電池基本知識(shí) )

1、“電池原理，構(gòu)件運(yùn)用”講授提綱該講授題目是公司擬定的，按個(gè)人理解草擬講授題綱如下：1 化學(xué)電源的基本原理(1) 化學(xué)電源的基本組成及其作用化學(xué)電源（與物理電源不同）又稱化學(xué)電池，簡(jiǎn)稱為電池，一般有四種部件：電極，電解質(zhì)，隔離物，包裝殼或包裝袋。 電極分正極和負(fù)極，正極主要為或可以變?yōu)楦唠娢晃镔|(zhì)（氧化劑），負(fù)極主要為或可似變?yōu)榈碗娢晃镔|(zhì)（還原劑），這兩個(gè)電位值相差越大，電池的工作電壓越高。當(dāng)電池正負(fù)極同外電路構(gòu)成回路時(shí)，電流從正極經(jīng)外電路流向負(fù)極而作功，發(fā)揮它的能源作用。電解質(zhì)和隔離物（也可統(tǒng)一稱為電解質(zhì)）構(gòu)成電子絕緣體和離子良導(dǎo)體，使正負(fù)極同其密切接觸而正負(fù)極間卻嚴(yán)格分離，當(dāng)電池在外電路作功時(shí)

2、電池內(nèi)部電流從負(fù)極流向正極，構(gòu)成整體回路。包裝殼或包裝袋,作容器用，把正負(fù)極、隔膜構(gòu)成的電極芯及其浸透的電解質(zhì)包容或密封在其內(nèi)部。()化學(xué)電源的基本性能 化學(xué)電源的基本性能構(gòu)成化學(xué)電源的基本概念，例如電功勢(shì)、開路電壓、工作電壓，電極電位、過電位，極化，活性物質(zhì)利用率，充放電曲線，電池的容量，是電池理論的組成部分。將安排一節(jié)專門講解這些概念。 常用化學(xué)電源簡(jiǎn)介 對(duì)幾種重要的電池作簡(jiǎn)單介紹，重點(diǎn)是環(huán)宇公司目前生產(chǎn)的三種主要產(chǎn)品。 （）ZnMnO2電池 主要介紹幾種產(chǎn)品類型和最新發(fā)展；（）鉛酸電池 主要介紹其基本原理 （）密封CdNiOOH電池 主要介紹電池中電化學(xué)反應(yīng)原理和密封的設(shè)計(jì)要求，初步了解

3、產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)水平密切相關(guān)。（）MHNiOOH電池 介紹的內(nèi)容與CdNiOOH電池類同，并通過對(duì)比說明MHNiOOH電池可作為CdNiOOH電池替代產(chǎn)品的環(huán)保意義。（）鋰離子電池 是環(huán)宇公司的新產(chǎn)品，也是國(guó)際上正在產(chǎn)業(yè)化、商品化的產(chǎn)品，簡(jiǎn)單介紹一下基本原理和研發(fā)過程，使大家了解高新技術(shù)產(chǎn)品不僅要有理論研究結(jié)論作指導(dǎo)，同時(shí)要了解技術(shù)水平的高低能決定產(chǎn)品質(zhì)量的高低。 簡(jiǎn)單介紹一個(gè)大學(xué)畢業(yè)生在環(huán)宇公司的前途及如何發(fā)揮作用的問題。2001化學(xué)電源（電池）的基本原理和制作（結(jié)合環(huán)宇主要講二次電池）1.引言1.1化學(xué)電源（電池）的定義化學(xué)電源是一種直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能（直流）的裝置。它實(shí)際上是一個(gè)小的直

4、流發(fā)電器，或稱能量轉(zhuǎn)換器。化學(xué)電源利用能量是氧化還原反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移的能量，其基本原理則是：讓氧化、還原反應(yīng)分別在兩處進(jìn)行，使還原劑的電子通過外電路交給氧化劑，電池內(nèi)部離子進(jìn)行相應(yīng)的流動(dòng)形成回路：圖1-1電池結(jié)構(gòu)原理示意圖1.2物理電源的意義物理電源概括了把其它形式的電能（如熱能、光能（太陽能）、風(fēng)能、核能等）轉(zhuǎn)變電能的裝置，其中有些也冠以電池的名稱。例如太陽能電池?；瘜W(xué)電源和物理電源關(guān)系密切，原理上“分工”明確，使用時(shí)互相幫助：如衛(wèi)星電池及儲(chǔ)能電池，電池充電。1.3化學(xué)電源的分類化學(xué)電源按工作性質(zhì)可分為四類：原電池（又稱一次電池）：電池放電后，不能用簡(jiǎn)單的充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原而繼續(xù)使用的電池。

5、如Zn-MnO2干電池，Zn-HgO電池，堿性Zn-MnO2電池，一次Zn-AgO電池等。蓄電池（又稱二次電池）：指電池在放電后，可以通過充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原，可以繼續(xù)使用，這種放電和隨后充電可以成百、上千次循環(huán)使用，例如Pb-PbO2電池，Cd-NiOOH電池，MH-NiOOH電池，Li離子電池等。 儲(chǔ)備電池（又稱激活電池）：指電池的正負(fù)極與電解質(zhì)在儲(chǔ)存期間不直接接觸，使用前臨時(shí)注入電解液或使用其它方法使電解液與正負(fù)極接觸，這時(shí)電池具有活性處于待放電狀態(tài)，因此使電解液與正負(fù)極接觸稱為“激活”，故也稱激活電池，如Mg-AgCl電池（海水電池、救生電池），Zn-AgO電池，Pb-PbO2構(gòu)成的

6、高氯酸電池，熱電池等。燃料電池（又稱連續(xù)電池）：指參加反應(yīng)的活性物，從電池外部連續(xù)不斷地輸入電池，電池就能連續(xù)不斷地工作而提供電池，這實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)工作的換能裝置，只要輸入燃料就有電能輸出，這種電池可建造成發(fā)電廠：電解質(zhì)(KOH，固體)還原劑（H2）電能氧化劑（O2） 圖1-2燃料電池示意圖如H2-O2燃料電池，甲醇空氣，肼空氣燃料電池等。另外按電解性質(zhì)，可分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機(jī)電解質(zhì)電池和固體電解質(zhì)電池等。1.4環(huán)宇公司生產(chǎn)何種電池目前環(huán)宇公司生產(chǎn)如下三類電池，都是二次電池（蓄電池）：Cd-NiOOH電池，是目前的支柱，工作電壓1.2伏。MH-NiOOH電池，是無毒可和Cd

7、-NiOOH 電池實(shí)現(xiàn)互換的電池，工作電壓1.2伏。Li+離子電池，是高比能電池，平均工作電壓3.6伏，又分液態(tài)電解質(zhì)Li+電池和膠態(tài)電解質(zhì)Li+電池，后者也稱聚合物L(fēng)i+電池，而聚合物L(fēng)i+電池范圍更廣。2.化學(xué)電源的基本概念2.1化學(xué)電源（電池）的組成和電流化學(xué)化學(xué)電池由四個(gè)基本部件正負(fù)極、電解質(zhì)、隔離物、外殼（容器）和附件（極耳、接線柱、過流保護(hù)或防爆裝置等）組成?；瘜W(xué)電源向用電設(shè)備提供電流，電子從電池負(fù)極流出，經(jīng)過用電設(shè)備（即外電路）流向正極，電流的方向與此相反；在電池內(nèi)部正離子從正極流向負(fù)極，與電流方向一致，負(fù)離子從負(fù)極流向正極與電流方向相反。我們規(guī)定對(duì)電池使用正負(fù)極概念，對(duì)電解、電

8、鍍的兩極使用陽極和陰極的概念。但受英語文獻(xiàn)的影響（以電極反應(yīng)論正、負(fù)或陽、陰極，正負(fù)及陽陰的使用有時(shí)發(fā)生混亂。例如電池在充放電時(shí)極性：電池的電極放電時(shí)充電時(shí)負(fù)極失去電子發(fā)生氧化作用為陽極獲得電子發(fā)生還原作用為陰極正極獲得電子發(fā)生還原作用為陰極失去電子發(fā)生氧化作用為陽極所以正負(fù)極的活性物質(zhì)，均是在不同條件下的既可被氧化又可被還原的物質(zhì)，亦即均有氧化態(tài)和還原態(tài)。充電的作用是使負(fù)極活性物質(zhì)處于還原態(tài)，使正極活性物質(zhì)處于氧化態(tài)，這是電池待工作的狀態(tài)。這是提一個(gè)中學(xué)的問題請(qǐng)思考，電流在導(dǎo)體中的速度是極大的，如果在空氣中的電子流、或離子流有此速度，用電器肯定會(huì)被擊穿，但電路里的電器是非常安全的，為什么？2

9、.2 電池的開路電壓和電動(dòng)勢(shì)電池的開路電壓是指電池在斷路時(shí)(即沒有電流從兩極流過時(shí))電池兩極的電極電位之差： (2-1)、分別為電池正、負(fù)極的電極電位，電池的開路電壓可以用高兆內(nèi)阻電壓表近似測(cè)量。如果電池兩極在斷路時(shí)處于熱力學(xué)可逆平衡狀態(tài)下，這時(shí)兩極之間的平衡電極電位之差，為電池開路電壓的極大值，稱為電池的電動(dòng)勢(shì)： (2-2)由于絕大多數(shù)電池、實(shí)用電池并非完全可逆，即電池有自放電和極化現(xiàn)象，使得實(shí)際電池的負(fù)極電極電位比平衡電極電位更正一些，或和實(shí)際電池的正極的電極電位比平衡電極電位更負(fù)一些，因此電池的開路電壓總是小于其電動(dòng)勢(shì)，開路電壓的精確值要用電位差計(jì)測(cè)量。2.3 電池的電動(dòng)勢(shì)可以通過熱力學(xué)

10、進(jìn)行計(jì)算熱力學(xué)告訴我們，在恒溫恒壓條件下，若反應(yīng)可逆地進(jìn)行，則體系自由焓的降低等于體系對(duì)外界所作的最大有用功即：如作功為電功則 (2-3)z為轉(zhuǎn)移電子數(shù)，F(xiàn)為法拉弟常數(shù)，E為電動(dòng)勢(shì)；例如下述化學(xué)反應(yīng)，在恒溫恒壓條件可逆地發(fā)生時(shí)，自由焓變：其中，故 (2-4)利用(2-4)式可以根據(jù)電池反應(yīng)，從理論上計(jì)算出電池電動(dòng)勢(shì)的大小，而電池電動(dòng)勢(shì)E值的大小是電池可能作出的最大電功的度量(zFE)。在恒溫恒壓下，當(dāng)溫度改變時(shí)將會(huì)引起自由焓的改變： (Gibbs-Helmhoils)將代入簡(jiǎn)化得 (2-5)為電池電動(dòng)勢(shì)的溫度系數(shù)，表示電池在恒溫恒壓條件電動(dòng)勢(shì)隨溫度變化的變化率。為恒壓下反應(yīng)熱。對(duì)(2-5)式討

11、論兩種情況： (1) 當(dāng)電池在可逆條件下放電時(shí) 及 (2-5)式可化為 (2-6)時(shí)，T升高，電池電動(dòng)勢(shì)必然增加；這時(shí)，說明電池作的功大于電池反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)熱，即電池反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)熱全部轉(zhuǎn)變成電功外，電池還可以從環(huán)境中吸熱來做功。如果電池在絕熱環(huán)境中放電，則電池本身會(huì)逐漸變冷。當(dāng)時(shí)，溫度升高，電池電動(dòng)勢(shì)將降低，這時(shí)，表明電池所作的功小于電池反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)熱，表明電池反應(yīng)時(shí)的反應(yīng)熱一部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽?，一部分以熱的形式傳給環(huán)境，如果這種電池在絕熱環(huán)境中放電，電池本身會(huì)逐漸變熱。當(dāng)時(shí)，電池反應(yīng)時(shí)釋放的反應(yīng)熱全部轉(zhuǎn)換成電功，電池與環(huán)境沒有熱交換。完全可逆的反應(yīng)條件反應(yīng)速度無限緩慢，僅有理論研究意義。(2)多數(shù)

12、情況下電池是在不可逆條件下放電設(shè)此時(shí)電池工作時(shí)電壓為V，必有V熱力學(xué)第一定律 將(2-5)式代入后化簡(jiǎn)得 (2-7)電池工作時(shí)的電壓V偏離電動(dòng)勢(shì)越遠(yuǎn)時(shí)，過程的不可逆程度就越大，電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬牟糠志驮蕉?，若電池短路，則V=0，這時(shí)電功全部變成熱：即電池反應(yīng)時(shí)釋放的化學(xué)能全部以熱的形式放出。電池放電的電流越大，電池中的反應(yīng)速度越快，則偏離平衡狀態(tài)越遠(yuǎn)，極化越大，電池反應(yīng)的反應(yīng)熱（即化學(xué)能）轉(zhuǎn)變成電功的部分越少，以熱的形式釋放部分越多。2.4電池的內(nèi)阻電池的輸出功率為電池產(chǎn)生的電流I和正負(fù)極間電壓的乘積(瓦，千瓦)當(dāng)時(shí)，電池工作電壓V等于開路電壓減電池內(nèi)壓降IR內(nèi)電池的內(nèi)壓降是由于電池內(nèi)阻R內(nèi)(R內(nèi)

13、為全內(nèi)阻)而在電池內(nèi)部產(chǎn)生的電壓降，由于內(nèi)阻的存在，電池的工作電壓總是小于電池的電動(dòng)勢(shì)，所以電池的生產(chǎn)工藝技術(shù)要求制出的電池內(nèi)阻越小越好，以使電池的電能消耗于發(fā)熱的部分盡量小。很差的電池內(nèi)阻很大，使放電倍率不大時(shí)由于放熱就使電池?zé)o法繼續(xù)工作。電池的內(nèi)阻可分歐姆內(nèi)阻和極化電阻： (2-9)電池歐姆內(nèi)阻由兩部分組成：（）電解液的歐姆內(nèi)阻與電解液的組成、濃度、溫度及電解液在隔膜傳遞離子情況有關(guān)；（）兩個(gè)電極中活性物質(zhì)與電解液界面的電阻、正負(fù)極活性物質(zhì)與集流體之間界面電阻、之和。通常在電極活性物質(zhì)中摻合導(dǎo)電成分及改進(jìn)電極制作和裝配工藝來減小這部分固體內(nèi)電阻。極化電阻包括電化學(xué)極化和濃差極化所產(chǎn)生的電阻

14、。影響這兩類極化的因素都將影響這部分電阻，分別用和表示正極負(fù)極的極化，總極化，令分別為由于電極極化偏離平衡的電極電位的值，、即前面所說的正極電位減小值和負(fù)極電極電位提高值，是工作電壓由于電極極化而降低的值。所以極化電阻或 (2-10)電池在工作狀態(tài)，消耗于電池內(nèi)阻上的電能全部變成焦耳熱，通過的電流越大極化越嚴(yán)重，消耗于發(fā)熱的電能就越大，不僅形成電能的浪費(fèi)，還使電池發(fā)熱、性能變壞。Zn-MnO2干電池內(nèi)阻大，電池工作(放電時(shí))電壓下降快，所以手電筒開關(guān)要斷續(xù)開，連續(xù)開時(shí)亮度逐漸降低，即由于極化逐漸加大。電池內(nèi)阻由專用儀器可精確測(cè)定，對(duì)內(nèi)阻較大的電池，可用下法(Cd-NiOOH，MH-NiOOH，

15、Li+離子電池均不適用)估算：使電池短時(shí)間短路，測(cè)定短路電流(即R負(fù)載=0，負(fù)載電阻為0)I短，故2.5電池的放電電壓和二次電池的充電電壓(極化曲線)2.5.1 電池的放電電壓 電池的放電電壓指電池在放電(工作)時(shí)正負(fù)極間的電壓，稱工作電壓或負(fù)荷電壓(V)： (2-12)令；分別表示一定的電流通過時(shí)的正負(fù)極的極化電位，則代入(2-12)式則得 (2-13)圖2-1電池的電壓-電流特性和電極極化曲線，歐姆電壓降曲線圖2-1表示了式(2-13)中的關(guān)系：a-電池電壓隨放電電流變化的關(guān)系曲線；b、c-正、負(fù)極的極化曲線；d-歐姆內(nèi)阻造成的歐姆壓降隨放電電流變化的關(guān)系曲線。顯然，放電電流增大，電極的極

16、化增加，歐姆壓降也增大，使電池的工作電壓下降，因此測(cè)量極化曲線是研究電池性能的主要手段之一。通常把放電開始十秒鐘內(nèi)測(cè)得的電壓叫初始放電電壓。電池的工作電壓受放電制度(放電時(shí)規(guī)定的放電時(shí)間，放電電流、環(huán)境溫度，終止電壓等各種條件)的影響很大。(1) 放電方法和放電曲線(極化曲線)放電方法主要分恒流放電(在放電過程中保持放電電流為一定值)和恒阻放電(放電過程中保持負(fù)載電阻為一定值)兩種。圖2-2(a)表示密封Cd-NiOOH電池恒流充放電曲線，圖2-2(b)表示恒阻放電曲線，Zn-MnO2干電池常采用恒阻放電曲線。把電池的放電電壓隨時(shí)間的變化(V-T)作圖得圖2-2電池的放電曲線：圖2-2電池的放

17、電曲線(a)Cd-NiOOH電池恒流充放電曲線(b)Zn-MnO2干電池的恒阻放電曲線。放電方法還有連續(xù)放電和間歇放電等，前者是在規(guī)定放電條件下連續(xù)放電至終止電壓，后者為放電一段時(shí)間后，中斷一定時(shí)間再繼續(xù)放電，這樣反復(fù)進(jìn)行多次一直到規(guī)定的終止電壓。(2) 終止電壓電池放電時(shí)電壓降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓稱為終(截)止電壓。低溫和大電流放電時(shí)終止電壓可定低些，小電流放電終止電壓定的高點(diǎn)。例如Cd-NiOOH電池1小時(shí)率放電時(shí)終止電壓為1.0V，而10小時(shí)率放電時(shí)終止電壓定為1.1伏。表2-1是幾種電池約定的終止放電電壓。表2-1幾種常用電池約定的終止放電電壓(常溫)放電制度終止電壓(V)電

18、池10h率(C/10)5h率(C/5)3h率(C/3)1h率(1C)Cd-NiOOH,MH-NiOOH1.11.11.01.0Pb-PbO2(H2SO4)1.751.751.801.80堿性Zn-MnO21.20-鋅-AgO1.20-1.301.20-1.300.9-1.00.9-1.0Li+離子-2.72.72.5(3) 放電電流放電電流大小直接影響電池的各種性能指標(biāo)，常用放電率表示。放電率又分小時(shí)率和倍率兩種：小時(shí)率是以放電時(shí)間表示的放電速率，即以一定的放電電流放完額定容量所需的小時(shí)數(shù)，如AA型MH-NiOOH電池額定容量為1200mAh，以240mA、600 mA、1200 mA、240

19、0 mA放電時(shí)，小時(shí)率分別為5h，2h，1h，0.5h率放電。倍率是指電流在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所輸出的電流值，它在數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)，上例的放電倍率分別為0.2，0.5，1，2倍率放電。因此電池放電電流I、額定容量C額和放電時(shí)間t有如下關(guān)系： (2-14)當(dāng)C、I確定時(shí)小時(shí)率和倍率互為倒數(shù)關(guān)系。上例中對(duì)每個(gè)額定容量來說，均有小時(shí)率倍率=1的關(guān)系。2.5.2 二次電池的充電電壓 二次電池的充電電壓是指二次電池充電時(shí)，外電源加在二次電池兩極的電壓，充電電壓隨時(shí)間變化的曲線叫充電曲線見圖2-2(a)曲線2及圖(2-3)。充電電壓V充為 (2-15)、 、I分別為充電時(shí)正極的電極電位、負(fù)

20、極的電極電位和充電電流，R內(nèi)為充電時(shí)全內(nèi)阻。非密封Cd-NiOOH電池曲線見圖2-3。AB為正常充電階段，充電電壓隨時(shí)間變化很小，BC為電池開始析氣(H2，O2)，是由于電池已近充滿電，充入的部分電用于電解水，正極析O2，負(fù)極析H2。密封Cd-NiOOH電流充電曲線BC段的特殊形狀后面講密封Cd-NiOOH電池時(shí)作解釋。終結(jié)充電可有各種方法：規(guī)定終止電壓、規(guī)定充電時(shí)間(規(guī)定充電電量)，-V控制等。過充電對(duì)電池性能有害無益，特別是密封電池，應(yīng)盡量避免。二次電池的充電方法還有恒壓充電、脈沖充電、先恒流再恒壓充電、涓流充電等等。2.6 電池的容量和比容量電池的容量是指在一定放電條件下可以從電池獲得的

21、電量(Ah)(1)理論容量(C理)理論容量是假設(shè)活性物質(zhì)全部參加電池成流反應(yīng)(電極上進(jìn)行的電化學(xué)反應(yīng))所給出的電量，它是根據(jù)活性物質(zhì)的重量按照法拉弟定理算出來的，例如Cd-NiOOH電池正極活性物質(zhì)為3.6g時(shí)，有： (2-15)這里gAh-1 稱為電化當(dāng)量(產(chǎn)生1安時(shí)電量Ni(OH)2的重量。同樣方法可算出Zn-AgO、Pb-PbO2電極K分別為1.22gAh-和3.87gAh-活性物質(zhì)重量m0確定后，K值越小，理論容量越大。例如50g重量活性物質(zhì)時(shí)：Cd-NiOOH電池Ah (正極容量=電池容量)Zn-MnO2電池Ah (負(fù)極容量=電池容量)(2)實(shí)際容量(C實(shí))電池的實(shí)際容量是在一定放電

22、條件下實(shí)際放出的電量。恒電流放電時(shí)C實(shí)=放電電流和放電時(shí)間的乘積 (2-16)恒電阻放電時(shí) (2-17)近似計(jì)算公式I放電電流，R放電電阻， t放電至終止電壓的時(shí)間，V平放電過程的平均放電電壓。(3)額定容量(C額)額定容量是設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，規(guī)定和保證電池在一定的放電條件下應(yīng)該放出的最低限度的電量，又稱公稱或標(biāo)稱容量。(4)活性物質(zhì)利用率由于電池的活性物質(zhì)在充放電過程通常不能100%被利用，實(shí)際電容量總是小于理論容量，二者比值稱為活性物質(zhì)利用率或 (2-18)活性物質(zhì)利用率決定于電池的放電制度和電池的結(jié)構(gòu)，采用薄型電極和多孔電極及減小電池內(nèi)阻，均可提高活性物質(zhì)利用率。當(dāng)然提高原材料活性、調(diào)整

23、配方常常是為了降低內(nèi)阻或改變?nèi)萘考案纳齐姵馗叩蛻C性能等。圖2-4電池容量和放電率關(guān)系1. 燒結(jié)式Cd-NiOOH電池(非密封) 3. 有極板盒式Cd-NiOOH電池 2. 密封燒結(jié)式CdNiOOH電池 4. PbH2SO4PbO2電池 (5)比容量(C)為對(duì)相同類型電池進(jìn)行比較，或?qū)Σ煌瑥S家生產(chǎn)的活性物質(zhì)進(jìn)行比較，或?qū)Σ煌烹娭贫冗M(jìn)行比較，提出活性物質(zhì)或電池比容量概念。(Ahkg-1) (2-19)(AhL-1) G和V為電池的重量和體積，G也可以是活性物質(zhì)重量。注：一個(gè)電池的容量是電池正極或負(fù)極的容量，由容量較小的那個(gè)決定。2.7電池的能量和比能量電池的能量是指電池在一定放電條件下對(duì)外作功所

24、能輸出的能量。(1) 假定電池在放電過程中始終處于平衡狀態(tài)，放電電壓保持電動(dòng)勢(shì)E的值，而且活性物質(zhì)利用率為100%時(shí)電池所給出的能量。(Wh) (2-19)亦即可逆電池在恒溫恒壓下所做的最大功 (2-20)(2) 實(shí)際能量實(shí)際能量為電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量，它在數(shù)值上等于實(shí)際容量與電池平均工作電壓的乘積：(Wh) (2-21)由于活性物質(zhì)實(shí)際上不可能100%被利用，而且電池的工作電壓永遠(yuǎn)小于電動(dòng)勢(shì)(C實(shí)C理，V平)，所以W實(shí)總小于W理。(3) 比能量比能量是指單位重量或單位體積的電池所給出的能量(也稱能量密度)，分別叫重量比能量或體積比能量(Wh/kg或Wh/L)。電池的理論重量比能量可以根據(jù)

25、正、負(fù)極兩種活性物質(zhì)的理論重量比容量和電池的電動(dòng)勢(shì)計(jì)算出來，如果電解質(zhì)參加電池的成流反應(yīng)，還需要加上電解質(zhì)的理論用量： (2-22)電池的理論比容量：(Ah/kg) (2-23)K+正極活性物電化當(dāng)量，K-負(fù)極活性物電化當(dāng)量，K電解質(zhì)參加電池成流反應(yīng)的理論用量的電化當(dāng)量。電解質(zhì)不參加反應(yīng)時(shí)K=0。 將（）式代八（）式，整理得 (2-24)例 計(jì)算PbPbO2H2SO4理論比能量207.2 239.2 298電化當(dāng)量 3.866 4.463 3.658 gAh-1該電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)(Wh/kg)必須指出，電池的理論比能量沒有包括電池中的惰性物質(zhì)如導(dǎo)電物質(zhì)、集流體、隔膜和外殼等重量，但在計(jì)算實(shí)際比

26、能量時(shí)，這些重量必須考慮在內(nèi)!電池的實(shí)際重量比能量：(Wh/kg) (2-25)C實(shí)電池實(shí)際放出的容量，V平電池放電時(shí)平均放電電壓，G電池實(shí)際重量。和之間的關(guān)系： (2-26)為電壓效率為容量效率(反應(yīng)效率) 均小于1為重量效率由于電化學(xué)極化、濃差極化和歐姆極化等全內(nèi)阻的存在，放電時(shí)電壓總是小于電動(dòng)勢(shì)的，所以KE1： (2-27)KC是電池實(shí)際放電容量和理論容量的比值，是在規(guī)定放電制度下的活性物質(zhì)利用率，KC1。重量效率Km是電池中活性物質(zhì)按理論計(jì)算所需的重量與電池實(shí)際重量的比值，由于G包括了m0所不包括的不參加反應(yīng)的惰性物及某種原因示參加是成流反應(yīng)的活性物(用ms表示)，G=m0+ms，所以

27、Km1: (2-28)由于KE、KC、Km均小于1，故。電池的比能量是電池性能的綜合指標(biāo)，化學(xué)電源的發(fā)展方向始終是提高比能量，同種電池的比能量高低反映出不同階段不同廠家生產(chǎn)出電池的水平。2.8電池的功率與比功率電池的功率是在一定放電制度下單位時(shí)間電池輸出的能量(W，kW)，而單位重量或單位體積輸出的功率稱為比功率kWkg-1 或kWL-1。電池的理論功率 (2-29)電池的實(shí)際功率 (2-30) (2-31)將(2-31) 對(duì)I求導(dǎo)并令其等于0可求出電池輸出最大功率的條件： 故有：R外=R內(nèi)時(shí)，上式才能為零，說明這是極值條件。而且 說明極值為極大值。電池的全內(nèi)阻等于電池的外電阻是電池功率達(dá)到極

28、大值的必要條件。影響電池功率比功率的主要因素是放電制度、電池的極化和電池的歐姆內(nèi)阻。高倍率放電，由于極化大，電池電壓降低快，比能量降低；但放電倍率升高，I增大，電池比功率增大，但大電流超過某個(gè)范圍比功率卻下降。Zn-AgO、CdNiOOH電池當(dāng)比功率增大時(shí)，比能量下降很小，說明電池適合大電流工作；而Zn-MnO2、Zn-HgO電池只適合小電流放電。由于電池的功率比功率表示了電池放電速率的大小，電池的功率大意味著電池可以在大電流或高速率下放電，所以有人把電池分為大功率、中等功率和小功率電池。2.9 電池的貯存性能和循環(huán)壽命2.9.1 電池的自放電和貯存性能電池的貯存性能對(duì)電池來說是非常重要，尤其

29、是一次電池，它是指電池開路時(shí)，在一定條件下(溫度、濕度)貯存時(shí)容量下降率的大小，下降率小即貯存性能好?；瘜W(xué)電源在貯存過程中容量下降主要是由于兩個(gè)電極的自放電引起的。（）負(fù)極的腐蝕：在水溶液中比氫負(fù)的負(fù)極金屬與比氫正的金屬雜質(zhì)構(gòu)成微電池： ； （）極自放電：a 岐化反應(yīng): 鉛酸電池正極PbO2和板柵的反應(yīng)消耗了部分活物質(zhì)PbO2。B 雜質(zhì)在正極上氧化：溶液中含或從部件溶解下來的雜質(zhì)電化活性物在正負(fù)極之間時(shí)，將會(huì)在正極氧化，又會(huì)在負(fù)極還原。C 正極活性物質(zhì)的溶解，遷移到負(fù)極被還原引起自放電。自放電速率指單位時(shí)間內(nèi)(天，月或年)容量降低的百分?jǐn)?shù)擱置壽命: 電池自放電大小用電池?cái)R置至某規(guī)定容量的天數(shù)來

30、表示時(shí)稱擱置壽命。分干擱置和濕擱置兩種，干擱置壽命比濕擱置壽命長(zhǎng)得多。電池的貯存性能是電池的重要性能指標(biāo)，不同電池有各自的考核方法和規(guī)定，如Zn-MnO2電池R20(1#電池)規(guī)定：新電池(生產(chǎn)后一個(gè)月內(nèi))在202下以5恒電阻每天放電30分鐘，一直到V終=0.9伏，累計(jì)放電時(shí)間至少達(dá)到800分鐘；貯存半年同法考核應(yīng)不少低于720分鐘，貯存一年后累計(jì)放電時(shí)間不低于640分鐘。蓄電池的貯存性能又叫充電保存能力(或荷電保存能力)，可用平均每天自放電量K表示： (2-33)Ca：擱置前10小時(shí)率放電容量，Cb：充電后255放置28天后放電的放置容量，Cc：得到Cb后再充電并放電得擱置后容量。原0.5A

31、h圓柱密封Cd-NiOOH二次電池考核辦法：205下0.2C5(5h率放電容量為準(zhǔn))A充電7h，0.2C5A放到1.0伏；205下0.1C5A充電16h并放置28天后，0.2C5A放電到1伏，放電時(shí)間3h15分(65%荷電保持)隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用要求的提高中，充電保持能力指標(biāo)也不斷提高：65%72%75%。2.9.2 二次電池的循環(huán)壽命和使用周期二次電池經(jīng)受一次充電和放電叫一個(gè)周期或一次循環(huán)(可一次放電到V終也可多次放電到V終)。二次電池在規(guī)定充放電條件下，電池容量降低到某一規(guī)定值(例如保留60%或80%)之前，電池所經(jīng)歷的充放電次數(shù)叫二次電池的循環(huán)壽命或使用周期，不保留容量的100%放電循

32、環(huán)壽命低于保留容量的循環(huán)壽命。2.10 蓄電池的輸出率(輸出系數(shù))蓄電池是能量貯存器，充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能貯存起來，用時(shí)放電再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芄┤藗兪褂?，蓄電池?yīng)當(dāng)是可逆電池，但由于各種不可逆因素的影響，總會(huì)有部分能量損失，可用三種方式表示：電壓效率 容量效率 (2-34) 能量效率 輸出率表示電池工作時(shí)的可逆程度，其高低反映了廠家生產(chǎn)技術(shù)水平和管理水平。是因?yàn)槿珒?nèi)阻使V放下降，V充升高充電時(shí)有副反應(yīng)如H2O的電解；自放電或活性物脫落等。是因?yàn)椤?.11化學(xué)電源中的多孔電極2.11.1 多孔電極實(shí)我們提到過的Zn-MnO2、Cd-NiOOH、Fe-NiOOH、Pb-PbO2H2SO4電池

33、除Zn-MnO2干電池用鋅皮作負(fù)極外（兼作電池的外殼或容器），其它的金屬負(fù)極均是由高比表面的金屬粉末活性物質(zhì)或金屬氧化物粉末與導(dǎo)電劑粉末混合，通過壓制燒結(jié)化成方法制得的多孔電極。2.11.2 采用多孔電極的目的：采用多孔電極的目的是減小電極的真實(shí)電流密度，提高活性物質(zhì)的利用率，降低電池的能量損失，使電池向高比能量，高比功率化發(fā)展。因此化學(xué)電源發(fā)展史中，多孔電極的采用是一個(gè)重要的改新。目前絕大多數(shù)化學(xué)電源系列都采用多孔電極。2.11.3 多孔電極的特點(diǎn)電極活性物質(zhì)有無限多的微孔，使活性物質(zhì)的比面積數(shù)百倍、上千倍增加，使進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的活性表面極大的提高，這就大大降低了電極的真實(shí)電流密度，從而大大

34、降低電極的極化，使電池的能量損失(電壓損失、容量損失)大大減小，電池性能獲得極顯著的改善。2.12 多孔電極作用舉例通過ZnMnO2電池的發(fā)展可了解多孔電極的作用（見笫3節(jié)）。3. ZnMnO2電池簡(jiǎn)介3.1 ZnMnO2電池發(fā)展簡(jiǎn)史（僅以圓柱形鋅錳電池為例）（） 傳統(tǒng)Zn-MnO2電池1868年法國(guó)G.Leclanche(勒克朗謝)發(fā)明，產(chǎn)品稱“糊式鋅錳電池”，因電解液不流動(dòng)而稱為干電池，并非真的干。正極活性物為含MnO27075%的天然二氧化錳。電池隔離物是淀粉漿糊隔離層，電解液是NH4Cl為主體的NH4Cl和ZnCl2水溶液。負(fù)極是鋅筒。性能較差，R20型電池的比能量?jī)H0.08Whcm-

35、3。（） “高性能電池”1960(有說1945)年開始生產(chǎn)，與傳統(tǒng)產(chǎn)品的區(qū)別是正極活性物采用電解二氧化錳(MnO2含量9193%)，放電時(shí)間是第一類的1.52.0倍。R20型電池的比能量0.12Whcm-3。以上兩類電池的電池式可表示為成流反應(yīng)：負(fù)極 正極 電池反應(yīng) （）第三類1970年開始生產(chǎn)，稱為“超高性能電池”或“高氯化鋅型紙板電池”正極活性物為電解MnO2電池隔膜用漿層紙襯隔離層電解液為ZnCl2為主體加少量NH4Cl的水溶液，成流機(jī)理改變了，放電性能和防漏性能有很大的提高，放電時(shí)間比高性能電池大約又提高了一倍，而且可以大電池放電，R20電池比能量0.15 Whcm-3。負(fù)極： 正極：

36、 電解液中：總反應(yīng)： （）第四類是堿性鋅錳電池（）正極是電解MnO2粉負(fù)極是汞齊化的鋅粉電解液是KOH水溶液隔膜是耐堿棉紙(無紡布)電池反應(yīng)機(jī)理與電池結(jié)構(gòu)與前三類全然不同，電性能優(yōu)于前三類電池，放電時(shí)間是同類型糊式電池的5-7倍，R20電池的比能量0.21 Whcm-3，且可制成可充電池，其關(guān)鍵技術(shù)是因?yàn)樨?fù)極使用了用鋅粉制的鋅膏，剃成了芻孔電極。其電池式和電化學(xué)反應(yīng)如下：負(fù)極反應(yīng)： 正極反應(yīng)： 電池總反應(yīng)：各類鋅錳電池正極反應(yīng)產(chǎn)物相同，僅負(fù)極產(chǎn)物不同。電池的命名方法：R-代表圓柱形，S-表示方形，F(xiàn)-表示扁形R5(AA型，俗稱5#)，R20表示比R6電池外形尺寸大，數(shù)字越大，外形尺寸越大。.

37、鉛酸蓄電池簡(jiǎn)介4.1鉛酸蓄電池的地位和作用1859年普蘭特(Plante)發(fā)明至今，電池的生產(chǎn)工藝、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化程度不斷完善，性能不斷提高，電池的產(chǎn)量的應(yīng)用范圍在化學(xué)電源中始終占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。近幾年來，堿性蓄電池的發(fā)展很快，但多為小容量電池，估計(jì)鉛酸電池的優(yōu)勢(shì)還未改變，全國(guó)電池行業(yè)產(chǎn)值明顯領(lǐng)先的仍是河北的風(fēng)帆鉛酸電池廠。鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低廉，原材料易于獲得，使用上有充分的可靠性，適用于大電流放電及廣泛環(huán)境溫度范圍。4.2 鉛酸電池的分類(1) 按用途可分十幾類，每類對(duì)電池結(jié)構(gòu)性能都有特殊要求。例如起動(dòng)用蓄電池：要求能大電流放電，低溫起動(dòng)，正負(fù)極要薄，涂膏式；固定用開口式蓄電池：要求

38、使用壽命長(zhǎng)；固定防酸防爆式蓄電池；電動(dòng)車用：牽引車、汽車、摩托車等，動(dòng)力、照明兩類；潛艇用：水下航行動(dòng)力源、照明、電器；飛機(jī)用：起動(dòng)、照明、通訊；魚雷用：大電流短時(shí)間放電，極板很??；坦克用：起動(dòng)和電器；其它(航標(biāo)燈、礦燈等)航標(biāo)燈要求半年以上無需維護(hù)。(1)按極板結(jié)構(gòu)分類涂膏式鉛酸電池，鉛氧化物+H2SO4+H2O調(diào)成糊狀鉛膏涂于鉛銻等合金鑄成的板柵上，經(jīng)干燥、化成、形成活性物質(zhì)；管式，用鉛合金制成不同于涂膏式板柵的骨架，在骨架外套以編織的纖維管，管中裝入活性物質(zhì)，用作正極，負(fù)極為涂膏形成式。極板由純鉛鑄成，其活性物質(zhì)是鉛本身在化成液中經(jīng)反復(fù)充、放電形成一薄層，都用作正極。(2) 按電解液和充電維護(hù)情況分類干放電蓄電池：注液進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間初充電后方可