化学电源基本概念讲稿.ppt

关于化学电源基本概念第一页，讲稿共三十四页哦本章重点：本章重点：化学电源的组成和工作原理化学电源的组成和工作原理：构成电池的必要条件；化学电源的基本组成部分及其作用。化学电源的主要性能化学电源的主要性能：开路电压和电动势的意义及区别；内阻及其对电池性能的影响；工作电压及放电曲线的意义；容量、比容量、放电时率与放电倍率，利用率及其影响因素；能量，高比能量电池的条件；功率及其影响因素；自放电及其影响因素。第二页，讲稿共三十四页哦一、化学电源的组成和工作原理一、化学电源的组成和工作原理构成电池的必要条件：构成电池的必要条件：化学反应中的两个过程必须分隔在两个区域进行。（区别于一般的化学反应）物质在发生氧化还原反应时，电子必须经过外电路。（区别于腐蚀电池）第三页，讲稿共三十四页哦化学电源的基本组成部分及其作用：化学电源的基本组成部分及其作用：电极电解质隔膜外壳第四页，讲稿共三十四页哦化学电源的工作原理：化学电源的工作原理：以丹尼尔电池为例讨论化学电源的工作原理：丹尼尔电池：（）ZnZnSO4（c1）CuSO4（c2）Cu(+)负极：Zn2e Zn2 氧化正极：Cu22eCu 还原电池反应：ZnCu2Zn2Cu 成流反应第五页，讲稿共三十四页哦二、二、化学电源的分类化学电源的分类按工作性质分：按工作性质分：原电池，又称一次电池蓄电池，又称二次电池储备电池，又称激活式电池燃料电池，又称连续电池电化学电容器：超大容量或者超级电容器，介于传统电容器和电池之间的新型电源；分为双电层电容器和赝电容器第六页，讲稿共三十四页哦按电解质的性质分：按电解质的性质分：电解质为碱性水溶液碱性电池电解质为中性水溶液中性电池 电解质为酸性水溶液酸性电池电解质为有机电解质溶液有机电解质电池 电解质为固体电解质固体电解质电池第七页，讲稿共三十四页哦按正负极活性物质的材料分：按正负极活性物质的材料分：Zn-MnO2系列电池。ZnAgO系列电池Cd-NiOOH电池铅酸电池氢镍电池锂离子电池 等等第八页，讲稿共三十四页哦活性物质的保存方式分：活性物质的保存方式分：活性物质保存在电极上 通常的一次、二次电池活性物质从外边连续供给电极 燃料电池第九页，讲稿共三十四页哦三、三、化学电源的主要性能化学电源的主要性能电池的开路电压与电动势：电池的开路电压与电动势：电动势电动势E：电池两极断路时，处于热力学平衡状态下，两极平衡电位之差。第十页，讲稿共三十四页哦 由此可以明确地看出，若正极的电位越正，负极的电位越由此可以明确地看出，若正极的电位越正，负极的电位越负，电池的电动势也就越高。负，电池的电动势也就越高。从元素的标准电位序来看，在元素周期表左上边的元素从元素的标准电位序来看，在元素周期表左上边的元素（IA,IIA族）具有较负的电位，右上边的元素（族）具有较负的电位，右上边的元素（VIA,VIIA族）族）具有较正的电位。由这些元素组成的电池可以得到较高的电动势。具有较正的电位。由这些元素组成的电池可以得到较高的电动势。第十一页，讲稿共三十四页哦其中以其中以Li的电位为最负：的电位为最负：(在酸性介质中在酸性介质中)氟的电位为最正：氟的电位为最正：若做成锂氟电池若做成锂氟电池 ，其电动势可达，其电动势可达5.91V。这是化学电源中电动势最高的数值。这是化学电源中电动势最高的数值。应当注意的是，在选择电极活性物质时，不能只看平衡电应当注意的是，在选择电极活性物质时，不能只看平衡电位数值的高低，还要看（位数值的高低，还要看（1）它在介质中的稳定性（）它在介质中的稳定性（2）材料来）材料来源（源（3）电化当量等多方面的因素。例如）电化当量等多方面的因素。例如LiF2,若组成电池，它若组成电池，它具有很高的电动势，但由于具有很高的电动势，但由于Li只适用与非水溶剂电解质，只适用与非水溶剂电解质，F2是活性是活性的气体，不易储存和的气体，不易储存和和控制，因而由单质和控制，因而由单质Li与与F2组成电池也是组成电池也是不切合实际的。不切合实际的。第十二页，讲稿共三十四页哦电池的内阻：电池的内阻：电流通过电池内部时受到的阻力，也叫全内阻。电流通过电池内部时受到的阻力，也叫全内阻。包括两部分包括两部分:电池的欧姆内阻 电极的极化所相当的内阻，也叫极化内阻第十三页，讲稿共三十四页哦电池的工作电压及放电曲线：电池的工作电压及放电曲线：工作电压工作电压 电池工作时两端的电压放电制度放电制度 人为规定的放电条件称为放电制度 （放电电流、放电温度、放电的终止电压、放电方式）放电曲线放电曲线 用绘图的方式表示出电压随时间的变化曲线第十四页，讲稿共三十四页哦 根据电池的放电曲根据电池的放电曲线，通常可以确定电池线，通常可以确定电池的放电性能和电池的容的放电性能和电池的容量。量。1.通常电池的放电曲线通常电池的放电曲线越平坦、稳定、电池的越平坦、稳定、电池的性能就越好。性能就越好。2.电池的容量大小。电池的容量大小。第十五页，讲稿共三十四页哦电池的容量和比容量：电池的容量和比容量：电池的容量电池的容量 电池在一定的放电制度下，所放出的电量C，可以用安时（Ah)表示。表示。Ah表示表示1安培（安培（A）电流放电）电流放电1小时（小时（h）。）。1.理论容量：理论容量：理论容量是根据活性物质的重量按法拉第理论容量是根据活性物质的重量按法拉第定律计算出的电量。定律计算出的电量。理论容量的计算方法理论容量的计算方法（举例说明）举例说明）例如：设某电池中的负极为例如：设某电池中的负极为 Zn，其重量为，其重量为13.5克，求锌电极的克，求锌电极的理论容量？理论容量？电极反应：电极反应：第十六页，讲稿共三十四页哦 另外由法拉第定律知道，另外由法拉第定律知道，1克当量的活性物质可产生克当量的活性物质可产生96500库仑的电量（库仑的电量（96500/3600=26.8Ah)，也就是该有，也就是该有32.69克的克的Zn,就可以产生就可以产生26.8Ah的电量，所以现在有的电量，所以现在有13.5克的锌，理论上所克的锌，理论上所能产生的电量应为：能产生的电量应为：Q理理=13.5/32.6926.8=11.1Ah 另外由于另外由于32.69克锌可产生克锌可产生26.8Ah的电量，故我们又可以的电量，故我们又可以得到：得到：从反应式知锌的反应电子数为从反应式知锌的反应电子数为2，故，故1克当量的克当量的Zn应为应为65.382=32.69克克第十七页，讲稿共三十四页哦 即理论上得到即理论上得到1Ah的电量，就需要消耗的电量，就需要消耗1.22克的锌或消耗克的锌或消耗1克克 锌就可得到锌就可得到0.82Ah的电量。的电量。或或26.8Ah/32.69克克=0.82Ah/克克 通常把输出通常把输出1Ah的电量，理论所需要的活性物质的量称为该物质的电量，理论所需要的活性物质的量称为该物质的电化当量。有了的电化当量。有了电化当量电化当量，对理论电量的计算更为方便了。，对理论电量的计算更为方便了。如上例：如上例：Q理理=13.5/1.22=11.1Ah2.实际容量：实际容量：实际容量指在一定的放电制下（放电方式实际容量指在一定的放电制下（放电方式,一定的电流密度和终止电压等），电池所能给出的电量。一定的电流密度和终止电压等），电池所能给出的电量。第十八页，讲稿共三十四页哦实际容量的计算：实际容量的计算：（1）若是恒电流放电）若是恒电流放电（2）恒电阻放电）恒电阻放电由于恒电阻放电时，由于恒电阻放电时，I 是不断变化的，故是不断变化的，故QR要通过积分的要通过积分的方法计算：方法计算：3.额定容量：额定容量：额定容量是指在一定的放电制度下，电池额定容量是指在一定的放电制度下，电池应该给出的最低限度的容量。也就是设计指标。应该给出的最低限度的容量。也就是设计指标。电池的容量是电池的一个很重要的性能指标。一个电池电池的容量是电池的一个很重要的性能指标。一个电池第十九页，讲稿共三十四页哦的实际容量往往小于其理论容量，这主要是由于活性物质的利用率低，的实际容量往往小于其理论容量，这主要是由于活性物质的利用率低，不能达到不能达到100%。对活性物质的利用率可用下式计算：对活性物质的利用率可用下式计算：活性物质利用率（活性物质利用率（%）=M/g100%M 放电时按法拉第定律计算应消耗的物质的重量放电时按法拉第定律计算应消耗的物质的重量g 电池中实际存在的活性物质的重量电池中实际存在的活性物质的重量例如：例如：13.5克锌理论上可放出克锌理论上可放出11.1AH的电量，若实际上用的电量，若实际上用了了20克，则克，则:第二十页，讲稿共三十四页哦影响容量的因素：影响容量的因素：1.活性物质的量：活性物质的量：2.活性物质的利用率活性物质的利用率活性物质的活性活性物质的活性 电池和电极的结构电池和电极的结构 电解液的量、浓度、质量电解液的量、浓度、质量 制造工艺制造工艺 放电制度放电制度 第二十一页，讲稿共三十四页哦放电时率与放电倍率：放电时率与放电倍率：放电时率放电时率以一定放电电流放完额定容量所需要的小时数例如：若电池的额定容量为例如：若电池的额定容量为10Ah,以以2A放电，则放电，则:t放电时率放电时率=10Ah/2A=5h例如：若电池的额定容量为例如：若电池的额定容量为10Ah,以以5H放电，则放电，则:t放电倍率放电倍率=10Ah/5h=2A第二十二页，讲稿共三十四页哦能量和比能量能量和比能量:能量能量 电池在一定的放电制度下，对外做功所输出的能量。通常用瓦时（Wh)表示（1）理论能量理论能量从热力学上看，电池的理论能量等于可逆从热力学上看，电池的理论能量等于可逆过程电池所能做的最大有用功：过程电池所能做的最大有用功：第二十三页，讲稿共三十四页哦（2）电池的实际能量：）电池的实际能量：电池在一定的放电条件下实际放出的能量。电池在一定的放电条件下实际放出的能量。2.恒电阻放电时恒电阻放电时1.恒电位放电时恒电位放电时1.体积比能量：单位体积电池输出的能量（瓦体积比能量：单位体积电池输出的能量（瓦时时/L）2.重量比容量：单位重量电池所能输出的能量重量比容量：单位重量电池所能输出的能量（瓦瓦时时/Kg）a.理论重量比能量理论重量比能量又可分为：又可分为：b.实际重量比能量实际重量比能量第二十四页，讲稿共三十四页哦下面以铅酸电池为例说明理论比能量的计算：下面以铅酸电池为例说明理论比能量的计算：电池的总反应：电池的总反应：参加反应的总物质：参加反应的总物质：该反应能产生两个法拉第的电量，如果该反应能产生两个法拉第的电量，如果642.6克物质都能全部反应，克物质都能全部反应，则就能产生则就能产生226.8=53.6Ah的电量。的电量。另查表可知：另查表可知：M=207.2（Pb）239.2(PbO2)298.08(H2SO4)=642.6克克第二十五页，讲稿共三十四页哦所以：所以：故：故：642.6克反应物在理论上所能产生的电能为：克反应物在理论上所能产生的电能为：设比能量为设比能量为X，则，则642.6:109.3=1000:XW理理=53.62.04=Q理理E=109.3WhX=170.2Wh/Kg 对铅酸电池来说，由于对铅酸电池来说，由于H2SO4参加了反应，故其电动势与参加了反应，故其电动势与H2SO4的浓度有关。若取的浓度有关。若取d=1.25的硫酸，换成活度的硫酸，换成活度 V=2.104V。表。表11给出了一些电池的理论比能量和实际比能量。见下表：给出了一些电池的理论比能量和实际比能量。见下表：得到得到第二十六页，讲稿共三十四页哦一些电池的实际比能量与理论比能量一些电池的实际比能量与理论比能量 电池电池反应电动势（V）理论比能量(Wh/Kg)实际比能量(Wh/Kg)铅酸 2.104175.51050CdNi 1.326（E0）214.31540FeNi 1.399（E0）272.41025ZnAg 1.8521.59V平=1.721487.560160Zn-Mn 1.623（开）251.31050Zn空气 1.646（E）1350100250第二十七页，讲稿共三十四页哦理论上电池的功率可以用下式表示：理论上电池的功率可以用下式表示：P=IE第二十八页，讲稿共三十四页哦第二十九页，讲稿共三十四页哦电池的自放电和贮存性能电池的自放电和贮存性能:贮存性能贮存性能 贮存时所表现出的性能。电池的贮存分为干贮存(不带电液)和湿贮存(带电液).自放电自放电 电池在贮存一段时间后，容量要发生自动降低的现象.对于蓄电池，又叫充电保持能力充电保持能力.发生自放电的原因发生自放电的原因第三十页，讲稿共三十四页哦蓄电池的循环寿命和使用周期蓄电池的循环寿命和使用周期:循环寿命循环寿命(使用周期使用周期)在一定的放电条件下，当电池的容量降到某一规定值之前，电池耐受的充放电循环次数影响电池循环寿命的因素影响电池循环寿命的因素 不同的电池使用周期是不相同的，例如：一般说来，不同的电池使用周期是不相同的，例如：一般说来，FeNi，CdNi 电池的使用寿命可达数千次。铅蓄电池约电池的使用寿命可达数千次。铅蓄电池约300 500次，次，Zn Ag电池约电池约40 100 次。次。另外，蓄电池的使用寿命与放电深度、沉度、充放电率等条另外，蓄电池的使用寿命与放电深度、沉度、充放电率等条件都有关。（放电深度是指电池放出的容量与额定容量的百分比）件都有关。（放电深度是指电池放出的容量与额定容量的百分比）。第三十一页，讲稿共三十四页哦四、电极的组成、结构和成型方法四、电极的组成、结构和成型方法电极的组成：电极的组成：主要成分主要成分导电组分导电组分添加剂添加剂电极的结构：电极的结构：整体电极整体电极多孔电极多孔电极第三十二页，讲稿共三十四页哦1.三相多孔电极：三相多孔电极：电化学反应发生在固液气三相界面上2.两相多孔电极：两相多孔电极：电化学反应发生在固液两相界面上 多孔电极最大的贡献实质上就是增大了电极的面积，从而降低了电极的极化，提高了活性物质的利用率。第三十三页，讲稿共三十四页哦感感谢谢大大家家观观看看第三十四页，讲稿共三十四页哦