應(yīng)用化學(xué)引言和31概述

第三章化學(xué)電源2023/2/512023/2/522023/2/532023/2/54目前使用最多的二次能源為電能。它由燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能、機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為電能，在這種轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量損失達(dá)60％一90％。自1799年發(fā)明伏特電堆后，利用這種裝置就可以使化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)際轉(zhuǎn)化率達(dá)70％以上。這種裝置現(xiàn)通稱為化學(xué)電源或原電池?，F(xiàn)在雖然交、直流發(fā)電機(jī)可供使用，但化學(xué)電源因無(wú)傳動(dòng)部件、無(wú)噪聲、對(duì)空氣無(wú)污染、可做成任意大小、便于攜帶、使用方便、電壓以及電流均可在相當(dāng)范圍內(nèi)變動(dòng)等待點(diǎn)而得到迅速的發(fā)展，并在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、通訊、電子、國(guó)防、宇航、計(jì)算機(jī)等眾多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。2023/2/55一次電池（鋅錳干電池）2023/2/562023/2/57二次電池（鉛酸蓄電池）2023/2/58空氣電池2023/2/59太陽(yáng)能電池2023/2/5102023/2/511鋰電池2023/2/5122023/2/5132023/2/514手機(jī)工作時(shí)所需能量是由電池提供的。2023/2/515它們工作時(shí)所需能量也是由電池提供的。2023/2/516手提電腦工作時(shí)所需能量是通常也由電池提供的。2023/2/517汽車是由蓄電池提供電力起動(dòng)的。2023/2/518§3.1概述一.主要術(shù)語(yǔ)

1.幾個(gè)基本概念化學(xué)電源：又稱電池(battery),是將氧化-還原反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置.放電和充電：

電源對(duì)外供電過(guò)程稱為放電過(guò)程，反之則稱為充電過(guò)程。把光能或熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置稱為物理電池如太陽(yáng)能電池等2023/2/519下一頁(yè)最后頁(yè)上一頁(yè)第一頁(yè)2.化學(xué)電源的類型①一次電池或原電池放電以后不能用充電方法復(fù)原，兩極的活性物質(zhì)只能利用一次②二次電池或可充電池或蓄電池能多次重放電，循環(huán)實(shí)用。如鉛酸蓄電池2023/2/520③儲(chǔ)備電池(storagebattery)在儲(chǔ)存器內(nèi)電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)不接觸，能儲(chǔ)存幾十年。④燃料電池(fuelcell）有稱連續(xù)電池，其正負(fù)極不包含活性物質(zhì)，將燃料輸入電池就能長(zhǎng)期發(fā)電。2023/2/521

3.化學(xué)電源的組成:

電極：有活性物質(zhì)和導(dǎo)電材料及添加劑組成。電解液：保證正負(fù)極之間離子導(dǎo)電作用隔膜：有稱隔離物，防止正負(fù)極短路，但允許離子順利通過(guò)。外殼：除干電池由鋅極兼作容器外，要求外殼具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，耐腐蝕，耐振動(dòng)，抗沖擊強(qiáng)度。2023/2/522二、化學(xué)電池的主要性能

1.化學(xué)電源的電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓電動(dòng)勢(shì)E：

又稱理論電壓，是指沒(méi)有電流流過(guò)外電路時(shí)電池正負(fù)兩極之間的電極電勢(shì)差。測(cè)定：對(duì)消法計(jì)算：ΔG=-nFE開(kāi)路電壓OCV：

是無(wú)負(fù)荷情況下的電池電壓，，實(shí)際測(cè)量的數(shù)值，一般OCV≤E，只有可逆電池的OCV＝E。2023/2/523

2.工作電壓和電池的內(nèi)阻工作電壓(V)：是指電池有電流流過(guò)時(shí)的端電壓。V＜OCV，因?yàn)橛衖通過(guò)電池時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)極化、濃差極化、和歐姆極化等。

放電時(shí)：V放<E

充電時(shí)：V充>E

額定電壓：指電池工作時(shí)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓，例如鋅錳干電池1.2V。中點(diǎn)電壓：指電池放電期間的平均電壓。截止電壓：指電池放電終止時(shí)的電壓值（最低工作電壓）。2023/2/524電池的內(nèi)阻：全內(nèi)阻由歐姆電阻（電池本身的電阻）和極化電阻組成歐姆電阻是電池本身的電阻，由電極材料、電解質(zhì)溶液、隔膜以及它們之間的接觸電阻組成，另外電池尺寸、工藝結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)、電池的裝配越緊密，歐姆電阻越?。簩?duì)于同一類相同結(jié)構(gòu)的電池，幾何尺寸大的電池的歐姆電阻通常要小于幾何尺寸小者。極化電阻則是指電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由于電極極化所導(dǎo)致的電阻，通常包括電化學(xué)極化電阻和濃差極化電阻。極化電阻與電極活性物質(zhì)的性質(zhì)、電池結(jié)構(gòu)、工藝等因素密切相關(guān)．計(jì)算公式：R=(E-V)/I

2023/2/5253.電流和反應(yīng)速率電流(i)

電池放電(或充電)速度的一種量度。電化學(xué)反應(yīng)速率的大小是通過(guò)電流的大小來(lái)衡量的。

4.電池的容量及影響因素（1）電池容量C：

指在一定放電條件下，電池放電到終止電壓時(shí)所能提供的電量，單位為庫(kù)侖（C）或安時(shí)（A·h）理論容量：C理論2023/2/52696500庫(kù)侖（c）=26.8安時(shí)（A˙h）

實(shí)際電池容量與放電方式有關(guān)，可通過(guò)下式計(jì)算：

恒電流（恒流）放電：

C=∫t0i(t)dt=it

變電流放電：

C=∫t0i(t)dt

恒電阻（恒阻）放電：

C=∫t0i(t)dt=1/R∫t0V(t)dt2023/2/527（2）放電曲線：

圖3.1（a）：三種不同模式下放電電流隨時(shí)間變化的關(guān)系。圖3.1（b）：三種不同模式下電池放電電壓對(duì)放電時(shí)間關(guān)系曲線。圖3.1(c).(d):假定相同平均放電電流下三種模式放電時(shí)的電流或電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，放電曲線愈平坦愈好。2023/2/528恒功率恒電流恒電阻放電電流放電時(shí)間(a)電池電壓恒電阻放電時(shí)間恒功率恒電流(b)放電電流恒電阻(c)恒功率放電時(shí)間恒電流電池電壓(d)恒功率放電時(shí)間恒電流恒電阻2023/2/529這些條件下，電池使用時(shí)間大致相同，但恒電阻模式下的電壓調(diào)節(jié)最好，然而，恒功率模式（電池保持恒定的輸出功率I*V）在電池整個(gè)壽命期間具有向負(fù)載提供是均勻功率的優(yōu)點(diǎn)，從而是電池的能量得到最有效的利用。（3）活性物質(zhì)利用率η：電池實(shí)際放出的能量只是理論容量的一部分，電池的實(shí)際容量與電池的理論容量之比2023/2/530（4）比容量：（5）額定容量：

指單位質(zhì)量或單位體積電池所輸出的電量，分別以A·h·kg-1和A·h·L-1表示。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。指在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電池時(shí)，規(guī)定或保證在指定的放電條件下電池應(yīng)該放出的最低限度的電量。2023/2/531（6）影響電池容量的因素

電池容量的大小是評(píng)價(jià)電池性能的重要指標(biāo)，而電池容量可通過(guò)放電時(shí)的放電曲線測(cè)定

電池的實(shí)際容量與放電條件密切相關(guān)。電池的放電條件：

放電電流，放電深度，放電形式，放電期間電池的溫度等。2023/2/532

①放電電流：

其大小常用放電倍率表示，即對(duì)于一個(gè)具有額定容量C的電池，按規(guī)定的小時(shí)數(shù)放電的電流。放電電流的大小對(duì)電池容量有較大的影響，由于歐姆內(nèi)阻和有電流通過(guò)時(shí)極化內(nèi)阻的存在，電池容量和放電電壓隨放電電流的增加而減小，放電倍率愈大，則放電電流愈大，電容容量愈小。

2023/2/533

②放電深度DOD:指電池放電量占額定容量的百分?jǐn)?shù)一般情況下，二次電池DOD為額定容量的20%~40%,愈深，實(shí)際電池容量愈大。

③放電形式：連續(xù)放電、間歇放電。間歇放電連續(xù)放電電壓時(shí)間④放電溫度：

20～40oC之間放電時(shí)，性能較好。2023/2/534

5.比能量和比功率電池的能量電池所能作出的電功，它等于放電容量和電池平均工作電壓的乘積，常用單位為瓦·時(shí)（w·h）或J焦耳

電池的比能量（或能量密度）指單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的能量。分別以w·h·kg-1和w·h·L-1表示。電池的功率電池在單位時(shí)間內(nèi)所輸出的能量。電池的比功率（或功率密度）指單位質(zhì)量或單位體積的電池所輸出的功率。2023/2/5356.電池的壽命

①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。

②循環(huán)壽命指在二次電池報(bào)廢之前，在一定放電條件下，電池經(jīng)歷充放電循環(huán)的次數(shù)，循環(huán)壽命越長(zhǎng)，電池的可逆性能就越好。

④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。2023/2/5367.自放電(self-discharge)(1)定義：指由一些電池中一些自發(fā)過(guò)程的進(jìn)行而引起電池容量的損失。應(yīng)盡量避免。

(2)引發(fā)電池自放電的原因：

①不期望的副反應(yīng)的發(fā)生

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

④電池的負(fù)極

⑤無(wú)外接負(fù)載時(shí)在電解質(zhì)橋上的放電等2023/2/537

8.過(guò)充電

如果充電時(shí)間太長(zhǎng)，電池可能會(huì)過(guò)充電，此時(shí)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。

2023/2/5382023/2/5392023/2/5402023/2/5412023/2/5422023/2/543202