1、2020年8月4日，星期二，1?；瘜W(xué)電源，2020年8月4日，星期二，2?；瘜W(xué)電源參考書(shū)：1?；瘜W(xué)電源，盧等主編，天津大學(xué)出版社，1992年9月，第3頁(yè)。鉛酸蓄電池技術(shù)，朱杜蘭等主編，機(jī)械工業(yè)出版社，1988，4。張文寶等主編化學(xué)電源導(dǎo)論，上海交通大學(xué)出版社。1859年，普朗克成功制造了集成鉛酸蓄電池；1868年，勒蘭奇成功研制出以氯化銨為電解液的鋅錳電池；1888年，加斯納制造了鋅錳干電池；1895年，容格發(fā)明了鎘鎳電池；1900年，埃迪愛(ài)迪生發(fā)明了鐵鎳電池，并于2020年8月4日星期二發(fā)布。20世紀(jì)40年代和50年代后，電池發(fā)展更快。20世紀(jì)60年代，“雙子座”和“阿波羅”飛船采用培根H2

2、-O2燃料電池。20世紀(jì)70年代，燃料電池、鈉硫電池和鋰鐵硫化物電池在中東戰(zhàn)爭(zhēng)期間得到廣泛發(fā)展。20世紀(jì)80年代，氫鎳電池在儲(chǔ)氫材料方面取得了突破。20世紀(jì)90年代，復(fù)合鋰離子電池被嵌入。2020年8月4日星期二。五，二。化學(xué)電源的應(yīng)用：機(jī)動(dòng)車(chē)：起動(dòng)、點(diǎn)火、照明和動(dòng)力；大型電站：調(diào)解電站；醫(yī)院、郵電部門(mén)：應(yīng)急電源；便攜式電子產(chǎn)品：手機(jī)、相機(jī)、筆記本電腦等。2020年8月4日星期二，6點(diǎn)。3.電池的發(fā)展與新電器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用密切相關(guān)。自20世紀(jì)20年代以來(lái)，各種低壓電器的普及，尤其是晶體管收音機(jī)的出現(xiàn)，推動(dòng)了干電池的發(fā)展。20世紀(jì)90年代半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了紙板電池的發(fā)展。20世紀(jì)90年代以后，

3、和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)促進(jìn)了電池的小型化。20世紀(jì)90年代以后，隨著手機(jī)的出現(xiàn)，鋰離子電池逐漸完善并商業(yè)化，出現(xiàn)了高能量密度的鋰離子電池。2020年8月4日星期二，材料的開(kāi)發(fā)和利用極大地推動(dòng)了電池的發(fā)展。堿錳電池的改進(jìn)得益于電解二氧化錳，而吸氫材料促進(jìn)了電池的興起。鋰離子電池的發(fā)展依賴(lài)于碳的研究，而導(dǎo)電高分子材料的研究有可能極大地改變固體電解質(zhì)電池的外觀。2020年8月4日星期二，環(huán)保問(wèn)題對(duì)電池的發(fā)展提出了新的要求。原電池的大量使用造成了資源的浪費(fèi)。為了節(jié)約資源，20世紀(jì)的研究集中在可重復(fù)使用的二次電池上，最初的一次電池也轉(zhuǎn)向了二次電池。為了保護(hù)環(huán)境和人類(lèi)健康，禁止在電池中使用有害元素。雖然這種電池性

4、能優(yōu)異，技術(shù)也在不斷成熟，但它已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)替代它。廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)的鉛酸電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了密封和免維護(hù)。2020年8月4日星期二，為了應(yīng)對(duì)未來(lái)可預(yù)見(jiàn)的能源危機(jī)，減少汽車(chē)尾氣污染，新型清潔電動(dòng)汽車(chē)的研究已經(jīng)成為全世界科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)，目前已經(jīng)取得了很大進(jìn)展。例如，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)出使用鋅空氣電池的微型汽車(chē)，一次充電的里程數(shù)已經(jīng)達(dá)到；在使用燃料電池時(shí)，據(jù)說(shuō)駕駛座小車(chē)的最高速度可以達(dá)到以上，并且連續(xù)行駛超過(guò)。2020年8月4日星期二10: 00，隨著各種便攜式電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，對(duì)電池的需求迅速增加，電池的性能也在不斷提高和完善。在20世紀(jì)，隨著工業(yè)(計(jì)算機(jī)、手機(jī)、照相機(jī)和無(wú)線(xiàn)電動(dòng)工具)的普及，日常生活

5、中對(duì)電池的需求已經(jīng)到了不可分割的地步。因此，預(yù)計(jì)高性能電池行業(yè)將是21世紀(jì)最有前途的行業(yè)，所以電池的發(fā)展必須趕上電器的發(fā)展。如今，各種形狀、規(guī)格和性能的電池在日常生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都發(fā)揮著不可替代的作用。2020年8月4日，星期二，11，4。化學(xué)電源的基本知識(shí)1.1化學(xué)電源的組成化學(xué)電源是一種能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，通常稱(chēng)為電池。在將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程中，必須滿(mǎn)足以下條件：(2)化學(xué)變化過(guò)程中的電子轉(zhuǎn)移必須通過(guò)外環(huán)。3。兩極之間應(yīng)有離子導(dǎo)電物質(zhì)電解質(zhì)。因此，電池必不可少的組成部分應(yīng)該是：正極、負(fù)極、電解液、隔膜、電池殼和其他附件。例如，2020年8月4日星期二，鉛酸蓄電池：正極二

6、氧化鉛、負(fù)極鉛、電解液、H2SO4，在運(yùn)行過(guò)程中，電極上會(huì)發(fā)生以下反應(yīng)：從上面可以看出，當(dāng)鉛酸蓄電池工作時(shí)，兩個(gè)電極之間的導(dǎo)電離子是氫和SO42 -，只要兩個(gè)電極與電解液的界面上繼續(xù)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電子就會(huì)從負(fù)極鉛通過(guò)外環(huán)流入正極二氧化鉛。此外，參與電極反應(yīng)的物質(zhì)通常被稱(chēng)為活性物質(zhì)。2020年8月4日，星期二，13，對(duì)于實(shí)用電池，除了正極、負(fù)極和電解液，還有隔板、電池外殼和其他附件。例如，端子和匯流條(見(jiàn)下圖)，電池各部分的功能如下：1。正極和負(fù)極，其功能是參與電化學(xué)反應(yīng)和導(dǎo)電。負(fù)電極通常由具有負(fù)電位的金屬承擔(dān)。例如鋅、錳、鋁、鎘、鐵。它們都是還原劑，在放電過(guò)程中被氧化，所以電池的負(fù)極也是陽(yáng)

7、極；陽(yáng)極通常采用金屬或其他具有正電勢(shì)的氧化物，如二氧化錳和二氧化鉛。它們都是氧化劑，在放電過(guò)程中被還原，電池的陽(yáng)極也是放電過(guò)程中的陰極。2020年8月4日，星期二，14，2。電解質(zhì)有兩個(gè)功能，一是參與電化學(xué)反應(yīng)；第二是確保電池內(nèi)部電極之間的傳導(dǎo)，這不同于外部電路，是離子傳導(dǎo)。對(duì)于某些電池來(lái)說(shuō)，電解液只參與電池反應(yīng)的中間過(guò)程，并不消耗自身(ZnO2電池中的HOH)，但有些電池消耗電解液(鉛酸蓄電池中的H2SO4)。設(shè)計(jì)電池時(shí)應(yīng)注意。3。隔膜，隔膜的作用是防止正負(fù)活性物質(zhì)直接接觸，否則會(huì)造成短路。隔板的質(zhì)量對(duì)電池的質(zhì)量有很大的影響。分離器通常有以下要求：2020年8月4日星期二，15。(1)內(nèi)阻小

8、，(2)能阻止活性物質(zhì)的脫落，(3)能抵抗電解液的腐蝕和電極氧化劑的氧化，(4)來(lái)源豐富，價(jià)格低廉，(4)作為容器的電池外殼應(yīng)耐腐蝕。1.2化學(xué)電源的分類(lèi)：化學(xué)電源的分類(lèi)方法很多，通常如下：1 .根據(jù)電池的工作性質(zhì)分類(lèi)：(1)原電池(原電池):該電池中的活性物質(zhì)于2020年8月4日星期二16: 00消失，消耗后失去工作能力，即該電池只能使用一次。例子：二氧化鋅、氯化鎂和其他電池。(2)二次電池，其在電池中的活性物質(zhì)被消耗后可以被充電以回收，并且電池可以被再生以使電池能夠被重復(fù)使用。例如鉛酸電池、OHNi電池、AgZn電池等。根據(jù)電解液的性質(zhì)，電池可分為以下三類(lèi)：(1)堿性電池(電解液為堿性，氫

9、氧化鈉，氫氧化鉀)例：cdni(2)酸性電池(電解液是酸性的，H2SO4)示例：鉛酸電池；(3)中性電池(電解液為中性，NH4Cl，HgCl2)例：ZnMnO2，2020由于化學(xué)電源發(fā)展迅速，上述分類(lèi)不能清晰反映化學(xué)電源的全貌。目前常用的分類(lèi)方法是將化學(xué)電源分為四類(lèi)：(1)一次電池，(2)蓄電池，(3)備用電池：蓄電池在儲(chǔ)存過(guò)程中不添加電解液，使用時(shí)通過(guò)添加電解液暫時(shí)激活。例如：二氧化鋅電池，(4)燃料電池：它是一種能將燃料的化學(xué)能連續(xù)轉(zhuǎn)化為電能的裝置。也就是說(shuō)，只要燃料(反應(yīng)物)或電解質(zhì)被連續(xù)引入電池，電池就可以連續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生電能。例子：過(guò)氧化氫燃料電池2020年8月4日，星期二，18: 00

10、。應(yīng)該注意的是，上述分類(lèi)不是絕對(duì)的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一些電池系統(tǒng)往往可以設(shè)計(jì)成各種不同的電池。例如，由鋅和堿性溶液中的空氣組成的電池系統(tǒng)。它可以制成：1 .氧化鋅二次電池。氧化鋅二次電池。氧化鋅(c)儲(chǔ)備電池，4。氧化鋅(c)燃料電池，1.3描述電池性能的主要參數(shù)和影響參數(shù)的因素。對(duì)于實(shí)用電池，有許多性能參數(shù)要求。例如，電壓、內(nèi)阻、容量和比容量、能量和比能量、功率和比功率、電池的存儲(chǔ)性能和循環(huán)壽命等。2020年8月4日，星期二，19，1。電池的電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓，當(dāng)電池開(kāi)路時(shí)，即，當(dāng)沒(méi)有電勢(shì)通過(guò)時(shí)，正電極和負(fù)電極的平衡電勢(shì)之間的差是電池的電動(dòng)勢(shì)。它的大小取決于電池的性質(zhì)和電解質(zhì)的性質(zhì)和活性，

11、但與電池的幾何結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，假設(shè)電池的正負(fù)反應(yīng)為：2020年8月4日星期二，那么：可以清楚地看到，如果正極的正電位越正，負(fù)極的負(fù)電位越負(fù)，電池的電動(dòng)勢(shì)越高。根據(jù)元素的標(biāo)準(zhǔn)電位序列，元素周期表左上角的元素(IA，IIA)具有負(fù)電位，而右上角的元素(VIIA，VIIA)具有正電位。由這些元素組成的電池可以獲得更高的電動(dòng)勢(shì)。2020年8月4日，星期二，21，其中李的電位為最負(fù)：在酸性介質(zhì)中，氟的電位為最正：如果做成鋰氟電池，其電動(dòng)勢(shì)可達(dá)5.91伏，這是化學(xué)電源中電動(dòng)勢(shì)的最高值。應(yīng)該注意的是，在選擇電極活性材料時(shí)，我們不僅要看平衡電位的值，還要看(1)它在介質(zhì)中的穩(wěn)定性，(2)材料來(lái)源，(3)電

12、化學(xué)當(dāng)量等因素。例如，如果LiF2形成電池，它具有高電動(dòng)勢(shì)。然而，由于鋰僅適用于非水溶劑電解質(zhì)，F(xiàn)2為活性氣體，在2020年8月4日星期二難以?xún)?chǔ)存和控制。因此，用簡(jiǎn)單物質(zhì)L1和F2形成電池是不實(shí)際的。通用化學(xué)電源使用水溶性電解質(zhì)。在具有負(fù)電位的金屬中，鋅、鉛、鎘和鐵是最常用的。由于其在相應(yīng)電解液中的良好耐腐蝕性，二氧化錳、二氧化鉛、氫化鎳、氧化銀等。通常用于具有正電勢(shì)的活性物質(zhì)中，其在水溶液中穩(wěn)定，具有小的溶解度和廣泛的物質(zhì)來(lái)源。上面討論的電動(dòng)勢(shì)是指系統(tǒng)達(dá)到熱力學(xué)平衡后的電動(dòng)勢(shì)。但事實(shí)上，水溶液中有許多電極系統(tǒng)，即使開(kāi)路也不能達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài)。例如，鋅錳干電池，在電極和溶液之間的界面可能發(fā)生

13、其它共軛反應(yīng)。即使在沒(méi)有負(fù)載的情況下，在2020年8月4日星期二，在負(fù)電極上的可能反應(yīng)和在正電極上的可能反應(yīng)是：(主)、(1)和(2)?？梢钥闯?，公式1.2不能反映電池的真實(shí)電動(dòng)勢(shì)，但是當(dāng)電路斷開(kāi)時(shí)，電極上仍然建立了穩(wěn)定的電勢(shì)。2020年8月4日星期二，這個(gè)勢(shì)的值通常不同于平衡勢(shì)，并且通常低于平衡勢(shì)。通常將開(kāi)路期間測(cè)量的穩(wěn)定電位電壓稱(chēng)為開(kāi)路電壓。2.電池的工作電壓和放電曲線(xiàn)(1)工作電壓：當(dāng)電池有電流通過(guò)時(shí)，當(dāng)電流通過(guò)電池電路時(shí)，正負(fù)電極會(huì)發(fā)生電極極化和歐姆極化，所以工作電壓總是低于電動(dòng)勢(shì)。也就是說(shuō)，兩端之間的電位差是工作電壓(放電電壓)。是電流通過(guò)正負(fù)電極時(shí)的工作電位。I是放電電流，r是電池

14、的內(nèi)阻。影響工作電壓的因素：2020年8月4日，星期二，25，1。放電電流圖12電池放電曲線(xiàn)，2020年8月4日星期二，26。根據(jù)電池的放電曲線(xiàn)，通常可以確定電池的放電性能和容量。1.一般來(lái)說(shuō)，電池的放電曲線(xiàn)越平坦、越穩(wěn)定，電池的性能越好。2.電池容量的大小，注意：放電時(shí)間的長(zhǎng)度取決于放電的終止電壓(不應(yīng)繼續(xù)放電的電壓)。通常，當(dāng)放電電流大時(shí)，終止電壓可以較低，而當(dāng)放電電流小時(shí)，終止電壓可以較高。當(dāng)測(cè)量電池的電壓特性時(shí)，平均工作電壓通常表示為：2020年8月4日星期二，27，圖13。我們知道，如果正負(fù)電極的過(guò)電位表示為：2020年8月4日星期二，28，一次電池的電壓、電流特性和電極極化曲線(xiàn)，歐

15、姆電壓。圖14。電位變化與時(shí)間的關(guān)系，電壓隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，電池A的正極化曲線(xiàn)和負(fù)極化曲線(xiàn)，2020年8月4日，星期二，29。(3)電池容量，指電池放電時(shí)可提供的電量。電池的容量通常分為：1。理論容量：理論容量是根據(jù)活性物質(zhì)的重量，根據(jù)法拉第定律計(jì)算出的電量。理論容量的計(jì)算方法(例如，假設(shè)電池中的負(fù)極為鋅，重量為13.5克，計(jì)算鋅電極的理論容量。電極反應(yīng)：2020年8月4日，星期二，30。另外，根據(jù)法拉第定律，一克當(dāng)量的活性物質(zhì)可以產(chǎn)生96，500庫(kù)侖的電(96，500/3600=26.8安培)，也就是說(shuō)，如果有32.69克鋅，它可以產(chǎn)生26.8安培的電，所以現(xiàn)在有13.5克鋅，理論上可以產(chǎn)生

16、13.5/32.6926.8=11.1安培的電鋅的反應(yīng)電子數(shù)是2，所以1克當(dāng)量鋅應(yīng)該是65.382=32.69克，2020年8月4日，星期二，31，這是理論上，通常輸出1Ah的電，理論上所需的活性物質(zhì)的量稱(chēng)為物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量。 用電化學(xué)當(dāng)量計(jì)算理論電量更方便。上例：q=13.5/1.22=11.1ah. 2。實(shí)際容量：實(shí)際容量是指在一定的放電系統(tǒng)下(一定的吸電量、一定的溫度、一定的電流密度和一定的端電壓)，電池所能提供的電量。2020年8月4日，星期二，32，實(shí)際容量的計(jì)算：(1)如果是恒流放電，(2)當(dāng)是恒阻放電時(shí)，I是不斷變化的，所以QR應(yīng)該用積分法計(jì)算：(3)額定容量：額定容量是指在一定的放電系統(tǒng)下電池應(yīng)該給出的最小容量。即設(shè)計(jì)指標(biāo)。電池容量是電池非常重要的性能指標(biāo)。電池的實(shí)際容量，2020年8月4日，星期二，33，經(jīng)常低于其理論容量，這主要是由于活性物質(zhì)利用率低，不能達(dá)到100%?；钚晕镔|(zhì)的利用率可由下式計(jì)算得出：活性物質(zhì)的利用率(%)=m/g 100%，m根據(jù)法拉第定律放電時(shí)消耗的物質(zhì)重量，g電池中實(shí)際存在的活性物質(zhì)重量，例如，13