電化學(xué)電池精品課件

1、電化學(xué)電池1第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四2主要內(nèi)容 低壓氫鎳電池 儲(chǔ)氫合金電極 高壓氫鎳電池 鋅銀電池介紹 鋰電池介紹及其組成第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四3重點(diǎn)： 兩類(lèi)氫鎳電池的區(qū)別 貯氫合金電極的特點(diǎn) 鋰電池的組成第3頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四4一、高壓氫鎳電池 高壓氫鎳電池高壓氫-鎳電池的正極采用燒結(jié)式鎳電極，負(fù)極以鎳網(wǎng)為骨架，Pt、Pd等貴金屬為催化劑，負(fù)極活性物質(zhì)是電池內(nèi)預(yù)先充入的高壓氫氣。優(yōu)點(diǎn)：較高的比能量，循環(huán)壽命長(zhǎng)，耐過(guò)充、過(guò)放能力強(qiáng)，以及可以通過(guò)氫壓來(lái)指示電池荷電狀態(tài)。缺點(diǎn)：成本高，密

2、封難，自放電大，安全性低。第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四5 高壓氫鎳電池的工作原理第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四6 高壓氫鎳電池的電性能第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四7工作壽命工作壽命長(zhǎng)是其突出優(yōu)點(diǎn)失效的主要因素：1.鎳電極膨脹2.密封殼體泄漏3.電解液再分配第7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四8二、MH/Ni電池低壓氫鎳電池(金屬氫化物鎳電池) 電池設(shè)計(jì)與鎘鎳電池基本相同，負(fù)極容量比正極容量大，過(guò)充電時(shí)，正極產(chǎn)生的氧氣在貯氫合金負(fù)極上還原，電池可實(shí)現(xiàn)密封設(shè)計(jì)。氫鎳電池的負(fù)極采用混

3、合稀土貯氫合金或鈦-鎳合金等，正極采用堿性Cd/NiOOH電池中的鎳電極技術(shù)，KOH溶液作為電解液。第8頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四9 工作原理第9頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四10電性能：第10頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四11循環(huán)壽命失效的主要因素：1. 正、負(fù)極活性物質(zhì)反復(fù)膨脹、收縮造成軟化脫落；2. 電池內(nèi)壓（尤其是氫分壓）逐漸升高，氣體泄漏，電解液減少，電池容量下降；3. 儲(chǔ)氫合金逐漸被氧化，從而喪失儲(chǔ)氫能力。 自放電特性MH/Ni電池的自放電比Cd/Ni電池大。第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日

4、，19點(diǎn)7分，星期四12三、儲(chǔ)氫合金電極 儲(chǔ)氫合金 在常溫常壓下能夠與氫反應(yīng)，成為金屬氫化物，通過(guò)加熱或減壓可以將儲(chǔ)存的氫釋放出來(lái)，通過(guò)冷卻或加壓又可以再次吸收氫。 即在常溫常壓下能夠可逆的吸放氫。 金屬氫化物的氫密度比H2和液態(tài)氫還高第12頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四13 儲(chǔ)氫合金中氫的位置儲(chǔ)氫合金吸收氫后，氫進(jìn)入合金晶格中，合金晶格可以看作容納氫原子的容器第13頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四14為什么儲(chǔ)氫合金能夠致密的吸收大量的氫？由于金屬或金屬間化合物的晶格間有很多位置，能吸收大量的氫。金屬晶體間原子排列非常緊密，氫原子進(jìn)入到晶格間隙

5、中，使氫也處于致密的填充狀態(tài)。儲(chǔ)氫合金的理論容量：Ct=xF/3.6M（mAh/g）第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四15 儲(chǔ)氫合金的分類(lèi)稀土類(lèi)：如LaNi5、MmNi5等；鈦系類(lèi)：如TiNi、TiNi2等； 按組成分類(lèi)鎂類(lèi)：如Mg2Ni、Mg2Cu等；鋯系類(lèi): 如ZrMn2 . 按組分的配比分類(lèi)稀土類(lèi)為AB5型；鋯系類(lèi)為AB2型；鎂系類(lèi)為A2B型；TiNi為AB型.第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四16LaNi5與AB5LaNi5是AB5型化合物中發(fā)明最早，氣態(tài)貯氫中性能較佳的二元貯氫材料。AB5型儲(chǔ)氫合金的缺點(diǎn)：循環(huán)衰退快，壽命短。A

6、B5型儲(chǔ)氫合金的改性：1、加入摻雜元素：提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；2、進(jìn)行表面處理。1、合金的微粉化及表面氧化擴(kuò)展到合金內(nèi)部2、儲(chǔ)氫合金電極的自放電1、化學(xué)處理法酸、堿及氟化物處理法2、微包覆處理第16頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四17用作MH/Ni電池的儲(chǔ)氫合金應(yīng)當(dāng)滿足的條件1. 電化學(xué)儲(chǔ)氫容量高，隨溫度變化小，對(duì)氫的陽(yáng)極氧化具有良好的催化作用；2. 在氫的陽(yáng)極氧化電位范圍內(nèi)，儲(chǔ)氫合金具有較強(qiáng)的抗氧化能力；3. 在堿性電解質(zhì)中合金組分的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；4. 循環(huán)過(guò)程中合金不易粉化，電極能保持形狀穩(wěn)定；5. 合金應(yīng)具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性；6. 原材料成本低廉，無(wú)污染。第17頁(yè)

7、，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四18優(yōu)缺點(diǎn)：1、耐過(guò)充過(guò)放能力強(qiáng)過(guò)充電，鎳電極上析出的氧氣可在氫化物電極上被還原成水。過(guò)放電，在鎳電極析出的氫氣則可被氫化物電極吸收。2、容量和比能量提高1.52倍；電池壽命相當(dāng)。3、自放電較大，環(huán)境污染小，無(wú)記憶效應(yīng)。第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四19鋅-氧化銀電池成流反應(yīng)第19頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四20鋅銀電池的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：(1)具有很高的比能量(2)很高的放電速率(3)平穩(wěn)的放電電壓(4)較小的自放電速率缺點(diǎn)：(1)成本很高(2)壽命較短(3)高低溫性能較差第20頁(yè)，

8、共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四21鋅銀電池分類(lèi)原電池、蓄電池、貯備電池。原電池一般做成鈕扣狀；蓄電池則有矩形、圓柱形和鈕扣形三種，最普通的是矩形；貯備電池則視使用要求設(shè)計(jì)成不同形狀。第21頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四22鋰電池因鋰具有最負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（-3.045V）和相當(dāng)?shù)偷碾娀?dāng)量，是高能電池理想的負(fù)極活性物質(zhì)。用金屬鋰作為負(fù)極活性物質(zhì)的電池總稱(chēng)鋰電池。正極活性物質(zhì)有很多種，包括固體氟化物、氯化物、硫化物、氧化物等。電解液：必須為非水介質(zhì)，包括：有機(jī)溶劑或非水無(wú)機(jī)溶劑電解液，熔融鹽，固體電解質(zhì)等。第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日

9、，19點(diǎn)7分，星期四23鋰電池的優(yōu)點(diǎn)： 比能量高，放電電壓高（3.0V） 工作電壓平穩(wěn) 使用溫度范圍寬(-40+50) 體積小、重量輕 濕儲(chǔ)存壽命長(zhǎng) 資源豐富，性價(jià)比高第23頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四24 鋰電池的缺點(diǎn)： 安全性。某些鋰非水溶液電池，如Li/SO2、Li/SOCl2等電池，在重負(fù)荷放電，特別是當(dāng)外部短路時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸。 成本高。鋰電池在制作過(guò)程中要避免與水接觸。所用有機(jī)溶劑和無(wú)機(jī)鹽均需徹底除去水份，這就提高了成本，另外，有些正極活性物質(zhì)（如聚氟化碳）的成本也較高。 比功率低。有些鋰電池（如有機(jī)電解液的鋰電池）由于有機(jī)電解液的比電導(dǎo)較小，放電電流密度提

10、不高，故其比功率較低第24頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四25鋰電池的種類(lèi)固體正極：Li/MnO2, Li/CuS, Li/CuO,Li/I2 , Li/CFx, Li/Ag2V4O11液體正極：Li/SO2, Li/SOCl2第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四26鋰電池成膜反應(yīng)鋰負(fù)極放電反應(yīng)LiLi+e半徑較小的Li+離子可在液態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電解液移到正極與其活性物質(zhì)反應(yīng)形成一種鋰的化合物。第26頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四27鋰電極電勢(shì)很負(fù)，為什么電極的自放電并不大？ 鋰和溶劑反應(yīng)后在電極表面生成了

11、保護(hù)膜（LiCl膜）。此保護(hù)膜不溶于有機(jī)或無(wú)機(jī)電解質(zhì)，從而保證鋰電池的儲(chǔ)存壽命。 鋰電極的膜由雙層膜組成，緊靠鋰電極的是薄而致密的緊密層，它不能傳導(dǎo)電子卻具有固態(tài)離子晶體的性質(zhì)；緊密層的外層又生長(zhǎng)一層厚而多孔的松散層。第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四28對(duì)有機(jī)溶劑的要求 有機(jī)溶劑對(duì)鋰電極應(yīng)是隋性的，在電池放電時(shí)也不與正負(fù)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。 有機(jī)溶劑分子中，如果有活潑的氫原子，它們就要與鋰電極反應(yīng)。所以，應(yīng)當(dāng)除去雜質(zhì)并避免使用含有活潑氫原子的有機(jī)酸、醇、醛、酮、胺、酰胺等有機(jī)溶劑。 含有氮原子并有不飽和鍵的脂肪族化合物，在有鋰存在時(shí)會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)。要選用二甲基甲酰胺

12、、乙睛等溶劑并用LiClO4作溶質(zhì)，對(duì)鋰是穩(wěn)定的。有機(jī)電解質(zhì)溶液（有機(jī)溶劑+無(wú)機(jī)鹽溶質(zhì)）第28頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四29對(duì)有機(jī)溶劑要求: 較高的介電常數(shù)及較小的粘度。 有機(jī)電解質(zhì)溶液比電導(dǎo)的主要影響因素：介電常效和粘度。 大的溶劑，離子間的相互作用力小，離子容易離解。 溶劑的粘度對(duì)離子的遷移速度有直接影響：粘度越大，離子遷移的阻力越大，電導(dǎo)越小。/比值大，有機(jī)電解質(zhì)溶液的比電導(dǎo)一般較大。 沸點(diǎn)高，熔點(diǎn)低。 有機(jī)溶劑中所含雜質(zhì)主要是水，要對(duì)有機(jī)溶劑進(jìn)行提純。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四30對(duì)有機(jī)電解質(zhì)中溶質(zhì)的要求 溶質(zhì)與電極活性物質(zhì)不起化學(xué)反應(yīng)，在較寬的電位范圍內(nèi)比較穩(wěn)定。 在有機(jī)溶劑中溶解度高，容易離解。 離子越大，晶格能越小，離子間相互作用力減弱，容易電離，同時(shí)也容易遷移，因此要選正負(fù)離子半徑總和最大的鹽類(lèi)。 溶液濃度適宜。 濃度高，一方面單位體積中離子數(shù)目增多，使比電導(dǎo)提高；另一方面使離子間、離子與溶劑之間的作用力加強(qiáng)，降低了離子的遷移速度，從而使比電導(dǎo)下降第30頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，19點(diǎn)7分，星期四31無(wú)機(jī)電解質(zhì)溶液（非水無(wú)機(jī)溶劑+無(wú)機(jī)鹽溶質(zhì)）常用的無(wú)機(jī)電解質(zhì)