化學(xué)電源基本概念

化學(xué)電源基本概念第一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五本章重點(diǎn)：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?；瘜W(xué)電源的主要性能：開路電壓和電動(dòng)勢(shì)的意義及區(qū)別；內(nèi)阻及其對(duì)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(shí)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。第二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五一、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)反應(yīng)中的兩個(gè)過程必須分隔在兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行。（區(qū)別于一般的化學(xué)反應(yīng)）物質(zhì)在發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，電子必須經(jīng)過外電路。（區(qū)別于腐蝕電池）第三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五化學(xué)電源的基本組成部分及其作用：電極電解質(zhì)隔膜外殼第四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五化學(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：（－）Zn│ZnSO4（c1）‖CuSO4（c2）

│Cu(+)負(fù)極：Zn－2e→Zn2＋氧化正極：

Cu2＋＋2e→Cu還原電池反應(yīng)：Zn＋Cu2＋→Zn2＋＋Cu—成流反應(yīng)第五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五二、化學(xué)電源的分類按工作性質(zhì)分：原電池，又稱一次電池蓄電池，又稱二次電池儲(chǔ)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(jí)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第六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五按電解質(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)電池第七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五按正負(fù)極活性物質(zhì)的材料分：Zn-MnO2系列電池。Zn－AgO系列電池Cd-NiOOH電池鉛酸電池氫鎳電池鋰離子電池等等第八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五活性物質(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)供給電極燃料電池第九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五三、化學(xué)電源的主要性能電池的開路電壓與電動(dòng)勢(shì)：電動(dòng)勢(shì)E：

電池兩極斷路時(shí)，處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，兩極平衡電位之差。開路電壓V開：

電池?cái)嗦窌r(shí)，兩極的穩(wěn)定電位之差。第十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五電池的電動(dòng)勢(shì)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(cè)定。即：

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(dòng)勢(shì)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（IA,IIA族）具有較負(fù)的電位，右上邊的元素（VIA,VIIA族）具有較正的電位。由這些元素組成的電池可以得到較高的電動(dòng)勢(shì)。第十一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五其中以Li的電位為最負(fù)：(在酸性介質(zhì)中)氟的電位為最正：

若做成鋰氟電池，其電動(dòng)勢(shì)可達(dá)5.91V。這是化學(xué)電源中電動(dòng)勢(shì)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(shí)，不能只看平衡電位數(shù)值的高低，還要看（1）它在介質(zhì)中的穩(wěn)定性（2）材料來源（3）電化當(dāng)量等多方面的因素。例如Li－F2,若組成電池，它具有很高的電動(dòng)勢(shì)，但由于Li只適用與非水溶劑電解質(zhì)，F(xiàn)2是活性的氣體，不易儲(chǔ)存和和控制，因而由單質(zhì)Li與F2組成電池也是不切合實(shí)際的。第十二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五電池的內(nèi)阻：電流通過電池內(nèi)部時(shí)受到的阻力，也叫全內(nèi)阻。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)阻第十三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五電池的工作電壓及放電曲線：工作電壓

電池工作時(shí)兩端的電壓放電制度

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）放電曲線用繪圖的方式表示出電壓隨時(shí)間的變化曲線第十四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五

根據(jù)電池的放電曲線，通常可以確定電池的放電性能和電池的容量。1.通常電池的放電曲線越平坦、穩(wěn)定、電池的性能就越好。2.電池的容量大小。第十五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五電池的容量和比容量：電池的容量

電池在一定的放電制度下，所放出的電量C，可以用安時(shí)（Ah)表示。Ah表示1安培（A）電流放電1小時(shí)（h）。1.理論容量：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。理論容量的計(jì)算方法（舉例說明）

例如：設(shè)某電池中的負(fù)極為Zn，其重量為13.5克，求鋅電極的理論容量？電極反應(yīng)：第十六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五

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96500庫(kù)侖的電量（96500/3600=26.8Ah)，也就是該有32.69克的Zn,就可以產(chǎn)生26.8Ah的電量，所以現(xiàn)在有13.5克的鋅，理論上所能產(chǎn)生的電量應(yīng)為：Q理=13.5/32.69×26.8=11.1Ah

另外由于32.69克鋅可產(chǎn)生26.8Ah的電量，故我們又可以得到：

從反應(yīng)式知鋅的反應(yīng)電子數(shù)為2，故1克當(dāng)量的Zn應(yīng)為65.38÷2=32.69克第十七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五

即理論上得到1Ah的電量，就需要消耗1.22克的鋅或消耗1克鋅就可得到0.82Ah的電量。或26.8Ah/32.69克=0.82Ah/克

通常把輸出1Ah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。有了電化當(dāng)量，對(duì)理論電量的計(jì)算更為方便了。如上例：Q理=13.5/1.22=11.1Ah2.實(shí)際容量：實(shí)際容量指在一定的放電制下（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。第十八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五實(shí)際容量的計(jì)算：（1）若是恒電流放電（2）恒電阻放電由于恒電阻放電時(shí)，I是不斷變化的，故QR要通過積分的方法計(jì)算：3.額定容量：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)。電池的容量是電池的一個(gè)很重要的性能指標(biāo)。一個(gè)電池第十九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五的實(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100%。對(duì)活性物質(zhì)的利用率可用下式計(jì)算：活性物質(zhì)利用率（%）=M/g×100%M－放電時(shí)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)的重量例如：13.5克鋅理論上可放出11.1AH的電量，若實(shí)際上用了20克，則:第二十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五影響容量的因素：活性物質(zhì)的量：活性物質(zhì)的利用率活性物質(zhì)的活性

電池和電極的結(jié)構(gòu)

電解液的量、濃度、質(zhì)量

制造工藝

放電制度

第二十一頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五放電時(shí)率與放電倍率：放電時(shí)率以一定放電電流放完額定容量所需要的小時(shí)數(shù)放電倍率：在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放完全部額定容量所需的電流值。

例如：若電池的額定容量為10Ah,以2A放電，則:t放電時(shí)率=10Ah/2A=5h例如：若電池的額定容量為10Ah,以5H放電，則:t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0.5C放電，放電電流為10A·h/2h=5A第二十二頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五能量和比能量:能量

電池在一定的放電制度下，對(duì)外做功所輸出的能量。通常用瓦·時(shí)（Wh)表示（1）理論能量從熱力學(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：第二十三頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五（2）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。2.恒電阻放電時(shí)1.恒電位放電時(shí)（3）比能量:

單位體積或單位重量的電池所輸出的能量。1.體積比能量：?jiǎn)挝惑w積電池輸出的能量（瓦·時(shí)/L）2.重量比容量：?jiǎn)挝恢亓侩姵厮茌敵龅哪芰浚ㄍ摺r(shí)/Kg）a.理論重量比能量又可分為：b.實(shí)際重量比能量第二十四頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五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)：參加反應(yīng)的總物質(zhì)：

該反應(yīng)能產(chǎn)生兩個(gè)法拉第的電量，如果642.6克物質(zhì)都能全部反應(yīng)，則就能產(chǎn)生2×26.8=53.6Ah的電量。另查表可知：M=207.2（Pb）＋239.2(PbO2)＋2×98.08(H2SO4)=642.6克第二十五頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五所以：

故：642.6克反應(yīng)物在理論上所能產(chǎn)生的電能為：設(shè)比能量為X，則642.6:109.3=1000:XW理=53.6×2.04=Q理·E=109.3WhX=170.2Wh/Kg

對(duì)鉛酸電池來說，由于H2SO4參加了反應(yīng)，故其電動(dòng)勢(shì)與H2SO4的濃度有關(guān)。若取d=1.25的硫酸，換成活度V=2.104V。表1－1給出了一些電池的理論比能量和實(shí)際比能量。見下表：得到第二十六頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五一些電池的實(shí)際比能量與理論比能量

電池電池反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）理論比能量(Wh/Kg)

實(shí)際比能量(Wh/Kg)

鉛酸2.104175.510~50Cd–Ni1.326（E0）214.315~40Fe–Ni1.399（E0）272.410~25Zn–Ag1.8521.59V平

=1.721487.560~160Zn-Mn1.623（開）251.310~50Zn–空氣1.646（E－）1350100~250第二十七頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五電池的功率與比功率:功率

在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池所輸出的能量。

比功率（W/Kg，W/L).

單位時(shí)間電池的比能量。

比功率是電池的重要性能之一。一個(gè)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。比功率與比能量通常在I不是很大時(shí)，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：

P=IE第二十八頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五電池的自放電和貯存性能:貯存性能貯存時(shí)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).自放電電池在貯存一段時(shí)間后，容量要發(fā)生自動(dòng)降低的現(xiàn)象.

對(duì)于蓄電池，又叫充電保持能力.發(fā)生自放電的原因第三十頁，共三十一頁，編輯于2023年，星期五蓄電池的循環(huán)壽命和使用周期: