化學(xué)電源與電池

1、化學(xué)電池基礎(chǔ)知識 鋅-錳干電池 鉛酸蓄電池 堿性蓄電池 鋰離子電池 燃料電池,主要內(nèi)容：,第三講 化學(xué)電池與電源,伏打電池的出現(xiàn)使人們第一次獲得了比較強(qiáng)的穩(wěn)定而持續(xù)的電流，為科學(xué)家們從對靜電的研究轉(zhuǎn)入對動電的研究創(chuàng)造了物質(zhì)條件，導(dǎo)致了電化學(xué)、電磁聯(lián)系等一系列重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。 由于它的誕生，世紀(jì)的第一年成了電氣文明時代生活的開端。,第一部分 化學(xué)電源基礎(chǔ),1936年Konig在巴格達(dá)附近考古時發(fā)掘到一個大約二千年以前的由Fe和Cu組成的類似裝置(圖1-3).所以也有人認(rèn)為這才是化學(xué)電源的最早發(fā)明。,圖1-3 巴格達(dá)電池,第一部分 化學(xué)電源基礎(chǔ),化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,電極系統(tǒng)：如果系統(tǒng)由兩

2、個相組成，一個相是電子導(dǎo)體(叫電子導(dǎo)體相)，另一個相是離子導(dǎo)體(叫離子導(dǎo)體相)，且通過它們互相接觸的界面上有電荷在這兩個相之間轉(zhuǎn)移，這個系統(tǒng)就叫電極系統(tǒng)(圖1-5)。 將一塊金屬(比如銅)浸在清除了氧的硫酸銅水溶液中，就構(gòu)成了一個電極系統(tǒng)。在兩相界面上就會發(fā)生下述物質(zhì)變化：Cu(M)Cu2+(Sol)+2e-(M) 。,化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,半電池：電池的一半，通常一個電極系統(tǒng)即構(gòu)成一個半電池，連接兩個半電池構(gòu)成電池。 電對：在原電池的每一個電極中，一定包含一個氧化態(tài)物質(zhì)和一個還原態(tài)物質(zhì)。一個電極中的這一對物質(zhì)稱為一個氧化還原電對，簡稱電對，表示為：氧化態(tài)/還原態(tài)(如：Zn2+/Zn，

3、Cu2+/Cu，F(xiàn)e3+/Fe2+，I3-/I-，H+/H2，S2O82-/SO42-等電對符號)。注意：無論它作正極還是負(fù)極，都表示為“Ox/Re”。,化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,電極(electrode)：電對以及傳導(dǎo)電子的導(dǎo)體，其作用為傳遞電荷，提供氧化或還原反應(yīng)的地點(diǎn)。電極符號為（電子導(dǎo)電材料/電解質(zhì)），如：Zn|Zn2+，Cu|Cu2+，(Pt)H2|H+，(C)|Fe2+，F(xiàn)e3+。 在電化學(xué)中，按照發(fā)生的電極反應(yīng)分類：在物理學(xué)中，正負(fù)極由電位高低來確定： 陽極(anode)發(fā)生氧化作用的電極正極(positive electrode)電勢高的電極 陰極(cathode)發(fā)生還原

4、作用的電極負(fù)極(negative electrode)電勢低的電極,化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,電極反應(yīng)(reactions on the electrode)：在電極上進(jìn)行的有電子得失的化學(xué)反應(yīng)。 反應(yīng)Cu(M)Cu2+(Sol)+2 e-(M) 就叫電極反應(yīng)，也可以說是在電極系統(tǒng)中伴隨著兩個非同類導(dǎo)體相(Cu和CuSO4溶液)之間的電荷轉(zhuǎn)移而在兩相界面上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。這時將Cu稱為銅電極。電極總是要產(chǎn)生一定電勢的，稱為“電極電勢”。 電池反應(yīng)(cell reaction)：兩個電極反應(yīng)的總和。 氧化反應(yīng) +)還原反應(yīng) 電池反應(yīng)。,圖1-5 電極系統(tǒng),化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,充電與

5、放電：在電解池的兩極反應(yīng)中，氧化態(tài)物質(zhì)得到電子或還原態(tài)物質(zhì)給出電子的過程都叫做充電。在原電池中則叫放電（即使用電池的過程）?；蛘叨x：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能放電；電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能放電。 在電化學(xué)中，電極系統(tǒng)和電極反應(yīng)這兩個術(shù)語的意義是很明確的，但電極這個概念的含義卻并不很肯定，有時僅指組成電極系統(tǒng)的電子導(dǎo)體相或電子導(dǎo)體材料，有時指的是某一特定的電極系統(tǒng)或相應(yīng)的電極反應(yīng)，而不是僅指電子導(dǎo)體材料。,化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,在電極和電池的表示法中有如下規(guī)定： (-)左，(+)右，電解質(zhì)在中間；按實(shí)際順序，用化學(xué)式從左至右依次排列出各相的組成及相態(tài)。若電解質(zhì)溶液中有幾種不同的物質(zhì)，則這些物質(zhì)用“，”分

6、開。 電池表達(dá)式：(-) 電極a 溶液(a1) 溶液(a2) 電極b (+) 用實(shí)垂線“”表示相與相之間的界面，用虛垂線”表示可混液相之間的接界，用“”或“”表示液體接界電勢已用鹽橋等方法消除。 注明物質(zhì)的存在形態(tài)(固態(tài)(s)，液態(tài)(l)等)、溫度與壓強(qiáng)(298.15K，p?？墒÷?、活度(a)；若不寫明，則指298.15K和p。 氣體電極必須寫明載(導(dǎo))體金屬(惰性)，如 (-)Pt，H2(g，p) | HCl(m)| Cl2 (g，0.5p) ，Pt(+),化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,下面以丹尼爾電池(圖1-6)為例，簡述電池的基本術(shù)語和表示方法：圖1-6 Zn-Cu原電池 Zn-Cu原

7、電池 半電池 Zn-ZnSO4 Cu-CuSO4 電對 Zn2+/Zn Cu2+/Cu 電極反應(yīng) Zn=Zn2+2e Cu2+2e = Cu 氧化反應(yīng)陽極 還原反應(yīng)陰極 外電路 (-)電子多 (+)電子少,電流方向,電子流向,圖1-6 Zn-Cu原電池,化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,電池符號 (-)Zn | Zn2+(m1)| Cu2+(m2)|Cu(+) 原電池的電動勢 Emf= (+)- (-) (高) (低)。,電池反應(yīng),化學(xué)電池的基本術(shù)語和表示方法,電化學(xué)系統(tǒng)的工作原理,原電池和電解池的對比,表1-5 熱化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)別,圖1-8 電化學(xué)反應(yīng) 圖1-9 熱化學(xué)反應(yīng),可逆電池

8、在化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)化時，始終處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)的電池稱為可逆電池(reversible cell)。 可逆電池也可定義為：充、放電時進(jìn)行的任何反應(yīng)與過程均為可逆的電池。 可逆電池必須同時具備下列3個條件，缺一不可：,1）電池反應(yīng)可逆 放電時發(fā)生的電池反應(yīng)與充電時發(fā)生的電解反應(yīng)正好互為逆反應(yīng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移可逆。 首先，電極上的化學(xué)反應(yīng)可向正、反兩個方向進(jìn)行。 其次，當(dāng)外加電勢E外與電池電動勢Emf方向相反時，EmfE外情況下放電時發(fā)生的原電池反應(yīng)，與EmfE外情況下充電時發(fā)生的電解反應(yīng)互為逆反應(yīng)。 即充放電之后，參與電極反應(yīng)的物質(zhì)恢復(fù)原狀。,(2) 能量轉(zhuǎn)變可逆 第二點(diǎn)要求電池在充放電過程中能量的轉(zhuǎn)

9、變也是可逆的。即工作電流無限小(I0)，或充、放電的電勢差E=|Emf-E外|0，即充、放電過程的Emf=E外dE，電池在近平衡狀態(tài)下工作。若電池經(jīng)歷充、放電循環(huán)，則可以使系統(tǒng)和環(huán)境都恢復(fù)到原來的狀態(tài)。 （3）電池中進(jìn)行的其它過程也必須是可逆的,凡是不能滿足可逆電池條件的電池稱為不可逆電池(irreversible cell)。如圖2-1所示的電池，其電池反應(yīng)不可逆，因此該電池不是可逆電池。 放電：Zn+2H+=Zn2+ H2(g) （2.2a） 充電：Cu+2H+=Cu2+ H2(g) (2.2b) 使用鹽橋的雙液電池可近似認(rèn)為是可逆電池，但并非是嚴(yán)格的熱力學(xué)可逆電池，因?yàn)辂}橋與電解質(zhì)溶液界

10、面存在因離子擴(kuò)散而引起的相間電勢差，而擴(kuò)散是不可逆的。,例如Daniell(丹尼爾)電池(圖2-2)： -) Zn| ZnSO4(aq) CuSO4(aq) |Cu (+ 雖然兩個電極反應(yīng)是可逆的，但電池放電時，在ZnSO4和CuSO4溶液的接界處，還要發(fā)生 Zn2+ 向CuSO4溶液中的擴(kuò)散過程。當(dāng)進(jìn)行充電時，電極反應(yīng)雖然可以逆向進(jìn)行，但是在兩溶液接界處離子的移動與原來不同，是Cu2+向ZnSO4溶液中遷移，因此整個電池工作過程實(shí)際上是不可逆的。 現(xiàn)實(shí)中的電池一般不是可逆電池，因?yàn)閷?shí)際用的電池不是處在平衡狀態(tài)下充放電。,可逆電極 構(gòu)成可逆電池的兩個電極為可逆電極，可逆電極需要滿足單一電極和反

11、應(yīng)可逆兩個條件。 單一電極是指電極上只能發(fā)生一種電化學(xué)反應(yīng)，能同時發(fā)生多個反應(yīng)的多重電極不可能構(gòu)成可逆電極；反應(yīng)可逆是指充電和放電時發(fā)生同一反應(yīng)只是方向相反。 此外，一般還要求可逆電極必須能夠迅速建立和保持平衡態(tài)，即要求可逆電極具有較高的平衡離子濃度及高的交換電流密度(見第五章)?？赡骐姌O可分為兩大類型：基于電子交換反應(yīng)的電極和基于離子交換或擴(kuò)散的電極。也可以細(xì)分為：,(1) 第一類電極(the first-class electrode) 只有一個相界面的電極稱為第一類電極。主要包括金屬電極(metal electrode)、汞齊電極(amalgam electrode)、配合物電極(com

12、plex electrode)、氣體電極(gas electrode)等。 金屬電極 金屬(板、棒或條)浸入含有該金屬離子的溶液中所形成的電極。以銅電極為例：Cu2+(a)|Cu(s)，電極反應(yīng)：(a=1)。 汞齊電極 例如：Cd(Hg)x|Cd2+(a)，電極反應(yīng)：Cd2+2e+xHgCd(Hg)x(a1)。 配合物電極 例如：Ag|Ag(CN)2-(a)，電極反應(yīng)：Ag(CN)2- +eAg+2CN-。 氣體電極 例如氫電極 (圖2-3a)：Pt(s),H2(p) |H+(a)，電極反應(yīng)：2H+2eH2。,(2) 第二類電極(the second-class electrode) 有兩個相

13、界面的電極為第二類電極。主要是金屬-微溶鹽(或絡(luò)離子)-微溶鹽的負(fù)離子電極 (或配位離子)。如：Ag-AgCl電極(Ag(s)AgCl(s)Cl-，見圖2-3b)；氧化汞電極(Hg(l)HgO(s)OH-)；銀-銀氰絡(luò)離子電極 (Ag/Ag(CN)2-,CN-)。,(3) 第三類電極(氧化還原電極，the third electrode or redox electrode)： 例如：Pt|Fe3+, Fe2+(圖2-3c)，電極反應(yīng)：。又如化學(xué)修飾電極(圖2-4)。在導(dǎo)體或半導(dǎo)體的表面涂敷了單分子的、多分子的、離子的或聚合物的薄膜，借Faraday反應(yīng)(電荷消耗)而呈現(xiàn)出此修飾薄膜的化學(xué)的、

14、電化學(xué)的以及/或光學(xué)的性質(zhì)。,(a)標(biāo)準(zhǔn)氫電極 (b) Ag-AgCl電極 (c) Fe3+/Fe2+電極 圖2-3 三種常見的電極,(4) 第四類電極(膜電極) 利用隔膜對單種離子透過性或膜表面與電解液中的離子交換平衡所建立起來的電勢，測定電解液中特定離子活度的電極，如玻璃電極、離子選擇電極等。 (5) 第五類電極(嵌入電極) 發(fā)生嵌入反應(yīng)(intercalation reaction)的電極。所謂嵌入反應(yīng)就是客體粒子(也稱嵌質(zhì),主要是陰、陽離子) 嵌入主體晶格(也稱嵌基) 生成非化學(xué)計量化合物的反應(yīng)。典型的嵌入電極是鋰離子電池的正負(fù)極(見2.2.6.2 二次電池之“鋰離子電池”)。,電池的

15、組成,任何電池都由四個基本部分組成，即由電極、電解質(zhì)、隔離物及外殼組成。,(1) 電極 電極是電池的核心部分，由活性物質(zhì)、導(dǎo)電材料和添加劑組成，有時還包含集流體(圖2-6)。 活性物質(zhì)是能夠通過化學(xué)變化將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿奈镔|(zhì)，導(dǎo)電骨架主要起傳導(dǎo)電流、支撐活性物質(zhì)的作用，電池內(nèi)的電極又分正極和負(fù)極。 導(dǎo)電材料也常用作集流體，如圖2-7和圖2-8所示鉛銻合金柵架和泡沫鎳(MH-Ni電池常用導(dǎo)電材料)；,在碳鋅電池、堿性鋅錳電池中分別用碳棒和銅針作為正極、負(fù)極集流體，外殼也常用于正負(fù)極電流匯集，例如在堿性鋅錳電池中是正極集流體，在Cd-Ni、MH-Ni電池中則是負(fù)極集流體。,(2) 電解質(zhì) 電解質(zhì)

16、也不能與電池其它組分反應(yīng)。在有的電池系列中，電解質(zhì)還參與電化學(xué)反應(yīng)，如干電池中的氫化銨(NH4Cl)，鉛酸電池中的硫酸(H2SO4)等。 電解質(zhì)一般是酸、堿、鹽的水溶液，當(dāng)構(gòu)成電池的開路電壓大于2.3V時，水易被電解成氫氣和氧氣，故一般使用非水溶劑的電解質(zhì)。 很多電池系列的電解質(zhì)有較強(qiáng)的腐蝕性，所以無論電池是否用過，消費(fèi)者不要解剖電池。,(3) 隔離物 防止正、負(fù)極短路，但充許離子順利通過(如圖2-5b所示)。在電池內(nèi)部，如果正負(fù)兩極材料相接觸，則電池出現(xiàn)內(nèi)部短路，其結(jié)果如同外部短路，電池所貯存的電能也被消耗.所以，在電池內(nèi)部需要一種材料或物質(zhì)將正極和負(fù)極隔離開來，以防止兩極在貯存和使用過程中

17、被短路，這種隔離正極和負(fù)極的材料被稱作隔離物。 隔離物可分三大類：板材，如鉛酸電池用的微孔橡膠隔板和塑料板；膜材，如漿層紙、無紡布、玻璃纖維等；膠狀物，如漿糊層、硅膠體等。,(4) 外殼 主要作容器。 電池的殼體是貯存電池其它組成部分(如電極、電解質(zhì)、隔離物等)的容器，起到保護(hù)和容納其它部分的作用，所以一般要求殼體有足夠的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，保證殼體不影響到電池其它部分的性能。為防止電池內(nèi)外的相互影響，通常將電池進(jìn)行密封，所以還要求殼體便于密封。防爆蓋是為了防止電池內(nèi)部意外出現(xiàn)高壓發(fā)生危險而配套的安全裝置，所以在封口工序點(diǎn)焊防爆蓋時，不得將泄氣孔封死，以免出現(xiàn)危險。,一. 化學(xué)電源的發(fā)展 化

18、學(xué)電源是將物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置。 1859 年 普朗克（Pantle） 試制成功化成式鉛 酸電池 1868 年 勒克朗謝（Lelanche）研制成功以 NH4Cl 為電解液的Zn-MnO2 電池 1888 年 加斯納（Gassner）制出了Zn-MnO2 干電池 1895 年瓊格（Junger）發(fā)明Cd-Ni 電池,第一部分 化學(xué)電源基礎(chǔ),1900 年 愛迪生（Edison）創(chuàng)制了Fe-Ni 蓄電池 二十世紀(jì)四、五十年代以后電池發(fā)展更加迅速 60 年代：“雙子星座”和“阿波羅”飛船應(yīng)用培根H2- O2 燃料電池 70 年代：中東戰(zhàn)爭 能源危機(jī) 燃料電池、鈉硫電池 、鋰

19、硫化鐵電池得到廣泛發(fā)展 80 年代：貯氫材料的突破 氫鎳電池 90 年代：嵌入化合物鋰離子電池,二.化學(xué)電源的應(yīng)用： 航空航天飛行器：飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等； 機(jī)動車輛：啟動、點(diǎn)火、照明、動力； 大型發(fā)電站：調(diào)解電站； 醫(yī)院、郵電通訊部門：應(yīng)急電源； 便攜式電子產(chǎn)品：移動電話、攝像機(jī)、手提電腦等。,三. 電池的發(fā)展規(guī)律 電池的發(fā)展與新型電器的開發(fā)和應(yīng)用密切相關(guān) 。 世紀(jì)年代后各種低壓電器的普及，特別是半導(dǎo)體收音機(jī)的出現(xiàn)帶動了干電池的發(fā)展。 年代半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了紙板電池的發(fā)展。 年代以后，、和計算機(jī)的出現(xiàn)，促進(jìn)了電池的微型化。 。,年代以后，隨著移動電話的出現(xiàn)，-電池逐漸完善和商品化

20、，并出現(xiàn)了高能量密度鋰離子電池 材料的開發(fā)利用大大促進(jìn)了電池的進(jìn)步 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。鋰離子電池的開發(fā)有賴于碳素的研究，而導(dǎo)電聚合物材料的研究很有可能大大改變固態(tài)電解質(zhì)電池的面貌。, 環(huán)保問題為電池的發(fā)展提出了新的要求 一次電池的大量使用造成了資源的浪費(fèi)，為了節(jié)約資源，世紀(jì)年代研究的重點(diǎn)是可重復(fù)使用的二次電池，原有的一次電池也向二次電池轉(zhuǎn)向。 為了保護(hù)環(huán)境及人體的健康，禁止在電池中使用有害元素，盡管-電池性能優(yōu)異，而且技術(shù)不斷成熟，卻開發(fā)了取代它的-電池。汽車工業(yè)中大量使用的鉛酸電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了密閉化和免維護(hù)。,為了應(yīng)對未來可預(yù)料的能源危機(jī)和減少汽車

21、尾氣污染，新型清潔電動汽車的研究成為全世界科學(xué)工作者注目的焦點(diǎn)，目前已取得很大的進(jìn)展。 例如國外已經(jīng)開發(fā)出使用鋅空氣電池的微型汽車，一次充電可行駛里程已達(dá)；而使用燃料電池，據(jù)稱驅(qū)動座小車最高時速可達(dá)以上，持續(xù)行駛超過。, 隨著各種便攜性電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電池的需求量正在飛速增長，同時電池的性能也不斷地提高和完善。 世紀(jì)年代，工業(yè)（計算機(jī)、移動電話、攝像機(jī)和無線電動工具）的普及，日常生活對電池的需要已經(jīng)到了須臾不可分離的地步。 因此有人預(yù)測，高性能電池工業(yè)將是世紀(jì)最有前景的產(chǎn)業(yè)，因此電池的發(fā)展必須能趕上電器用具的發(fā)展?，F(xiàn)在各種形狀、各種規(guī)格、性能各異的電池在日常生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域發(fā)揮著不可替

22、代的作用。,化學(xué)電源的分類：,化學(xué)電源分類的方法很多，通常有如下幾種：,1.按電池的工作性質(zhì)分類：,（1）原電池（一次電池）：這種電池中的活性物質(zhì)消,耗后，即失去了工作能力，也就是說這種電池只能使用一次。例如：ZnMnO2，MgAgCl等電池。,（2）蓄電池（二次電池）,該電池中的活性物質(zhì)消耗后，可進(jìn)行充電使其恢復(fù)，電池得到再生，使電池能夠反復(fù)使用。例如鉛酸蓄電池，OHNi電池，AgZn電池等。,2. 按電解質(zhì)的性質(zhì)可將電池分為以下三類：,（1）堿性電池（電解質(zhì)為堿性，NaOH, KOH) 例：CdNi,（2）酸性電池（電解質(zhì)為酸性，H2SO4)例：鉛酸電池,（3）中性電池（電解質(zhì)為中性，NH

23、4Cl,HgCl2)例:ZnMnO2,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了有機(jī)電解質(zhì)電池，固體電解質(zhì)電池，膠體電解質(zhì)電池等等。,由于化學(xué)電源的發(fā)展較快，上述的分類不能明確地反映化學(xué)電源的全貌，目前常用的分類方法是把化學(xué)電源分為四類：,（1）原電池,（2）蓄電池,（3）儲備電池：該電池在存放期間不加電解質(zhì)溶液，在使用時臨時加入電解質(zhì)活化。例如：ZnO2電池,（4） 燃料電池：是一種能連續(xù)地把燃料的化學(xué)能變?yōu)殡娔艿难b置。只要連續(xù)不斷地將燃料（反應(yīng)物）或電解質(zhì)通如電池中，電池就能連續(xù)不斷地反應(yīng)而產(chǎn)生電能。例如：H2O2燃料電池。,需要說明的是：以上的分類并不是絕對的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，有些電池體系往往

24、 可以設(shè)計成多種不同的電池。例如：在堿性溶液中，由鋅和空氣構(gòu)成的電池體系。它根據(jù)需要就可以做成：,1. ZnO2(C) 一次電池,2. ZnO2(C) 二次電池,3. ZnO2(C) 儲備電池,4. ZnO2(C) 燃料電池,1.3 描述電池性能的主要參數(shù)及對參數(shù)的影響因素,對于一個實(shí)用化的電池，有多方面的性能參數(shù)要求。例如電池的電壓、內(nèi)阻、容量與比容量、能量與比能量、功率與比功率以及電池的貯存性能和循環(huán)壽命等 。,1）. 電池的電動勢及開路電壓,電池在開路時，即沒有電流通過的情況下，正負(fù)極的平衡電位之差，就是該電池的電動勢。開路電壓(open circuit voltage)：電池不放電時，

25、電池兩極之間的電位差被稱為開路電壓。它的大小取決于電池的本性及電解質(zhì)的性質(zhì)與活度，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)等無關(guān)。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)，電池的電動勢也就越高。,元素中以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 ，其電動勢可達(dá)5.91V。這是化學(xué)電源中電動勢最高的數(shù)值。,應(yīng)當(dāng)注意的是，在選擇電極活性物質(zhì)時，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LiF2,若組成電池，它具有很高的電動勢，但由于Li只適用于非水溶劑電解質(zhì)，F(xiàn)2是活性的氣體，不易儲存和,和控制，因而由單質(zhì)L

26、i與F2組成電池也是不切合實(shí)際的。,一般的化學(xué)電源都是采用水溶性電解質(zhì)。在電位較負(fù)的金屬中，以鋅、鉛、鎘、鐵最為常用。因在相應(yīng)的電解質(zhì)中具有較好的耐腐蝕性，在電位較正的活性物質(zhì)中，常用的有二氧化錳、二氧化鉛、氫化鎳、氧化銀等，它們在水溶液中都很穩(wěn)定，溶解度小，材料來源廣。,在以上所討論的電動勢是指體系達(dá)到熱力學(xué)平衡后的電動勢。但實(shí)際上有許多電極體系在水溶液中，即使開路時，也達(dá)不到熱力學(xué)上的平衡狀態(tài)。,2. 電池的工作電壓和放電曲線,（1）工作電壓：當(dāng)電池有電流通過時，這時正、負(fù)極,由于電流通過電池回路時使電極產(chǎn)生電極極化和歐姆極化，這時的工作電壓總是低于電動勢。即：,兩端的電位差，即為工作電壓

27、（放電電壓）。,， 分別為電流通過正，負(fù)極時的工作電位。 I為放電電流 R為電池內(nèi)阻。,影響工作電壓的因素：,1. 放電時間 一般放電時間長，電壓低,2. 放電流密度 一般放電流密度大，電壓低,3. 放電深度 一般放電深度低，電壓低,（2）放電曲線,若在指定負(fù)載和溫度下放電時，把電池的電壓隨時間的變化作圖，就可以得到電池的放電曲線。,圖1-1電池的 放電曲圖線,根據(jù)電池的放電曲線，通?？梢源_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,注意：放電時間的長短，取決于放電的終止電壓（不宜再繼續(xù)放電的電壓）。通常放電電流大時，終止電壓可低

28、些，放電電流小時，終止電壓可高些。,當(dāng)衡量電池的電壓特性時，常用平均工作電壓來表示：,（3）電池的容量,電池的容量是指電池放電時所能給出的電量（AH)。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)的重量按法拉第定律計算出的電量。,2. 實(shí)際容量： 實(shí)際容量指在一定的放電條件下,電池所能給出的電量。,實(shí)際容量的計算：,（1）若是恒電流放電,（2）恒電阻放電,由于恒電阻放電時，I 是不斷變化的，故QR要通過積分的方法計算：,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)計指標(biāo)。,電池的容量是電池的一個很重要的性能指標(biāo)。,4. 電池的能量

29、,電池的能量：指電池在一定的放電條件下，所能給出的能量，通常用瓦時（WH)表示,電池的能量分類為：,（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：,（2）電池的實(shí)際能量：,2.恒電阻放電時,1.恒電位放電時,（3）比能量,1. 體積比能量：單位體積電池輸出的能量（瓦時/L）,2. 重量比容量：單位重量電池所能輸出的能量,a. 理論重量比能量,又可分為：,b. 實(shí)際重量比能量,總之：在評定電池的質(zhì)量或是在開發(fā)新的電源時，對電池的比能量是常常需要考慮的一個指標(biāo)。以下就對電池比能量的理論重量比能量和實(shí)際重量比能量再做進(jìn)一步的說明：,A. 理論比能量：是指1Kg電池

30、反應(yīng)物質(zhì)反應(yīng)完全后，理,B. 實(shí)際比能量是：指1Kg電池反應(yīng)物質(zhì)在實(shí)際放電時所能,論上所能給出的電能。,給出的電能。,5.電池的功率,在一定的放電制下，單位時間內(nèi)電池所能給出的能量，稱為電池的功率（W，KW)。,單位重量或單位體積電池輸出的功率，稱為電池的比功率（W/Kg，W/L).,比功率是電池的重要性能之一。一個電池的比功率越大，表示它可以承受的放電電位越大，或者說其可以在高倍率下放電。,理論上電池的功率可以用下式表示： P=IE,若設(shè)R外為電路的電阻, R內(nèi)表示電池的內(nèi)阻, 則上式可寫作：,上式中的第一項(xiàng)為有用功率P有。第二項(xiàng)的功率則是消耗在電池內(nèi)部的發(fā)熱上，而不能利用。所以通常將,由P

31、有=I2R外可知，外電阻對K，P有，P有影響,稱為功率利用系數(shù)。,6. 電池的儲存性能和自放電,化學(xué)電源的特點(diǎn)之一是在使用時能夠輸出電能，不用時能夠保存能量。因而好的電池具有較好的儲存性能。所謂的放電性能 是指在一定條件（一定溫度、濕度等）下，儲存時容量的下降率。通常表示為：,Q。、QT分別為電池儲存前后的容量，t為儲存的時間，一般用天、月、年計算。,容量的下降率主要是由電池的自放電引起的，故也叫自放率。,從熱力學(xué)上看，產(chǎn)生自放電的根本原因是由于電極活性物質(zhì)在電解液中不穩(wěn)定引起的。因大多數(shù)的負(fù)極活性物質(zhì)是活潑的金屬，它在水溶液中的還原電位比氧負(fù)極要負(fù)，因而會形成金屬的自溶解和氫析出的共軛反應(yīng)。

32、使負(fù)極活性物質(zhì)不斷被消耗。同樣, 正極活性物質(zhì)也會與電解液或電極中的雜質(zhì)發(fā)生作用被還原而產(chǎn)生自放電。,另外電池的自放電也有可能由正負(fù)極之間的微短路或正極活性溶解轉(zhuǎn)移到負(fù)極上去而引起自放電。這時必須采用良好的隔膜來解決。,另外還可以采用低沉和干荷電儲存，都可減少自放電，而使電池的儲存壽命延長。,7. 蓄電池的充放電特性,蓄電池放電后，用一個直流電源對它充電，即此時發(fā)生,克服自放電的方法，一般是采用高純的原材料，或在負(fù)極材料中加入氫過電位高的金屬（Hg，Cd，Pb)，或在電極或溶液中加入緩蝕劑來抑制氫的析出等。,的電極反應(yīng)恰是放電反應(yīng)的逆反應(yīng)。這樣使電極活性物質(zhì)得到恢復(fù)，電池又可重復(fù)使用，充電過程

33、是一個電解過程。,充電時，直流電源的正極與電池的正極相連，負(fù)極與直流電源的負(fù)極相連。這時電池的端電壓稱為充電電壓，電池的充電電壓總是高于它的電動勢，其關(guān)系式如下：,r 為電極的等效極化電阻,R 為R+、R、Rl的歐姆電阻之和,蓄電池的充電方法有恒流法和恒壓法，通常使用的是恒電流法。 隨著充電的進(jìn)行，活性物質(zhì)不斷被恢復(fù)（負(fù)極物質(zhì)還原，正極活性物質(zhì)氧化），電極反應(yīng)存積不斷縮小，充電電流密度不斷增大，使電極的極化不斷增大。,基于在充電過程中有能量的損耗，因而就有一個充電效率的問題?？捎萌萘枯敵鲂屎湍芰枯敵鲂蕘肀硎?。,1）. 容量輸出效率（又稱安時效率）：是指電池放電,輸出能量與充電輸入能量之比。

34、,超過了充電終止電壓，繼續(xù)充電稱為過充電。若低于放電終止電壓，繼續(xù)放電稱為過放電。,過充電不僅造成了能量的無益消耗，而且會對電池的性能和工作環(huán)境造成危害；過放常造成電池難以再充電。,8. 蓄電池的循環(huán)壽命,蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)（或稱,一個周期）。在一定的放電制下，當(dāng)電池的容量降到某一定值之前，電池所能承受多少次充放電，稱為蓄電池的使用周期（或稱循環(huán)壽命）。周期越長，表示電池的性能越好。,不同的電池使用周期是不相同的，例如：一般說來，F(xiàn)eNi，CdNi 電池的使用壽命可達(dá)數(shù)千次。鉛蓄電池約300 500次，Zn Ag電池約40 100 次。,另外，蓄電池的使用壽命與放電深度、沉

35、度、充放電率等條件都有關(guān)。（放電深度是指電池放出的容量與額定容量的百分比）。,下表即為CdNi電池的放電深度與使用壽命的關(guān)系：,一般說來，放電深度小，使用壽命長。,第二部分：鋅錳干電池,2.1 概述,以MnO2為正極，Zn為負(fù)極，并以NH4Cl水溶液為主電解液，用紙、棉或淀粉等將電解液凝膠化，使其不流出，具有這種結(jié)構(gòu)的電池叫做錳干電池。,這種電池最早在1868年法國人勒克朗謝設(shè)計的，開始電解質(zhì)仍是流動的。 把細(xì)砂、鋸末等物質(zhì)加在電解質(zhì)中，使其成為糊狀物。到了1886年，由美國的加斯納，設(shè)計了一種將電解液用石膏固化。,制成圓筒形的電池。這種電池即使傾斜電解液也不會流出。,美國在1890年開始生產(chǎn)

36、了這種電池。之后又經(jīng)過不斷的改進(jìn)，發(fā)展到目前的干電池。,干電池主要用在：照明、攜帶式收音機(jī)、照相閃光燈、電動玩具、電話、助聽等方面。,說明：,2CaSO4H2O與少量水作用可逐漸硬化，并膨脹，故可鑄造模型及雕塑。,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。（見下圖）,筒形電池的鋅極兼作電池的容器。MnO2電極壓成圓柱形的電芯，炭棒在電芯的中央作為正極導(dǎo)體，電芯外面包有綿紙，以防芯粉脫落；鋅筒底部的絕緣墊片，是用來防止正負(fù)極間的短路；電糊起作離子的導(dǎo)電作用和正負(fù)極間的隔離物的作用。上部的氣

37、室為氣體或電糊膨脹而留的余地；封口劑和電池蓋都是為了密封電池，防止電解質(zhì)干固。,2.2 圓筒鋅錳干電池的制造,鋅錳干電池的生產(chǎn)工藝，因電池品種和各廠的機(jī)械化程度不同而各有所異，現(xiàn)僅就主要部分作以下介紹：,鋅錳干電池的生產(chǎn)工藝流程是由許多的工序構(gòu)成的（如下圖所示）,其工序較多，但大致可歸結(jié)成以下幾個部分：,（1）電解質(zhì)溶液的制備,1. 電解液的成分和作用,隨著工業(yè)的發(fā)展，為了研制高比能，耐低溫，長壽命的鋅錳干電池，人們對電池的成分作了許多的改進(jìn)，在目前常用的有以下幾種：,A. NH4Cl：電解液的主要成分，其作用為：,a. 參加電池反應(yīng)，減少鋅電極的極化,b. 擔(dān)任離子的導(dǎo)電，是常見的氯化物中比

38、電導(dǎo)最大的（見表21）,C. NH4Cl水解生成的H+，有利于減緩電芯中PH值的上升，使電極正電位下降。,NH4Cl的主要缺點(diǎn)是冰點(diǎn)高，20%的水溶液在20時便結(jié)冰，使電池在低溫下不能工作。另外，NH4Cl亦沿鋅筒爬出，引起電解液外溢。,（2）ZnCl2：,A 吸水性強(qiáng)，有助于保持電解質(zhì)中的水分，防止電糊干涸。,B 增大了電解液的鋅離化子濃度，可減緩鋅的腐蝕。,C ZnCl2水解生成的H+，可以減少正極電位下降。,D ZnCl2有促進(jìn)淀粉的水解作用，可加速電解液的糊化。,E 能改善電池的低沉性能,其主要缺點(diǎn)是：比電阻大，約為NH4Cl的4倍,（3）稠化劑：,為了使電解液呈不流動狀，需在電解液中

39、加入稠化劑，鋅錳干電池中使用的是淀粉和面粉。 淀粉和面粉的化學(xué)成分是相近的，她們的通式為(C6H10O5)X，都是具有支鏈的鏈狀的高分子化合物。,淀粉不溶于冷水，加熱時，水分子逐漸滲入淀粉顆粒內(nèi)部，體積慢慢膨脹，達(dá)到糊化溫度時，淀粉團(tuán)被解體，分子相互交織在一起，形成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，把電解液包在其中，成為均勻的和不流動的凝膠狀漿糊。它具有良好的導(dǎo)電性，又能固化電芯，把它與鋅筒隔開，并能防止電解液外溢，使電池便于攜帶和使用。,如果稠化劑只用淀粉，則電糊的膠體強(qiáng)度大，導(dǎo)電性好，但是其保水能力和粘性都較差。因此干電池的電糊都不使用單一的淀粉，而是與一定量的面粉使用。面粉電糊的優(yōu)點(diǎn)是粘性好保水能力強(qiáng)，但它

40、對錳粉和電解質(zhì)的作用不穩(wěn)定，膠體強(qiáng)度低，二者結(jié)合，取長補(bǔ)短，可達(dá)最佳效果。,（4） 緩蝕劑：,A HgCl2 是干電池中經(jīng)常使用的一種無機(jī)緩蝕劑。電解液中加入HgCl2后，鋅皮與HgCl2作用，將Hg置換出來,，生成一層鋅汞齊膜,。,由于H2在鋅汞齊上的過,電位比在鋅及其它一些金屬雜質(zhì)上的過電位高，故能減小H2的析出速度，從而又可減緩了鋅皮的腐蝕。,B 乳化劑OP、TX10：都是聚氧乙烯烷基苯基醚一類的有機(jī)非離子型表活性劑。,其用量一般在0.05%左右，其作用機(jī)理為:該非離化子做表面活性劑，在Zn(Hg)表面上具有較好的吸附，從而抑制了Zn的腐蝕。,（5）其它添加劑,在電解液中常加入Cr2(S

41、O4)3，增加電糊強(qiáng)度，加入CaCl2和LiCl，降低電解液的冰點(diǎn)，提高低沉性能。,2. 電解液的配制工藝,電解液和電糊的配制工藝流程如下：,電糊,R2O（手電筒電池）配方,1#電液：NH4Cl 19.94%，ZnCl2(50%) 9.97%,H2O 69.74%，Zn 0.035%,2#電液：NH4Cl 23.24%，ZnCl2(50%) 56.26%,H2O 19.95%，Zn 0.065%,白漿：1#電液65.55%，土豆粉27.53%，面粉6.92%,清漿：2#電液93.85%，土豆粉0.47%，,比重1.209（20 ）的Cr2(SO4)3溶液4.04%，,OP(10%)水溶液 1.

42、17%，HgCl2 0.4%,電糊：白漿60%，清漿40%,電糊中各組分的含量：,NH4Cl：16.5% ， ZnCl2：13.16%， ZnO：0.37%， HgCl2：0.18%， 面粉： 4.14%， Cr2(SO4)3 ：0.39%， H2O：48.53%， 土豆粉：16.68%， O P：05%,3. 配制要點(diǎn)：,（1）必須仔細(xì)除去原料中的重金屬雜質(zhì)（Fe、Cu、Ni、Pb）,方法：在ZnCl2溶液中加入純Zn片，加熱到110130 ，使 重金屬離化子都置換出來,使MFe3+ 天然錳粉 b 化學(xué)錳粉,決定電池容量的主要材料。,c 電解錳粉,b 化學(xué)錳粉：化學(xué)二氧化錳的制法較多，主要包

43、括1.還原高錳酸鉀法 ，2. 硝酸鉀熱分解法 3. 碳酸錳法,碳酸錳法是把低品位的軟錳礦制成硫酸錳溶液。經(jīng)過濾，,然后以碳酸氫氨做沉淀劑，使硫酸錳成為碳酸錳沉淀，最后經(jīng)過焙少生成二氧化錳。,C 電解錳：是用碳酸錳和硫酸作原料，采用電解的方法制得。,總反應(yīng)：,陽極：,陰極：,（2）石墨和乙炔黑,它們都是由碳構(gòu)成的同素異構(gòu)體，具有良好的導(dǎo)電性和一定的吸液能力。把它們混在電芯中和錳粉緊密接觸，用來提高二氧化錳電極的電導(dǎo)能力，并能使電芯保持較多的電解液，有利于錳粉和電解液的充分接觸、反應(yīng)。提高活性物質(zhì)的利用率和延長電池的壽命。,一般來說，石墨的導(dǎo)電性好，吸液能力差，乙炔黑的顆粒細(xì)，比表面大（6080m

44、2/克），具有鏈狀結(jié)構(gòu)，其吸液能力比石墨強(qiáng)。因此用乙炔黑代替石墨能使電芯吸收更多的電液，提高電池的容量。但石墨的加入對提高短路電流更為有利。且石墨的顆粒越細(xì)越好。,（3）氯化銨,電芯中氯化銨的存在的作用：1補(bǔ)充因放電時電解液中氯化銨的減少， 2減少放電室電芯中的PH值的上升，3提高電芯中電解液的電導(dǎo),（4）調(diào)粉液,在制作電芯的粉料中加入調(diào)粉液，有利于電芯的成型。而且便電芯保持一定水分，增加電芯液相的導(dǎo)電性。,2. 電芯的制造流程（R2O型電池）,3. 工藝要求：,1 和粉要求均勻,2 含水量（粉）一般控制在1318%左右，太濕壓制電,芯時，易擠出電解液，太干不易成型。,3電芯粉合好后要妥善保存

45、，防止吸潮和揮發(fā)。,4電芯壓制用力要均勻，各處的緊密度要一致。,5炭棒應(yīng)居于電芯中心，接觸緊密，不能中斷和破頭。,6電芯應(yīng)圓正，表面光滑，無裂紋，粘粉。,7電芯的大小、重量和含水份應(yīng)符合要求。,8為使 電芯加電液后不膨脹，不掉粉。在電芯外邊用綿紙,包上，并用棉紗線在扎線機(jī)上扎緊捆好。包紙要平正，,無破損，均勻，結(jié)實(shí)。,三. 炭棒制造,1. 制造炭棒的原材料和作用,炭棒是由石墨和煤、瀝青經(jīng)壓制和焙燒而成。石墨在炭棒中起電導(dǎo)作用，是制造炭棒的主要原材料。煤瀝青是煤焦油蒸餾的產(chǎn)物，它在炭棒中起粘合作用。,2. 制造流程,3. 質(zhì)量要求,（1）電阻小,（2）表面粗糙，以利和電芯緊密接觸,（3）透氣性好

46、，防止電池產(chǎn)生氣漲,（4）機(jī)械強(qiáng)度好,（5）有一定的防水性，防止電液滲出，腐蝕銅帽,四. 糊化品制造,（1）制造流程,（2） 操作要點(diǎn),1 糊化要均勻，灌入鋅筒前，電糊要不斷攪拌，動作,2 糊化沉度要控制好，一般夏季水溫在6575 ，冬季,3電糊面要與電芯齊肩，若高于電芯，易蝕銅帽，若低，,要快，否則，會導(dǎo)致糊化不均勻，或上稀下干。,可稍高點(diǎn)。糊化時間一般在2分鐘。,則會減少活性物質(zhì)的利用率和電池容量。,4電芯應(yīng)居鋅筒中央，以免偏心，鋅筒各處電流密度不均，,5要嚴(yán)防電液電糊粘到炭棒上，鋅筒內(nèi)壁上端，以免,五. 鋅筒制造,1. 對原材料的質(zhì)量要求,鋅筒既是干電池的負(fù)極，又是電池外殼。它直接參加電

47、池反應(yīng)，是決定電池容量和儲存性能的主要原材料之一，故對原材料要求：,a.具有很高的抗腐性能,導(dǎo)致鋅筒局部腐蝕穿孔。,腐蝕鋅皮和銅帽,b. 外觀無針孔，裂紋，清洗等,c. 化學(xué)成分應(yīng)符合表中規(guī)定,加入0.3%的Pb和0.5%的Cd 可提高鋅筒的耐腐蝕 性。Cd可提高機(jī)械強(qiáng)度，Pb可提高延展性。,2. 鋅筒的制造方法,a. 整體沖壓,b. 先做成鋅筒，再焊底,六. 封口及單體電池成品的制造,工藝流程：,封口劑由石油瀝青（50%80%）、石蠟（530%）、杜香（5%10%）配制而成。,七. 質(zhì)檢,R20型干電池的質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn),說明：,（1） 成品在一個月內(nèi)檢查，以新電池為準(zhǔn)；16個月檢查，,（2）

48、負(fù)荷電化，均為負(fù)荷后，在2秒內(nèi)測定值。,（3） 試驗(yàn)電池保存性能，電池應(yīng)在35以下保存。在保存期,（4） 放電時間以每星期放5天，每天放30分鐘，直至,以6個月的電池性能為準(zhǔn)；6個月以上至最后保存期，以最后保存期電性能為準(zhǔn)。,內(nèi)不應(yīng)有正極生銹，氣漲鼓低，電解液外溢現(xiàn)象。,終止電壓。累計分鐘數(shù)。,2.3 鋅錳干電池的工作原理,鋅錳干電池的工作原理，主要在于敘述電池工作時兩電極的電化學(xué)反應(yīng)和反應(yīng)速度及電池的電動勢（熱力學(xué)性質(zhì)）。,一. 二氧化錳電極的工作原理：,圖2-1. MnO2-Zn電池放電電壓及電極反應(yīng)隨時間的變化曲線,筒形電池的鋅極兼作電池的容器。 MnO2電極壓成圓柱形的電芯，炭棒在電芯

49、的中央作為正極導(dǎo)體，電芯外面包有綿紙，以防芯粉脫落；鋅筒底部的絕緣墊片，是用來防止正負(fù)極間的短路；電糊起作離子的導(dǎo)電作用和正負(fù)極間的隔離物的作用。上部的氣室為氣體或電糊膨脹而留的余地；封口劑和電池蓋都是為了密封電池，防止電解質(zhì)干固。,第三部分：鉛酸蓄電池,3.1 概述,鉛酸電池的歷史是以1859年法國人普蘭特的研究為開端的，當(dāng)時普蘭特發(fā)現(xiàn)，當(dāng)直流電通過浸在稀硫酸中的兩塊鉛板時，在兩塊鉛板上能夠重復(fù)的產(chǎn)生電動勢，他便以此為基礎(chǔ)制成了蓄電池，并在實(shí)用化方面獲得了成功。,一百年以來，經(jīng)人們的不斷努力研究和改進(jìn)。使鉛酸電池的性能有了很大提高。至今，它已是各種二次電池中使用最廣，用量最大的一種電池。,電

50、動三輪車專用,UPS及電動摩托車用,6V、12V起動用干荷電鉛酸蓄電池,OA型啟動系列蓄電池,電動車用鉛酸電池,固定密封電池,（一）極板,極板是蓄電池的核心部分，蓄電池充放電過程中，電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換依靠極板上的活性物質(zhì)與電解液中的硫酸的化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。 極板分正、負(fù)極板兩種。極板由柵架和活性物質(zhì)組成 。,（1）柵架,由鉛銻合金澆鑄而成。,目前，多采用鉛低銻合金柵架或鉛鈣錫合金柵架。,（2）活性物質(zhì) 正極板上的活性物質(zhì)為二氧化鉛（PbO2），深棕色 負(fù)極板上的活性物質(zhì)為海綿狀純鉛（Pb），深灰色,.極板組： 一片正極板和一片負(fù)極板浸入電解液中，可得到2V左右的電動勢，為增大蓄電池容量，常將

51、多片正、負(fù)極板分別并聯(lián)組成正、負(fù)極板組。 注意：因?yàn)檎龢O板的強(qiáng)度較低，所以在單格電池中，負(fù)極板總比正極板多一片。是每一片正極板都處于兩片負(fù)極板之間，保持其放電均勻，防止變形。,（二）隔板,在正負(fù)極板間起絕緣作用，使電池結(jié)構(gòu)緊湊,(1)隔板有許多微孔，可使電解液暢通無阻。 (2) 隔板一面平整，一面有溝槽，溝槽面對著正極板，且與底部垂直，使充放電時，電解液能通過溝槽及時供給正極板，當(dāng)正極板上的活性物質(zhì)PbO2脫落時能迅速通過溝槽沉入容器底部。,（三）電解液,由純硫酸與蒸餾水按一定比例配置而成，加入每個單格電池中。 電解液應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，含雜質(zhì)會引起自放電和極板潰爛，從而影響蓄電池壽命。,（四）外殼,

52、殼體用于盛裝電解液和極板組。外殼應(yīng)耐酸、耐熱、耐振動沖擊。 外殼由橡膠外殼和聚丙烯塑料兩種，普遍采用的是塑料外殼，其有殼壁薄、質(zhì)量輕、易于熱封合、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。 外殼為整體式結(jié)構(gòu)，殼內(nèi)間壁分成3個或6個互不相通的單格。 蓄電池單格電池之間均用鉛質(zhì)聯(lián)條串聯(lián)。,鉛酸電池的組成，以及充放電過程中的反應(yīng)如下：,鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)：,1. 電動勢高，內(nèi)阻小，可大電流放電,2. 使用溫度范圍寬,3. 原料豐富，價格不貴,鉛酸電池的缺點(diǎn)：,1. 循環(huán)壽命不長,2. 比能量不高,鉛酸蓄電池的極板結(jié)構(gòu)有兩種：1. 涂膏式 2. 管式,3. 充電時有酸霧逸出,一般情況下，正極都是采用管式，負(fù)極采用涂膏式。,根據(jù)

53、電池的結(jié)構(gòu)可分為：,根據(jù)用途可分為：,1. 啟動型： 用于汽車、船舶、拖拉機(jī)等，具有起動時,1. 開口式 2. 半密閉式 3. 完全密閉式,電流時電流大，耐低溫的特點(diǎn)。,2. 固定型： 用于發(fā)電廠，配電廠，電話局，作為備用,電源的機(jī)關(guān)機(jī)房等，具有使用壽命長，耐過充等。,3.牽引用蓄電池，用于車輛驅(qū)動電源，如火車站運(yùn)輸用的電瓶車和工礦電機(jī)車動力電源； 4.摩托車用蓄電池； 5.船舶用蓄電他； 6.航空用蓄電池； 7.坦克用蓄電池； 8.鐵路客車用蓄電池；,9.航標(biāo)用蓄電池； 10.礦燈用蓄電池等,鉛酸電池的制造工序較多，一般分為板柵制造，鉛粉制造，生極板制造，化成和電池裝配等幾個主要部分。,其工

54、藝流程如圖31所示。,第四部分：堿性蓄電池,4.1 概述,常見堿性蓄電池主要有以下幾種：,CdNi 、 AgZn 、FeNi 、 ZnO2 、 MHNi電池,開發(fā) 的最早，應(yīng)用最廣的為CdNi、FeNi 電池，H2Ni電池是近幾年才被開發(fā)。它們的正極活性物質(zhì)和電解質(zhì)完全相同。,CdNi電池：,NiO(OH)按理叫氫氧化鎳酰，又叫氧化氫氧化鎳(III),FeNi電池：,MHNi電池：,總反應(yīng)：,CdNi電池的優(yōu)點(diǎn)：,1. 循環(huán)壽命長，在全充全放條件下，也可達(dá)750次以上,2. 機(jī)械性能好，耐沖擊和振動,3. 耐過充放,用途：飛機(jī)，坦克等的啟動電源，缺點(diǎn)是鎘有毒。,由于正極活性物質(zhì)中的Ag有兩種價

55、態(tài)，故其電極反應(yīng)可用兩種方程表示：,Ag-Zn電池：,電池反應(yīng)：,該電池的優(yōu)點(diǎn)是：,（1） 能經(jīng)受大電流放電，且放電壓平穩(wěn),（2） 比能量和比功率都很高。例如常溫下，1小時放電可,它主要用于火箭、導(dǎo)彈、魚雷等的電源。缺點(diǎn)大造價高，循環(huán)壽命短。,放出90%。1/3小時率放電僅能放出30%。,商用電池的選用標(biāo)準(zhǔn),1.機(jī)械性和化學(xué)穩(wěn)定性 2.能量儲存容量 電池的化學(xué)反應(yīng)能夠提供足夠的電壓和電流，通過Wh/L和Wh/Kg測量，電池反應(yīng)動力學(xué)必須足夠快，如碳-鋅和鎳-鎘電池在這方面表現(xiàn)的很好。 3.操作溫度范圍 軍用：-50到80度 一般：0-40度 儲存：-20到85,4.自放電 如Li-MnO2 8

56、年后還能提供90%的能量，一些軍用電池放20年后還能夠保持能量不變?？沙潆婋姵鼐筒贿@么好，一般可充電電池一個月后自放電30%，通常自放電隨溫度的增加而增加。 5.放電曲線形態(tài),6.價格 電池的價格是由電池材料和工藝決定的。電池的出售價格是由消費(fèi)者購買能力和電池的性能決定。如堿性一次電池Zn-MnO2在美國,而在歐洲和日本則氯化鋅電池市場份額大，在發(fā)展中國家價格低的碳-鋅電池市場大。,7.安全性 8.循環(huán)使用壽命 商用充放電電池一般要求循環(huán)至少300次，而且其能量損耗不得高于20% 9 充電電時間 充電時間一般與消費(fèi)者有關(guān)系，有的要求15min，快充會縮短電池的使用壽命，一般的充電電池要求3-8

57、小時完全充電以保證正常的使用壽命，因?yàn)槌潆姷倪^程中原子和分子要回到原來的位置是要一定的時間的.,10.過充過放電保護(hù) 過充過放電會導(dǎo)致電池的不穩(wěn)定，如Ni-Cd,Ni-MH,鉛酸電池已經(jīng)建立了過充過放電機(jī)制， 鋰離子電池可以通過電子開關(guān)來防止過充過放電帶來的危害。,第五部分 鋰離子電池,鋰電池最早出現(xiàn)于1958年，20世紀(jì)70年代進(jìn)入實(shí)用化。2O世紀(jì)8O年代趨向研究鋰離子電池。以后發(fā)展日益迅速。 最近，鋰離子電池又開始向動力電池發(fā)展，動力電池容量較大，可達(dá)十到數(shù)百安時，一個電動車要裝數(shù)百千克的電池。將來電動車等交通工具使用電池，又將大大促進(jìn)鋰離子電池的發(fā)展。,筆記本鋰離子電池,方形和圓筒形鋰離

58、子電池,奔馳鋰離子電池雙座微型車,吉利EK-2鋰離子電池電動汽車,我國近年鋰離子電池的生產(chǎn)發(fā)展很快，2000年，我國鋰離子電池產(chǎn)量約0.2億只，占全球份額的3.6，與韓國相近，而日本達(dá)5.12億只，占全球份額的93.9。到2002年，我國超過1億只，2004年達(dá)到7.6億只，占全球份額的37.1，僅次于日本(9.5億只， 占46.3)。 研究使用資源較多、價格較低的材料代替鈷，可將使鋰離子動力電池的價格大幅降低。,鋰離子電池由可使鋰離子嵌入和脫嵌的碳為負(fù)極，可逆嵌鋰的金屬氧化物為正極，以及含鋰鹽的有機(jī)電解質(zhì)構(gòu)成。 以正極材料LiCoO2為例：負(fù)極主要為C， 充電時正極反應(yīng)：LiCoO2 Li 1-x CoO2 + xLi+ + xe- 負(fù)極反應(yīng)：C + xLi+ + xe- CLix 電池總反應(yīng)：LiCoO2 + C Li 1-x CoO2 + CLix 放電時發(fā)生上述反應(yīng)的逆反應(yīng)。,石墨晶體和LiCoO2都具有層狀結(jié)構(gòu). 這種層狀結(jié)構(gòu)化合物,允許鋰離子進(jìn)出,而材料結(jié)構(gòu)不會發(fā)生不可逆變化. LiCoO2為一層氧(O) 原子緊鄰一層Li (鋰) 原子,再緊鄰一層氧原子和鈷(Co) 原子,即O Li O C