若干一次電池的反應(yīng)原理，了解若干一次電池的基本構(gòu)造 重點(diǎn)：若干一次電池的反應(yīng)原理，電池性能測(cè)試的基本方法 難點(diǎn)：若干一次電池的構(gòu)造Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry3教學(xué)要求：掌握氫鎳電池、鋰電池和鋰離子電池的工

3、作原理，了解氫鎳電池、鋰電池的構(gòu)造，掌握燃料電池工作原理，了解其構(gòu)造 重點(diǎn)：各類(lèi)電池的工作原理 難點(diǎn)：各類(lèi)電池的構(gòu)造及目前研究趨勢(shì)Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry 形形色色的電池 A CuZn 稀H2SO4KOH溶液 CH4 O2 H2Oa極 b極Huaihua University Chemistry and chemical

4、egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry用于汽車(chē)的鉛蓄電池和燃料電池Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry用于“神六”的太陽(yáng)能電池筆記本電腦專(zhuān)用電池手機(jī)專(zhuān)用電池?cái)z

5、像機(jī)專(zhuān)用電池各式各樣的紐扣電池Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26第三章第三章 電化學(xué)電源電化學(xué)電源3.1 概述3.2 一次電池3.3 二次電池3.4 燃料電池Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua Universi

6、ty Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-263.1 概述3.1.1 主要術(shù)語(yǔ)3.1.2 化學(xué)電源的主要性能3.1.3 化學(xué)電源的選擇和應(yīng)用（自學(xué)）Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-263.1.1 主要術(shù)語(yǔ)

7、 化學(xué)電源又稱(chēng)電池（battery），是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。對(duì)于提供能量稱(chēng)為放電，反之為充電。電池由正負(fù)極構(gòu)成，分隔在兩個(gè)區(qū)域。 電池組：由兩個(gè)或多個(gè)電池以串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)形式組合而成。組合方式取決于用戶(hù)希望得到的工作電壓和容量等。 化學(xué)電源按其工作性質(zhì)和儲(chǔ)存方式可分為一次電池或原電池、二次電池或可充電電池或蓄電池、儲(chǔ)備電池和燃料電池四大類(lèi)。它們都是由兩種不同的電極材料（正、負(fù)極）和用以將兩個(gè)電極分隔開(kāi)的隔膜及電解液和外殼等組成。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua Universi

8、ty Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 正極和負(fù)極：由相應(yīng)的活性物質(zhì)和一些添加劑組成。 活性物質(zhì)：指在電池充放電過(guò)程中參與電極反應(yīng)，影響電池容量和性能的物質(zhì)。正極活性物質(zhì)的電極電勢(shì)越高，負(fù)極活性物質(zhì)的電極電勢(shì)越負(fù)，電池的電動(dòng)勢(shì)就越大。同時(shí)，活性物質(zhì)的電化學(xué)活性高，電極反應(yīng)的速度就快，電池的性能也就越好。 添加劑：能提高電極導(dǎo)電性能的導(dǎo)電劑、增加活性物質(zhì)粘結(jié)力的粘結(jié)劑以及能延緩金屬電極腐蝕的腐蝕劑。 電解液：高的電導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性好、不易揮發(fā)和易于長(zhǎng)期貯存。Huaihua U

9、niversity Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 溶劑：在電池充放電的電位范圍內(nèi)具有高的化學(xué)穩(wěn)定性和好的流動(dòng)性。 隔膜：是將電池正、負(fù)極分隔開(kāi)以防兩極直接接觸而短路的無(wú)機(jī)或有機(jī)隔膜。要具有高的離子傳輸能力、極低的電子導(dǎo)電能力、好的化學(xué)穩(wěn)定性和一定的機(jī)械強(qiáng)度等。常用的隔膜有漿層紙、微孔塑料、微孔橡膠、石棉、玻璃氈和全氟磺酸膜等，鋰電池中常用聚丙烯或

10、纖維紙作為隔膜。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-263.1.2 化學(xué)電源的主要性能 1. 化學(xué)電源的電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓 電池的電動(dòng)勢(shì)（electromotive fore，E）：又稱(chēng)理論電壓，指沒(méi)有電流流過(guò)外電路時(shí)電池正負(fù)兩極間的電極電勢(shì)差。大小由電池反應(yīng)的Gibbs自由能變化來(lái)決定。 電池的開(kāi)路電壓（open cir

11、cuit voltage，OCV）：在無(wú)負(fù)荷的情況下，只有可逆電池的開(kāi)路電壓才等于電池電動(dòng)勢(shì)，一般電池的開(kāi)路電壓總小于電池的電動(dòng)勢(shì)。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 2. 工作電壓和電池內(nèi)阻 電池的工作電壓：電池有電流流過(guò)時(shí)的端電壓，隨輸出電流的大小、放電深度和溫度等變化而變化。當(dāng)有電流流過(guò)電池時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)極

12、化、濃差極化和歐姆極化等（稱(chēng)為電池內(nèi)阻），使得電池的工作電壓總是低于開(kāi)路電勢(shì)。額定電壓：電池工作時(shí)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。 中點(diǎn)電壓：電池放電期間的平均電壓。 截止電壓：電池放電終止時(shí)的電壓值，是放電倍率的函數(shù)。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 當(dāng)電池外加一負(fù)載時(shí)，外電路中有電流通過(guò)，電池對(duì)外做功，電池的工作電壓為：放電

13、時(shí)， V = E + IR IRp充電時(shí)， V = E + + + IR+ IRp式中，E為電池電動(dòng)勢(shì)，I為電池工作電流， + 和 為正極和負(fù)極的極化超電勢(shì)，R和Rp分別為歐姆電阻和有電流通過(guò)時(shí)的極化內(nèi)阻化學(xué)電源的內(nèi)阻 R = (EV)/I極化內(nèi)阻 Rp = (+ + )/IHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 極化

14、內(nèi)阻：電池工作時(shí)，由于電化學(xué)極化和濃差極化引起的，與電極材料的本質(zhì)、電池的結(jié)構(gòu)、制造工藝和工作電流的大小等有關(guān)。為降低電極的內(nèi)阻，電極一般做成多孔電極，同時(shí)盡量選擇電極反應(yīng)時(shí)具有高交換電流密度的活性物質(zhì)。 歐姆內(nèi)阻：電池組件的離子電阻和電子電阻之和。包括電解液的歐姆電阻、電極材料上的固相歐姆電阻和隔膜的電阻。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochem

15、istry2022-6-263. 電流和反應(yīng)速率 電流是電池放電（或充電）速度的一種度量，與電子遷移速度、離子遷移速度、電池的制造工藝和電池大小等有關(guān)。4. 電池的容量及影響因素 電池容量（C）：一定放電條件下，電池放電到終止電壓時(shí)所放出的電量。單位為庫(kù)倫（C）或安時(shí)（Ah）電池容量與電池的大小、放電速度和放電截止電壓有關(guān)。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Ele

16、ctrochemistry2022-6-26電池的理論容量可通過(guò)法拉第電流定律來(lái)計(jì)算：C = mzF/M式中，M為活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，z為電池反應(yīng)中電子的計(jì)量數(shù)，C即為電池放電的容量，單位為庫(kù)倫或安時(shí)時(shí)，兩者換算關(guān)系為96500庫(kù)倫相當(dāng)于26.8安時(shí)。恒電流放電，C = 0t i(t)dt = it變電流放電，C = 0t i(t)dt恒電阻放電，C = 0t i(t)dt = 1/R 0t V(t)dt Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and

17、 chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26以下為電池在不同放電模式下的放電曲線。圖3.1 電池在不同放電模式下的放電曲線Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry19假設(shè)電池的放電電流在開(kāi)始放電時(shí)相同，三種放電假設(shè)電池的放電電流在開(kāi)始放電時(shí)相同，三種放電模

18、式下，放電電流不同，其中，恒電阻模式的平均模式下，放電電流不同，其中，恒電阻模式的平均放電電流最低，使用時(shí)間最長(zhǎng)放電電流最低，使用時(shí)間最長(zhǎng)假設(shè)相同平均放電電流，電池的使用時(shí)間大致相同，假設(shè)相同平均放電電流，電池的使用時(shí)間大致相同，恒電阻模式下電壓調(diào)節(jié)最好，恒功率模式（恒電阻模式下電壓調(diào)節(jié)最好，恒功率模式（I I* *V V）在）在電池整個(gè)壽命期間具有向負(fù)載提高最均勻功率的優(yōu)點(diǎn)電池整個(gè)壽命期間具有向負(fù)載提高最均勻功率的優(yōu)點(diǎn)，使電池能量得到最有效的利用，使電池能量得到最有效的利用Huaihua University Chemistry and chemical egineering Departm

19、entHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 實(shí)際上，電池放出的能量只是理論容量的一部分。不僅是因?yàn)榉欠磻?yīng)成分（電解液、隔膜、外殼等）增加了電池的質(zhì)量和體積，而且由于歐姆極化和電化學(xué)極化等的存在，導(dǎo)致了電池的實(shí)際容量總是小于電池的理論容量，其比成為活性物質(zhì)利用率。= 電池實(shí)際容量/電池理論容量100% =0t idt/(mzF/M) 電池容量是評(píng)價(jià)電池性能最重要的指標(biāo)之一，實(shí)際生產(chǎn)中常用比容量來(lái)反映電池的容量性能。 比容量：?jiǎn)挝毁|(zhì)量或單位體積

20、電池所輸出的電量，分別以Ah1和AhL1表示。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 質(zhì)量比容量間接地反映了活性物質(zhì)的利用率，而體積比容量則反映了電池結(jié)構(gòu)的特征。額定容量是指在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電池時(shí)，規(guī)定或保證在制定的放電條件下電池應(yīng)該放出的最低限度的電量。電池容量可通過(guò)放電時(shí)的放電曲線測(cè)定。 放電條件：指放電電流、放點(diǎn)深度

21、、放電形式、放電期間電池的溫度等。電池放電電流的大小常用放電倍率來(lái)表示，即：放電倍率= 額定容量(Ah)/放電電流(A)Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 例：某電池額定容量20Ah，若以4A放電，則放完20Ah的額定容量需要5h，即以5h率放電，放電倍率表示為“C/5”或0.2C；若以0.5h率放電，就是用40A

22、的電流放電，放電倍率為C/0.5或2C。放電倍率越大，表示放電電流越大，電池容量亦會(huì)降低較大。 放電深度（depth of discharge）：電池放電量占其額定容量的百分?jǐn)?shù)。一般情況下，電池放電深度只為額定容量的20% 40%。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 5. 比能量和比功率 電池的能量：指在一定放電條

23、件下電池所能作出的電功，等于放電容量和電池平均工作電壓的乘積，單位瓦時(shí)（Wh）。 電池的比能量：指單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的能量，分別以Wh1和WhL1表示。 電池的功率：指在一定放電條件下，電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量，單位為瓦（W）或千瓦（kW）。 電池的比功率：指單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的功率，分別以W 1 和WhL1表示。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentAp

24、plied Electrochemistry2022-6-26 6. 電池的壽命 電池的壽命（life）包含三種涵義： 使用壽命：指在一定條件下，電池工作到不能使用的工作時(shí)間 循環(huán)壽命：指在二次電池報(bào)廢之前，在一定充放電條件下，電池經(jīng)歷充放電循環(huán)的次數(shù)。 貯存壽命：指電池性能或電池容量降低到額定指標(biāo)以下時(shí)的貯存時(shí)間。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electro

25、chemistry2022-6-26 7. 自放電 自放電（self discharge）：指由于電池中一些自發(fā)過(guò)程的進(jìn)行而引起的電池容量的損失。引起電池自放電的原因主要有以下幾點(diǎn)：PbO2 + H2SO4 PbSO4 + H2O + O2 （1）不期望的副反應(yīng)發(fā)生，如在鉛酸電池的正極上就發(fā)生了以下反應(yīng)： （2）電池內(nèi)部變化而導(dǎo)致的接觸問(wèn)題 （3）活性物質(zhì)的再結(jié)晶Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering D

26、epartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 （4）電池的負(fù)極大多使用的是活潑金屬，可能發(fā)生陽(yáng)極溶解。 （5）無(wú)外接負(fù)載時(shí)電池在電解質(zhì)橋上的放電等。8. 過(guò)充電 對(duì)于二次電池，如果充電時(shí)間太長(zhǎng)，電池可能會(huì)被過(guò)充電（over discharge），必然會(huì)出現(xiàn)新的電極反應(yīng)，如水的電解，從而影響電池的循環(huán)壽命。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentA

27、pplied Electrochemistry2022-6-263.2 一次電池3.2.1 一次電池的通性及應(yīng)用3.2.2 堿性鋅錳電池3.2.3 其他幾種鋅一次電池3.2.3 鋰電池Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry電池的標(biāo)識(shí)電池的標(biāo)識(shí) 圓柱型電池標(biāo)記為圓柱型電池標(biāo)記為“R R”。在。在“R R”后面有特定的數(shù)字后面有特定的數(shù)字，

28、表示電池的尺寸：我國(guó)俗稱(chēng)大號(hào)、，表示電池的尺寸：我國(guó)俗稱(chēng)大號(hào)、2 2號(hào)、號(hào)、5 5號(hào)、號(hào)、7 7號(hào)電池，號(hào)電池，IECIEC中分別稱(chēng)為中分別稱(chēng)為R20R20、RI4RI4、R6R6、R03R03，美國(guó)，美國(guó)表示表示D D、C C、AAAA、AAAAAA，在表示形狀的字母如在表示形狀的字母如“R R”前又有一個(gè)表示不同電解前又有一個(gè)表示不同電解質(zhì)體系的字母。如普通鋅錳電池?zé)o識(shí)別字母；堿質(zhì)體系的字母。如普通鋅錳電池?zé)o識(shí)別字母；堿性鋅一錳電池為性鋅一錳電池為L(zhǎng) L；鋅一氧化銀電池：；鋅一氧化銀電池：S S；鋅一鎳電；鋅一鎳電池：池：Z Z。如。如5 5號(hào)堿性鋅一錳電池，標(biāo)記為號(hào)堿性鋅一錳電池，標(biāo)記為

29、“LR6LR6”。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry普通鋅一錳電池?cái)?shù)字后還有一個(gè)英文字母如：普通鋅一錳電池?cái)?shù)字后還有一個(gè)英文字母如：S S、C C、P P。S S表示普通型；表示普通型；C C為高容量型；為高容量型；P P為高功率型（指為高功率型（指輸出電流相對(duì)比普通型可大一些）。一般無(wú)輸出電流相對(duì)比普通型可大一些）。一般無(wú)S S、

30、C C、P P標(biāo)識(shí)的電池大部分是最普通的標(biāo)識(shí)的電池大部分是最普通的S S型電池。型電池。方形電池標(biāo)記為方形電池標(biāo)記為S S；扁形電池標(biāo)記為；扁形電池標(biāo)記為F F。如如9V9V普通鋅錳電池標(biāo)記為普通鋅錳電池標(biāo)記為“6F226F22”，表示由，表示由6 6個(gè)扁個(gè)扁形普通單體鋅錳電池串聯(lián)組成。形普通單體鋅錳電池串聯(lián)組成。 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electro

31、chemistry2022-6-263.2.1 一次電池的通性及應(yīng)用 一次電池（原電池）為電池放電后不能用充電的方法使它復(fù)原的一類(lèi)電池。 一次電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：方便、簡(jiǎn)單、容易使用，維修工作量極少，貯存時(shí)間長(zhǎng)，適當(dāng)?shù)谋饶芰亢捅裙β?、可靠、成本低?一次電池有許多類(lèi)型，按使用的電解液分類(lèi)可分為堿或酸性電池、鹽類(lèi)電解質(zhì)電池、有機(jī)電解質(zhì)溶液電池和固體電解質(zhì)電池。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering Depar

32、tmentApplied Electrochemistry2022-6-26按使用的電解液分類(lèi) 正極 負(fù)極 電解液堿性或酸性電池鹽類(lèi)電解質(zhì)電池有機(jī)電解質(zhì)溶液電池固體電解質(zhì)電池MnO2 Zn KOHMnO2 Li LiClO4MnO2 Zn NH4Cl/ZnCl2 O2 Zn NH4Cl/ZnCl2SOCl2 Li SOCl2/LiAlCl4(CF4)n Li LiClO4CuO Li LiClO4RbI3 Ag RbAg4I5 Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Ch

33、emistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-263.2.2 堿性鋅錳電池 鋅錳干電池已有100多年發(fā)展歷史，它具有成本低、令人滿(mǎn)意的性能和立即可用的特點(diǎn)，至今仍是使用最為廣泛的一種一次電池。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋅錳干電池系列出現(xiàn)了改進(jìn)型，堿性鋅錳電池和空氣極化電池可視為其改進(jìn)。 鋅錳干電池已由最初的NH4Cl作電解液發(fā)展為以ZnCl2或MgCl2、濃KOH作電解液的幾種類(lèi)型。堿性鋅錳電池在允許的放電強(qiáng)度、低溫下的工作能力、比能量和貯存性能等方面都超過(guò)了鋅錳干電池，已逐漸代替了原有的以鹽類(lèi)作電解

34、質(zhì)的鋅錳電池。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26鹽類(lèi)電解液的鋅錳電池表示為：（）Zn NH4Cl + ZnCl2 MnO2 , C（+）負(fù)極反應(yīng)：Zn 2e Zn2+正極反應(yīng)：2MnO2 + 2H2O + 2e 2MnOOH + 2OH放電過(guò)程離子反應(yīng)：Zn2+ +2NH4Cl + 2OH Zn(NH3)2Cl2

35、+ 2H2O電池反應(yīng)：Zn + 2MnO2 + 2NH4Cl 2MnOOH + Zn(NH3)2Cl2Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 電池采用含NH4Cl和ZnCl2的水溶液作電解質(zhì)（pH5），采用Zn和石墨分別作為負(fù)極和正極的集電器。在25時(shí)電池的可逆電池電動(dòng)勢(shì)約為1.55V，電池的開(kāi)路電壓為1.50V。電池

36、電壓較穩(wěn)定，但自放電現(xiàn)象較明顯。堿性電解液的鋅錳原電池表達(dá)式為：（）Zn 濃KOH MnO2 , C（+）負(fù)極反應(yīng)：Zn + 2OH 2e Zn(OH)2 Zn(OH)2 + 2OH Zn(OH)42Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26正極反應(yīng)：MnO2 + H2O + e MnOOH + OH MnOOH + H2

37、O + e Mn(OH)2 + OH電池反應(yīng)：Zn + MnO2 + 2H2O + 2OH Mn(OH)2 + Zn(OH)42 電池采用濃度為714molL1的濃KOH溶液作電解液，在25時(shí)電池的電動(dòng)勢(shì)為1.551.85V，電池的工作電壓約為1.20V。實(shí)際工作電壓值取決于放電負(fù)荷和電池荷電狀態(tài)，單位電池的截止電壓為0.9V，對(duì)大電流放電時(shí)，截止電壓可取更低些。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering D

38、epartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 從圖中可看出：堿性鋅錳電池放點(diǎn)反應(yīng)包括了MnO2陰極還原和鋅的陽(yáng)極溶解當(dāng)正極MnO2以單電子反應(yīng)放電（MnO2 + H2O + e MnOOH + OH）時(shí)正極的理論容量為0.31Ahg1，隨著放電過(guò)程的進(jìn)行：MnOOH最終轉(zhuǎn)變?yōu)镸n(OH)2（MnOOH + H2O + e Mn(OH)2 + OH）圖3.2 堿性鋅錳電池的放電曲線Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemist

39、ry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 堿性鋅二氧化錳的主要特征為： 高密度的二氧化錳陰極；大面積的鋅陽(yáng)極以及高導(dǎo)電性能的KOH電解液；電池的正極由70%的電解MnO2、10%的石墨和1%2%的乙炔黑陰極適量的粘合劑和電解液等混合通過(guò)模壓而成；電池的負(fù)極由一定粒徑分布（0.00750.8mm）的高純度鋅粉（70%80%）、黏接劑（6%）、KOH溶液以及表面活性劑等添加劑擠壓成凝膠或粉末電極，有時(shí)也在負(fù)極中加入極少量鉛以提高電極的耐腐蝕性能。Huaihua University Chemistr

40、y and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry 鋅錳干電池可根據(jù)不同的用途和特性，制成不同形狀和規(guī)格的單體電池。它們所用的原材料大體一樣，只是正極電芯粉和電解液等的配比不同，通常有圓筒形和方形兩種。（見(jiàn)下圖）Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and

41、chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry圓柱形電池結(jié)構(gòu)： 與石墨和乙炔黑相混合的二氧化錳沿鋼殼內(nèi)表面壓制成型，鋼殼為正極集流器；負(fù)極處于中心位置，由鋅粉和電解液混合物組成；良好吸濕性且化學(xué)穩(wěn)定高的隔膜將正負(fù)極隔開(kāi)，中心的鋼集成器和鋅緊密接觸，連接電池地步稱(chēng)為負(fù)極端，絕緣套置于鋼殼和外部鋼夾套之間Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering De

42、partmentApplied Electrochemistry2022-6-263.2.3 其他幾種鋅一次電池 1. 鋅氧化汞電池鋅氧化汞電池的表達(dá)式為：（）Zn 濃KOH HgO , C（+）負(fù)極反應(yīng)：Zn + 2OH 2e Zn(OH)2 Zn(OH)2 + 2OH Zn(OH)42正極反應(yīng)：HgO + H2O + 2e Hg + 2OH電池反應(yīng)：Zn + HgO + 2OH + H2O Hg + Zn(OH)42Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemis

43、try and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 該電池采用濃的KOH溶液作電解液，集電器分別為Zn和石墨，25時(shí)電池的電動(dòng)勢(shì)為1.35V，電池開(kāi)路電壓值與電動(dòng)勢(shì)基本一致。 該電池優(yōu)點(diǎn)：電動(dòng)勢(shì)和電壓穩(wěn)定；比能量高、自放電??；活性物質(zhì)利用率高，對(duì)于鋅負(fù)極接近100%，對(duì)HgO正極約為90%；可在較高溫度下工作（到70）密封性好。 該電池缺點(diǎn)：正極材料昂貴且有污染的危險(xiǎn)，低溫工作的能力差。Huaihua University Chemistry and chemical egineering Depart

44、mentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 2. 鋅空氣電池 直接使用空氣中的氧氣，將鋅和氧氣反應(yīng)的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，氧氣在需要時(shí)擴(kuò)散到電池中作為陰極反應(yīng)物。在放電過(guò)程中 空氣陰極催化氧氣還原而本身并不消耗或變化，可達(dá)到很高的能量密度，增大了負(fù)極鋅可以利用的體積。鋅空氣電池的表達(dá)式為：（）Zn KOH O2 , C（+）負(fù)極反應(yīng)：Zn + 2OH 2e ZnO + H2OHuaihua University Chemistry and c

45、hemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26正極反應(yīng)：O2 + H2O + 2e 2OH電池反應(yīng)：Zn + O2 ZnO 該電池以濃的KOH溶液作為電解液，集電器分別為Zn 和石墨，電池的電動(dòng)勢(shì)與空氣中氧的分壓有關(guān)，當(dāng)氧氣分壓為21%時(shí)，E=1.63V，氧電極反應(yīng)交換電流密度較小，開(kāi)路電壓為1.41.5V。 影響電池性能的主要因素是氧電極的電化學(xué)行為，將氧電極制成多孔氣體擴(kuò)散電極，選用能有效

46、催化氧氣還原的物質(zhì)用作催化劑，用活性碳作載體，以Pt,Ag,Ni,MnO2,等作電催化劑。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 鋅空氣電池的優(yōu)點(diǎn)：比能量高，放電電壓平穩(wěn)，工作電流平穩(wěn)，進(jìn)行大電流放電時(shí)性能好，可以長(zhǎng)期貯存，不污染環(huán)境。 鋅空氣電池的缺點(diǎn)：輸出功率較低。3. 鋅氧化銀電池 堿性鋅氧化銀電池鋅粉為負(fù)極，以

47、氧化銀粉（Ag2O或AgO）壓制成正極，電解液為飽和了鋅酸鹽的濃堿溶液（20%45%）。其電池表達(dá)式為：（）Zn KOH Ag2O , C（+）Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26負(fù)極反應(yīng)：Zn + 2OH 2e ZnO + H2O正極反應(yīng)：Ag2O + H2O + 2e 2Ag + 2OH電池反應(yīng)：Zn + Ag2

48、O ZnO + 2Ag 該電極負(fù)極采用了多孔鋅電極技術(shù)，正極采用Ag2O粉末電極，添加少量石墨來(lái)改善電極的導(dǎo)電性。電解液一般用飽和了鋅酸鹽的KOH溶液（高倍率電池）、低倍率電池用NaOH溶液，電池的電動(dòng)勢(shì)為1.605V。 該電池優(yōu)點(diǎn)：很高的能量密度100150Wh1，高的容量，優(yōu)越的大電流放電性能，非常平穩(wěn)的放電性能以及低溫性能好，壽命長(zhǎng)及內(nèi)阻基本不變。該電池缺點(diǎn)：成本高，限制了其大范圍的使用。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemi

49、cal egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-263.2.4 鋰電池 鋰電池是負(fù)極用金屬鋰或鋰合金或含鋰化合物的一類(lèi)電池的總稱(chēng)。 鋰是最輕的金屬（=0.534g/cm3），理論容量為鋅的4.7倍，具有最低的電負(fù)性，電極電勢(shì)最負(fù)，鋰電池的工作電壓高達(dá)4V以上，輸出能量超過(guò)200Wh1。工作溫度范圍為：7040，比功率大，具有平穩(wěn)的放電性。但鋰電池的缺點(diǎn)也是明顯的，安全性欠佳，價(jià)格昂貴，生產(chǎn)工序復(fù)雜等限制了其大規(guī)模的使用。Huaihua University Chemistry and chemical egineering Dep

50、artmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26因此，一般用作鋰電池電解液的有機(jī)溶劑有乙腈(AN)、2甲亞砜(DMSO)、碳酸丙稀酯(PC)、1,2二甲氧基乙烷( DME)、丁內(nèi)酯(BL)等，還有用無(wú)機(jī)溶劑的，如亞硫酰氯(SOCl2)、硫酰氯(SO2Cl2)。支持電解質(zhì)有：LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiPF6、LiCl、LiAlCl4等。 鋰電池有許多種類(lèi)，按是否可以充電分為一次電池和二次電池，按電解質(zhì)的種類(lèi)又可分為可溶正極

51、鋰電池、固體正極鋰電池和固體電解質(zhì)鋰電池三大類(lèi)。 鋰電池一般采用有機(jī)溶劑作為電解液：必須是質(zhì)子惰性的、必須不與金屬鋰及正極材料發(fā)生反應(yīng)、必須有高的離子傳導(dǎo)性能、應(yīng)在一個(gè)寬的溫度范圍內(nèi)保持為液體、應(yīng)具有適宜的物理性能（如低的飽和蒸汽壓、無(wú)毒性等）。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-261. 可溶正極鋰電池 Li/SO2電

52、池是鋰一次電池中較為先進(jìn)的一種，這種電池的能量密度高達(dá)280Wh1，該電池尤其以可高功率輸出和卓越的低溫性能著稱(chēng)。電池的表達(dá)式為：（）Li LiBr , 乙腈 SO2 , C（+） 該電池以多孔的碳和SO2作為正極，SO2以液態(tài)形式加到電解質(zhì)溶液內(nèi)，電池反應(yīng)為：2Li + 2SO2 Li2S2O4Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2

53、022-6-26 Li/SOCl2電池是目前世界上實(shí)際應(yīng)用的電池系列中能量密度最高的一種電池，能量密度可達(dá)500Wh1。電池的表達(dá)式為：（）Li LiAlCl4 , SOCl2 C（+） 該電池以多孔碳作為正極，SOCl2既是溶劑，有時(shí)正極活性溶劑，電池反應(yīng)為：4Li + 2SOCl2 4LiCl + S + SO2 該電池負(fù)極是壓制在Ni網(wǎng)上的鋰箔，正極采用乙炔黑和聚四氟乙烯等混合后，制成薄片壓制在鎳網(wǎng)上，開(kāi)路電壓為3.6V，工作電壓為3.33.5V，放電截止電壓為3V。Huaihua University Chemistry and chemical egineering Departme

54、ntHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 Li/SO2Cl2電池是另一種無(wú)機(jī)電解質(zhì)鋰電池，電池表達(dá)式為：（）Li LiAlCl4 , SO2Cl2 C（+）負(fù)極反應(yīng)：2Li 2e 2Li+正極反應(yīng)：SO2Cl2 + 2e 2Cl + SO2電池反應(yīng)：2Li + SO2Cl2 2LiCl + SO2 該電池同樣以碳作為正極，SO2Cl2既是溶劑，又是正極活性物質(zhì)，電池的開(kāi)路電壓為3.9V，電池安全性能好Huaihua University C

55、hemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-262. Li/MnO2電池 Li/MnO2電池以金屬鋰為負(fù)極，電解質(zhì)為L(zhǎng)iClO4溶解于PC和1,2DME混合溶劑中，正極為經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)處理的MnO2，能量密度大于200Wh1。電池表達(dá)式為：（）Li LiClO4+PC+DME MnO2 , C （+）負(fù)極反應(yīng)：Li e Li+正極反應(yīng)：MnO2 + Li+ + e LiMn

56、O2電池反應(yīng)：Li + MnO2 LiMnO2 該電池在放電過(guò)程中鋰離子進(jìn)入MnO2晶格中，使錳還原，電池開(kāi)路電壓為3.5V，放電電壓穩(wěn)定，工作溫度范圍廣（2055），自放電少，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-263. 鋰聚四氟化碳電池電池表達(dá)式為（）Li LiBF4 , PC+DME (CFx)n ,

57、C（+）負(fù)極反應(yīng)：nxLi nxe nxLi+正極反應(yīng)：(CFx)n + nxe nC + nxF電池反應(yīng)：nLi + (CFx)n nLiF + nC 電池的正極活性物質(zhì)為固體聚四氟化碳(CFx)n白色固體，0 x1.5，該化合物是碳粉和氟反應(yīng)生成的夾層化合物，氟原子在石墨六角環(huán)狀的椅式排列的行間結(jié)合，平均行間距為0.73nm，化合物在400空氣中不分解，理論能量密度2000Wh1，實(shí)際能量密度為250480Wh1工作電壓為2.22.8V。Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua Univer

58、sity Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-263.3 二次電池3.3.1 二次電池的一般性質(zhì)及應(yīng)用3.3.2 鉛酸蓄電池3.3.3 堿性Ni/Cd電池3.3.4 氫鎳電池3.3.5 鋰電池和鋰離子電池3.3.6 Na/NiCl2二次電池3.3.7 處于研究、開(kāi)發(fā)中的鋅二次電池Huaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemica

59、l egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-263.3.1 二次電池的一般性質(zhì)及應(yīng)用 二次電池，又稱(chēng)蓄電池或可充電電池，為電池放電后可通過(guò)充電方法是活性物質(zhì)復(fù)原后能再放電，且充、放電過(guò)程能反復(fù)多次循環(huán)進(jìn)行的一類(lèi)電池。 二次電池的重要特點(diǎn)是：放電時(shí)化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，充電時(shí)電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能并貯存于電池中，能量轉(zhuǎn)換效率高并且影響電池循環(huán)壽命的物理變化也極小。 二次電池的歷史：1859年布蘭特研制出鉛酸電池，1908年愛(ài)迪生發(fā)明了堿性鐵鎳蓄電池，1909年開(kāi)始鎳鎘電池，近期出現(xiàn)鎳氫電池、鋰離子電池。Huaihua University C

60、hemistry and chemical egineering DepartmentHuaihua University Chemistry and chemical egineering DepartmentApplied Electrochemistry2022-6-26 評(píng)價(jià)二次電池性能的主要指標(biāo)：容量效率、伏特效率、能量效率和充放電行為。 伏特效率：蓄電池放電和充電過(guò)程的工作電壓之比，反映了放電和充電過(guò)程極化的大小。 能量效率：容量效率和伏特效率的乘積。 容量效率：在一定條件下，一個(gè)電池放電時(shí)，輸出的電量和電池充電至原始狀態(tài)時(shí)所需電量的比。 充放電行為：評(píng)價(jià)二次電池優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一