2022年2022年锂电基本概念 .pdf

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1、锂电基本概念 - 倍率充放电一般电池放电，1/10 电池容量放电，叫一倍率，也叫标准放电倍率，2 倍这个电流放电就是双倍率放电，同理还有三倍率，四倍率等，充电也是一样道理，只是放电改成充电。用这个一倍或多倍恒流电流把一个充满电的电池放电到规定电压下，计算时间，C=I*t,得到的就是电池容量，电池时间长了或者新电池可以通过这个办法检验容量是否还足够。一般小倍率放电（充电），测得的电池容量要大些，他们会接近一个数值，一般都是以一倍率充放电测得的容量为标准。高倍铝放电主要对电池黏结性能影响比较大, 大电流放电极粉容易脱落, 循环性能变差 ! 增加导电剂 , 黏结剂吗 , 不过那样容量肯定会有影响。极

2、片做薄点，增加或者增大极耳，再用电导率高点的电解液就可以了解决大电流放电的性能，我觉得要从以下几个方面来考虑。1）提高正极材料的电子导电率，如果导电率低，大电流充放电时，单位面积通过的电荷无法满足大电流，必然导致电池的阻抗增加，从而导致循环性能降低。2）从负极方面来考虑，应该对石墨进行改性，增加石墨层的孔径及孔隙率（可以通过氧化等方法来处理）3) 从电解液方面来考虑，添加的电解液最好不要含有PC等其它容易石墨剥落的溶剂这是一个综合权衡地问题，不是单单只解决某一方面就可以搞定的，比如说: 为了防止电极活性物质粉体的脱落而加入大量的黏结剂的话极化现象加剧，导电性势必受到影响。为此我们又要加入导电剂

3、来提高导电性可是这样一来又使得比容量降低了。大电流放电主要是解决导电问题。这包括配方、电池结构、电流密度三个大的方面。配方中的材料选择自然是非常重要的了，尤其是负极材料。据说采用层状石墨和中间相碳微球按一定比例混合做负极活性物质效果比较好，但没有试验过, 这一点还需大家去验证。电池结构主要是极耳、极柱的选择，还有就是他们之间的连接方式，这很重要。电流密度是可以计算出来的，你要达到多少C率放电，那选用多大的电流密度自己算一下就知道了。你是需要一个大容量的电池呢，还是需要一个高放电倍率的电池呢？当然，你的钱多到不知道怎么花，那么你大可以买一只容量也大，放电倍率也大的电池。不过如果要选呢？我们先来看

4、一下，电池的放电倍率是什么。放电倍率，顾名思义，就是电池可以放出的最大电流，可以达到自身容量的多少倍。那么我们怎么知道自己的电池的放电倍率呢？一般的锂电池上都会标有X C 这样的一个字符。“X”一般都是数字，比如12C，20C 等等。这就是你电池的放电倍率。12C 就是 12 倍，不用我再多说了吧。比如 12C，1000 毫安时的电池，那么它最大的放电电流就是1000mAX12=12A 。氢电池上一般不会标放电倍率。不过我还是要强调一点，放电倍率其实不是一种数值，确切的说它应该有两个数值，一个是极限放电倍率，一个是持续放电倍率。极限的放电是指电池在瞬间可以放出的最大电流，电池在短时间内可以达到

5、的最大放电电流与容量的比就是极限放电倍率。持续放电是指电池正常工名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 28 页 - - - - - - - - - 作时可以持续的状态放电的最大电流。持续放电倍率就是这个持续放电电流与电池容量的比。说到这，大家可能会认识到，极限放大倍率肯定会大于持续放电倍率，但是从放电的持续性上看，还是要看持续放电倍率。这两个值都是很重要的。我们再来看看自己手里的电池，上面标的一般只有一个放电倍率值，这个值绝大部分标的都是极限放电倍率。而持续放电

6、倍率一般都是在极限放电倍率的60%80%，自己乘一下就能算出大概的值。为什么厂商只标极限放电倍率？这个问题还要我来解释吗？一个标着10C 的电池和一个标着12C 的电池，你会选哪个？好了，了解完放电倍率，我们下面就要进入正题了，你需要一个大容量的电池还是一个高C 的电池，通过上面的介绍，我想大家应该已经知道了，放电倍率，也就是那个C 的值只是一个倍率，并不是一个放电电流的恒定值，也就是说，不同的电池，放电倍率不一样，但是有可能放出的电流是一样大的。你比如一个1000mhA 的 20C 的电池，它的极限最大放电电流是20A，一个容量2000mhA 的10C 的电池，它的极限最大放电电流也是20A

7、。可是， 放电倍率是一个技术性较高的性能，每提升 1 个 C，都要付出相对较大的技术力量，而提升电池的容量相对与现在的技术来说，已经不是很难的事情了，所以，相对来讲，高放电倍率的电池价格肯定要高于高点容量的电池 这是在最终放电电流相同的情况下的比较，就像刚才提到的那个例子。所以，如果可能的话，我们应该尽量选一些点容量大些，放电倍率却不是非常高的电池，这样的电池放电电流不低，而且价格不高。比如3000mhA12C 的电池，它的极限放电电流是3X12=36A ，一个 2000mhA15C 的电池，别看它的放电倍率高，可是它的最大放电电流却只有 30A。孰轻孰重我想大家都很清楚了吧，况且， 容量大的

8、电池， 可以支持你的狗多叫好久呢：）在模型界，一般放电倍率是一个也需要考虑的性能指标，因为模型大多需要持续的大电流输出，启动的时候需要的电流更是大得吓人，所以，为了大电流的持续放电和极限速度（竞技模型嘛，有时候快0.1 秒也是很重要的），一般在考虑电容量的同时，也要兼顾一下放电倍率。可是我们的狗，不会需要那么大的电流，会别告诉我你的狗在启动时需要超过 60A 的电流 你烧火锅里面的保险最大也就是20A 的。嘿嘿嘿嘿。所以，建议大家尽量买容量大的电池，这样的电池性价比最高。锂电基本概念 - 原位分析技术实验表明，原位分析技术可对各元素在材料中不同含量所占的原位权重比率、材料的疏松度的定量表征、材

9、料中夹杂物的统计定量分布以及材料中不同粒度夹物的统计定量分布等进行快速、有效的分析。原位分析技术将成为材料及工艺研究中一种反映材料内在质量的新判据方法。原位分析在气体分析中是指在工艺过程中不需要预处理直接在工艺管道中进行测量,优点是背景成分不会改变,接近真实情况“原位”的概念在物理的透射电子显微镜研究中也有用到。个人理解大概的意思有两层：1、现场的。就是所做的实验及测量都是在被测量的对象原先名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 28 页 - - - - - -

10、- - - 所在的环境下进行的；那么反过来我们一般做的实验和测量都是非原位（ex-situ）的 , 就是将被测量对象从原先的环境中取出来做。2、实时的。也就是可以动态地观察一个生化或物理反应过程的实验方法。有点儿像摄影机可能拍动态画面那种意思。在 TEM( 透射电镜 )研究中， 一般认为“在线”和“原位”是一个意思，都是 in-situ翻译过来的，同理ex-situ除翻译成“非原位”外也有翻译成“离线”的。个人想法，有欠周全。原位，非原位应该不仅是药物、环境术语，电化学中也有原位测试，本人的理解就是在电化学池中反应的同时进行测试，而不是将试样取出终止电化学反应后进行。如光电化学测试、 AFM等

11、都是电化学中的原位测试方法，英文也是in-situ。一己之见，呵呵！锂电基本概念 - 快离子导体快离子导体fast ionic conductor 也称超离子导体, 有时又叫做固体电解质它区别于一般离子导体的最基本特征是在一定的温度范围内具有能与液体电解质相比拟的离子电导率(0.01 cm)和低的离子电导激活能( 0.40eV) 。1834 年 M.法拉第 首先观察到AgS中的离子传输现象。但当时尚不能理解这一发现的意义。 1935 年发现 AgI 在 147C从低温相转变到高温相时，电导率增加了四个数量级，这个相变是由一般离子导体到快离子导体的相变。1961 年合成了第一个室温快离子导体 A

12、gSI 。1967 年前后相继发现了具有实用价值的快离子导体RbAgI 和 Na-AIO1978 年又发现了室温铜离子导体RbCu16ICl13 。由于能源问题的突出，近十几年来快离子导体受到相当广泛的重视。快离子导体虽然是固体，但它的一个亚点阵却处于熔化状态（见液态亚点阵），因此它又具有液体的某些特性，即具有固液二重性。固体理论中的某些传统概念和方法在这里都可能不完全适用，因而这是一个极需研究和发展的新领域。事实上， 一门新兴学科固体离子学正在形成。多数快离子导体是无机化合物，也有不少有机材料是银、铜和氢离子的快离子导体。用于基础研究的快离子导体多数是单晶体，但实际应用时常采用多晶材料。近来

13、又开始了非晶态快离子导体的研究工作。快离子导体中运动离子的半径一般都比较小，研究得最多的是AgCu 、Li 、Na、F 和 O等的快离子导体。附表列出了一些有代表性的材料。按照材料由一般离子相到快离子相的相变行为，可以把快离子导体分为三类： 类。发生一级相变, 相变时离子电导率有突变，典型代表是AgI。 类。以PbF为代表 , 相转变在相当宽的温度范围内完成，离子电导率由一般离子态的值平滑地变到快离子态的值。这种相变叫做法拉第相变，相变时有比热容峰。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

14、 - - 第 3 页，共 28 页 - - - - - - - - - 类。在所研究的温度范围内未发现相变, 电导率增加随温度升高按指数式，Na-AIO 就是一例。快离子导体具有特殊的晶体结构，可以看成是由两个亚点阵所构成，一个是不运动离子形成的刚性亚点阵，另一个是由运动离子构成的液态亚点阵。刚性亚点阵必须满足三个条件：刚性亚点阵中能被运动离子占据的位置数远远大于运动离子数。间隙位置之间的势垒必须足够低，以使运动离子能通过热激活从一个间隙位置跃迁到近邻的位置。能被运动离子占据的位置必须连成通道。这种通道可以是一维的，但最好是二维和三维的。AgI 具有典型的快离子导体结构，X 射线结构分析表明I

15、 离子构成体心立方点阵，而晶胞中的两个Ag离子可以无序地分布在42 个可能的间隙位置上，这些位置连接成三维通道。快离子导体的应用是多方面的，主要是在能源和固体离子器件方面。用Na-AlO 作电解质的钠 - 硫电池具有比铅酸电池高45 倍的能量密度，它既可用作车辆的动力源，也可作为贮能电池使用。用氧化锆和其他快离子导体制成的气体探测器，不仅可以控制汽车发动机和锅炉燃烧室的燃烧过程以节约燃料和减少污染，而且还可以监测一些有害气体从而对环境保护作出贡献。氧离子导体和氢离子导体都可用作燃料电池的电解质隔膜，从而使可燃气体与氧气经电化学方法发生反应转变为电能。用快离子导体作成的固体电池具有自放电小、贮存

16、寿命长和抗振动等优点, 已在心脏起搏器电子手表、计算器和一些军用设备上获得应用。近年来用快离子导体作成了超大容量电容器、定时器、库仑计和电色显示器等固体离子器件，引起人们的极大兴趣。锂电基本概念 - 克當量如果要求克當量，必須先寫好反應方程式，並且確定在這個反應式裡，多少克的這種物質，相當於1.008 克的氫。例如，在下面的方程式裡，鹽酸和氫氧化鈉起中和反應：HClNaOH NaCl H2O 或寫成下面簡化的離子方程式：H+ OH-H2O 顯然，克分子量鹽酸重36.47 克（裡面含有1.008 克的氫），相當於克當量。因為恰巧這樣份量的鹽酸，在反應時產生能與鹼的氫氧離子(OH-) 相作用的 1

17、.008 的氫。因此，可以寫成下式：克分子量重的鹽酸克當量鹽酸名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 28 页 - - - - - - - - - 如果用符號來代表，可以寫成下式：EHClMHCl 36.47 克式中： E物質的克當量；M 物質的克分子量。 帶有電荷的原子叫做離子。帶有正電荷的叫陽離子，如氫離子H+、鈉離子 Na+；帶有負電荷的叫陰離子，如氯離子Cl- 、氫氧基離子OH-等。根據物質的分子式，把分子中所有原子的原子量都加起來，就可以算出這種物質的分

18、子量。即分子量等於這分子裡所含各種原子的原子量的總和。通常用 M來代表。例如：個氧分子O2含有個氧原子，所以氧的分子量可以這樣計算：M 162 32 個鹽酸分子HCl 含有個氫原子和個氯原子，所以鹽酸的分子量可以這樣計算：M 1.008 36.457 36.47 硫酸 H2SO4的分子量可以這樣計算：M 1.0082 32162 98 原子量和分子量通常都是不名數，為便利計算起見，常用“克”做單位，分別叫做克原子量和克分子量。例如氧的克原子量是16 克，它的克分子量是 32 克。 根據上面所述的原理，我們不難求出硫酸的克當量。例如：硫酸和氫氧化鈉起反應：H2SO4 2NaOH Na2SO4 2

19、H2O 這裡克分子的H2SO4 ，含有兩個克離子的氫(2H+) ，也就是說，克分子名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 28 页 - - - - - - - - - 量硫酸重98 克（裡面含有2.016 克的氫）相當於克當量的硫酸。因此硫酸的克當量等於它的克分子量的一半（即98 克 40 克），因為這樣多的份量裡，含有相當於克離子氫，因此可以寫成下式：硫酸的克分子量 80 克硫酸的克當量49 克又如：磷酸與氫氧化鈉所起的中和反應：H3PO4 2NaOH Na3P

20、O4 3H2O 由此可知，克分子的磷酸H3PO4裡含有個克離子氫，因此H3PO4 的克當量等於它的1/3 克分子量，即 98 克 332.67 克，因為這樣多的份量裡，含有相當於克離子氫。由此可以寫成下式：磷酸的克分子量 98 克磷酸的克當量32.67 克容量分析上所使用的標準溶液，普通為酸類、鹼類、鹽類、氧化劑和還原劑。現在分別簡述求出它們克當量的方法。元素的当量 =原子量 / 化合价举例：钠的当量 23/1=23 ；铁的当量 55.9/3=18.6 酸、碱、盐的当量计算法：A 酸的当量酸的分子量/ 酸分子中被金属置换的氢原子数B 碱的当量碱的分子量/ 碱分子中所含氢氧根数C 盐的当量盐的分

21、子量/ 盐分子中金属原子数金属价数举例： 36.5 克 HCL溶于 100ml 水中，所得溶液的克当量浓度是多少？(36.5/1)/0.1=365 克当量 / 升36.5 克 H2so4 溶于 100ml 水中，所得溶液的克当量浓度是多少？(36.5/2)/0.1= 182.5克当量 / 升以克为单位的化学当量叫做克当量化学当量是某元素的原子量被该元素的原子价相除所得的商。 其公式为： 化学当量 =原子量 原子价摩尔浓度是一种表示溶液组成的浓度,通过溶名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - -

22、- - - 第 6 页，共 28 页 - - - - - - - - - 液的体积和物质的量浓度可直接求出溶质物质的量锂电基本概念 -化学电源理论化学电源的广泛使用是人类科学技术进步的需要，是人类物质文明提高的需要。 二者的迅速发展也促进化学电源的生产与研究的迅速发展。化学电源其基本原理可追溯到1800 年 Volta 的工作。这一早期工作成果形成了现称为金属的活动顺序表。1839年 Grove 发现并阐述了可认为是燃料电池的装置。1859 年 Plante的研制工作导致第一个有实用价值的可反复内使用的电池铅酸蓄电池的发展。直到今天，铅酸蓄电池仍然是使用最广泛、最经济的二次电池。 自从早期研究

23、工作开始以后，许多新型的电池系列不断问世。 本节的目的是概要地阐述一次电池和二次电池以及燃料电池的基本原理；并对新型化学电源加以简单介绍。一、化学电源的特点能源是人类社会发展的重要物质基础，随着人类社会的进步和生活水平的提高，不仅消耗能量将急剧增加，而且需要提供能量的方式更加多样化。化学电源作为通过化学反应获得电能的一种装置，不仅种类繁多、形式多样，而且可以是再生性能源，由于它自身的特点，所以有着其它能源所不可替代的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 28 页

24、 - - - - - - - - - 重要位置。（1）能量转换效率高如果把化学电源与当今人类普遍利用获取电能的手段火力发电相比较， 其功率和规模确实远不及后者；然而就其能量转换效率而言，远远高于火力发电。从理论上讲可以达到100%。因为火力发电属于间接发电，能量转换环节多， 受热机卡诺循环的限制，效率很低， 约有 6070%的热量白白浪费。 而化学电源是直接发电装置， 以燃料电池为例， 实际效率在 60%以上，在考虑能量综合利用时其实际效率高于80%。（2）污染相对较少化学电源与通过直接燃烧石油、天然气、煤气获取能量方式相比，产生的环境污染少，这是它的又一特点。我们知道，随着工业生产的发展，

25、能源的不合理使用， 已经并且正在继续不断地加重着环境污染。石油、煤炭、天然气燃烧时会排出大量的SO2 和气面对着严重大气污染，人类发出“保护大气就是爱惜生命”的呼吁。为此世界各国正在积极研制电动汽车，以达到环保要求，（3）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 28 页 - - - - - - - - - 便于使用化学电源的特点还在于具有可携带性、使用方便。 可以做成适合不同工作需要的多种性能的装置，从而为一些用于特殊目的的设二、化学电源的性能指标1、化学电源的分

26、类化学电源可分为：一次电池主要包括锌锰电池、锌银电池、锌空(气)电池、锂一次电池等；二次电池又称蓄电池，主要包括铅酸蓄电池、镉镍电池、氢(MH)镍电池、钠硫电池等。化学电源还有一类为满足特殊需要的储备电池，这类电池在使用前临时激活。它主要用于在相当短时间内释放高功率的目的，如导弹、鱼雷以及其它武器系统。现正在大力发展的燃料电池，作为一种高效、清洁的能量转换装置，在化学电源中有特殊的重要性。2、性能指标衡量化学电源性能主要有：化学电源的容量； 理论质量比能量和（1）容量是指1 安培电流持续通过1 小时所给出的电量(I、t)。其中理论容量是根据活性物质的质量，按Faraday定律计名师资料总结 -

27、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 28 页 - - - - - - - - - 算得到的；实际容量是在一定条件下，电池实际放出的电量；额定容量是在设计和生产时， 规定和保证电池在给定的放电条件下（2） 理论质量比能量是指1kg 反应物所产生的电能(wh kg -1)。例如铅酸蓄电池的反应为: Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O =2.044V由 Faraday定律可知，每产生1 A h 的电量要消耗3.866g Pb(PbPb2+)，4.663g PbO2

28、(PbO2Pb2+)及 3.659g H2SO4，三者之和约为12g，1kg 反应物反应后产生的电量为1000/12=88.33 (A h kg-1)， 故铅酸蓄电池的理论质量比能量是：It =2.04488.33 = 170.5(w h kg-1)。 以上计算包括了硫酸的质量是（3）化学电源的寿命包括使用寿命，充放寿命和贮存寿命。三、一次电池锌银电池锌银电池主要用于电子、航空、航天、舰艇、轻工等领域。扣式锌银电池早已为人们所熟悉，广泛应用于石英手表、 照相机、锌银电池与普通和碱性锌锰电池比较有较高的比能量(见表102)并且放电电压比较平稳，使用温度范围广和重负荷性能好。锌银电池的特点还在于：

29、自放电小，贮存寿命长。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 28 页 - - - - - - - - - 表 102 一次电池比能量的比较电池质量比能量 /（W h kg-1）体积比能量 /（W h dm-3）普通锌锰电池碱性锌锰电池锌银电池 251.3 274.0 487.5 50180 150250 300500锌银电池的主要缺点是使用了昂贵的银作为电极材料，因而成本高；其次，锌电极易变形和下沉，特别是锌枝晶的生长穿透隔膜而造成短路； 锌银电池也可以做成二

30、次电池，但其充放电次数 (最高 150 次)尽管存在上述弊端， 但锌银电池适应了化学电源小型化要求，又可作为航空航天等特殊用途的电源，需求量还是上升的趋势。Zn （s）Zn(OH)2 (s) | KOH(40%)+K2ZnO2( 饱和溶液 )Ag2O(s) | Ag(s)或写成 Zn(s)ZnO(s) | KOH(40%) | Ag2O(s) | Ag(s)名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 28 页 - - - - - - - - - 负极反应：Zn +

31、2OH- Zn(OH)2 + 2e - 、Zn(OH)2 + 2e- Zn + 2OH- = -1.249 V正极反应： Ag2O + H2O + 2e-2Ag + 2OH-(Ag2O + H2O + 2e - 2Ag + 2OH-) = 0.345V电池反应： Zn + Ag2O = ZnO + Ag该电池反应的标准摩尔Gibbs 自由能 (变) = -307.6 kJ mol-1， 其标准电动势为：=1.594 V该电池反应的标准摩尔熵变= -66 J K-1 mol-1；电池的温度系数为：= -3.410-4 V K-1因温度系数数值较小， 锌银电池在较大的温度范围内使用不会当用化学或电

32、化学方法获得的正极活性物质是过氧化银时，则存在着正极还原反应由过氧化银生成氧化银的阶段，这时负极反应不变，而正极反应为：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 28 页 - - - - - - - - - Ag2O2 + H2O + 2e- Ag2O + 2OH - (Ag2O2 + H2O + 2e- Ag2O + 2OH -) = 0.607 V此时电池反应为： Zn + Ag2O2 + H2O = Zn(OH)2 + Ag2O电池的标准电动势为：= + -

33、 - = 0.607 - ( -1.249) = 1.856 V四、 二次电池二次电池最主要的两种类型是铅酸蓄电池和镉镍电池，虽然它们的理论质量比能量是目前生产的电池中比较低的，但是它具有能反复充放电的特点而深受人们的欢迎。资料表明， 当今世界多种多样， 不同用途的电池中， 就其总产量而言， 其中 90%是铅酸1铅酸蓄电池铅酸蓄电池的生产已有一百多年的历史，其特点在于电池电动势较高、结构简单、使用温度范围大、电容量也大、还具有原料来源丰富、价格低廉， 但也存在比较笨重、 防震性差、 自放电较强、有 H2 放出，如不注意易引进爆炸等缺点。铅酸蓄电池主要用于铅酸蓄电池的构成如下：Pb (s)H2S

34、O4( aq , b)PbO2 (s)| Pb(s)电极反应是：负极： Pb+HSO4- PbSO4+H+2e-正极： PbO2+3H+HSO4-+2e-PbSO4+2H2O名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 28 页 - - - - - - - - - 电池反应： Pb+PbO2+2H+2HSO4- = 2PbSO4+2H2O从以上反应可以看出， 铅酸蓄电池放电时， 在正极和负极均得到PbSO4。据此，在历史上Gladstone等提出称之为双硫酸盐化的理论

35、，此理论迄今仍在通用。从上述反应还可以看出，硫酸在电池中不仅传导电流，而且参加电池反应，所以它也是反应物，随着放电的进行，硫酸不断消耗，同时反应生成水，导致电池中电解液浓度不断降低。反之，在充电时，H2SO4 却不断地生成。因此，电解液浓度不断增加。H2SO4 浓度的变化可用比重计测现在使用的铅酸蓄电池都已实现了免维护密封式结构，这是铅酸蓄电池在原理和工艺技术上最大的改进。传统的铅酸蓄电池由于反复充电使水分有一定的消耗，使用者需要补充蒸馏水加以维护。同时在充电后期或过充电时会造成正极析氧和负极析氢，因而电池不能密封给使用的方式带来不便。现今采用负极活性物质(Pb)过量，当充电后期时只是正极析氧

36、而负极不产生氢气，同时产生的氧气通过多孔膜，电池内部上层空间等位置到达负极，氧化海绵状的铅，反应式为：Pb+ O2+H2SO4 PbSO4+H2OPbSO4+2e- Pb+SO42-这样生成水， 可以减少维护或免维护，同时负极过量而发生“氧再复合”过程，不会使气体溢出， 使铅酸蓄电池可以制成密封式，当然在电极材料上还要由原来铅锑合金更新为氢超电势较高的铅钙合金。 使负极活性物质的量大于正极活性物质的量；使电解名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 28 页 -

37、- - - - - - - - 液减少到致使电极露出液面的程度；并选择透气性好的隔板，氧气在负极“吸收”， 用以达到密封的目的， 这在蓄电池中是个共同的特点。2. 镉镍电池镉镍电池的研究虽然比铅酸蓄电池晚，但有许多较铅酸蓄电池优越之处，它的寿命长、自放电小、低温性能好、耐过充放电能力强、特别是维护简单， 而且其密闭式电池可以以任何放置方式加以使用，无需维护。其缺点是价格较贵、有污染。不过一只镉镍电池至少可重复充放电使用数百次，这样使用镉镍电池往往比干镉镍电池是使用最广泛的化学电源之一。小至电子手表、 电子计算器、电动玩具、电动工具的使用，也可用做高级计算机中的金属氧化物半导体 (MOS)器件和

38、信息贮存器的电压保持(不间断电源)等；大至矿灯、航标灯、乃至行星探测器、大型逆变器等方面，也都使用镉镍电池；密闭式镉镍电池，最初用于飞机起动、火箭和 V-2 型飞弹上，从而开创了这种碱性蓄电池在空间应用的领域。我国科学实验卫星就是在卫星表面有28 块太阳电池方阵与镉镍电池组配对， 在卫星阴影期间由镉镍电池组供电，二者共同作为卫星的长期工作电源。应该指出：由于镉电极的污染，使镉镍电池的研制和生产蒙上了一层阴影，代之而起的是氢镍电池名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页

39、，共 28 页 - - - - - - - - - 镉镍电池的构成为：Pb(s)Cd(OH)2(s)KOH(aq)Ni(OH)2(s) NiOOH(s)电极反应和电池反应是：负极 Cd+2OH- Cd (OH)2+2e- Cd(OH)2+2e- Cd+2OH- -0.809V正极 2-NiOOH +2H2O+2e- 2-Ni(OH)2+2OH- NiOOH +2H2O+2e- Ni(OH)2+2OH- +0.490V电池反应2-NiOOH+Cd+2H2O = 2Ni(OH)2+Cd(OH)2该电池反应的标准摩尔Gibbs 自由能变约为 -248 kJ mol-1，根据热力学关系式1.299V，

40、电池的实际容量为828 A h kg-1，实际质量比能量为1035 W h kg-1。这样的数据在蓄电池中并不3其它二次电池老一代镉镍高容量可充式电池已处于被淘汰阶段，因为镉有毒，废电池处理复杂，发达国家已禁止使用。因此氢镍电池，特别是金属氢化物作为负极，正极仍为NiOOH 的氢镍电池发展迅速，其电池反应为： NiOOH+ H2 = Ni(OH)2如以 LaNi5 作电极材料， 则放电时从LaNi5 放出氢，充电时则反之。这样的贮氢材料主要是某些过渡金属、合金、金属间化合物，由于其特殊的晶格结构等原因，氢原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中，并形成金属氢化物， 这类材料可以贮名师资

41、料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 28 页 - - - - - - - - - 存比其体积大10001300 倍的氢。可供发展氢镍电池为二次电池的贮氢材料， 除 LaNi5 外，还有其一系列取代和改性化合物如LaNiAl 、LaNiMn 、LaNiFe，以及富镧混合稀土化合物。据报道最高贮氢量可达260cm3 g-1，其放电量一般可比镉镍电池高1.8倍。可充放电1000 次以上。这类电池在宇航，笔记本电脑、移动电话，电动汽车等行业中将得到广泛应用。目前我国已有氢

42、镍电池的自主知识产权，已建立许多生产线；美国Ovonie 电池公应该指出， 尚在大力研发阶段的碳纳米管被看成是理想的贮氢材料。自从1991 年被人类发现以来， 就一直被誉为未来的材料。 5 万个碳纳米管并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是一种长度和直径之比很高的纤维。它韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高 100 倍，比重只有钢的六分之一，其潜在用途十分诱人。镍氢电池五、燃料电池蓄电池是借助于在电池内发生所谓燃烧反应，将化学能直接转换为电能的装置。 它不同于一次电池和二次电池；一次电池的活性名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - -

43、 - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 17 页，共 28 页 - - - - - - - - - 物质利用完毕就不能再放电，二次电池在充电时也不能输出电能。而燃料电池只要不断地供给燃料，就象往炉膛里添加煤和油一样，它便能连续地输出电能。一次或二次电池与环境只有能量交换而没有物质的交换，是一个封闭的电化学系统；而燃料电池却是一个敞开的电化学系统，与环境既有能量的交换，又有物质的交换 。因此它在化学电源中占有特殊重要的地位。燃料电池可以追溯到 1839 年英国人Grove 所进行的实验。当时，他成功地进行了传统的电解水的逆反应；即在硫酸中插入两个铂电极，分别向两极供应氢气

44、和氧气之后产生了电流。 他并且将这样的 26 个电池组成电池组，该装置产生的电流足以使另一个铂-硫酸系统中的水发生电解。 1889 年英国人Mond 和 Langer首先采用燃烧电池这一名称。太阳能汽车名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 28 页 - - - - - - - - - 他们用上述装置获得了大约 0.2A cm-2 的电流密度，这已经可以和近代实验相媲美了。 可是，以后的一段时间燃料电池并无进展； 因为这时由机械能直接变为电能的发电机问世了，使得

45、人们对燃料电池的兴趣差不多推迟了 60 年；从电化学本身来看，当时仅电化学热力学方面有所进展，而对电极反应动力学方面知之甚少， 也使燃料电池难以发展。最早达到实用功率水平的燃料电池是在本世纪50 年代，英国剑桥的 Bacon用高压氢、氧气体制造了功率为5kW 的燃料电池，工作温度为 150。随后建造了一个6 kW 的高压氢氧燃料电池的发电装置。进入60 年代，该系统加以发展，成功地用来给Appollo 登月飞船提供电力 。目前，燃料电池作为载人飞船的主电源进行短期飞行，已证明是可行的。美国的“天空实验室”，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - -

46、 - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 28 页 - - - - - - - - - “哥伦比亚号”航天飞机， 苏联的“礼炮6 号”轨道站均采用了燃料电池作为主电源。 除了用于航天工业外， 在地面实用燃料电池电站的研究中， 几兆瓦级的磷酸燃料电池的发电装置已经研制成功，从几瓦到几千瓦的小功率燃料电池早已在潜艇、灯塔、无线电台等方面应用。 现在人们又把电动汽车的动力寄希望于燃料电池短短的三十年间， 燃料电池经历了磷酸、 熔融碳酸盐和固体电解质三种类型电解质的发展阶段。然而，一切已有的燃料电池研究及应用情况， 都没有达到普遍的民用商业化程度，而为了达到

47、这个目标尚需付出很大的努力，那末为什么许多国家仍然拨出巨资来发展燃料电池，它为什么具有这么大的吸引力呢?这是和燃料能量转换效率高：燃料电池能量转换效率比热机和火力发电的能量转换效率高得多。无论是热机还是它带动的发电机组，其效率都受到Carnot热机效率 ()的限制，目前汽轮机或柴油机的 最大值仅为 4050%，当用热机带动发电机发电其效率仅为3540%。而燃料电池理论上能量转换效率在100%。在实际应用时，考虑到综合利用能量时，其总效率可望在80%以上。由于燃料电池需要不断地提供燃料，移走反应生成的水和热量，因此需要一个比较复杂的辅助系统。特别是如果燃料不是纯氢，而是含有杂质或简单的有机物(诸

48、如 CH4、CH3OH 等)作为燃料，名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 28 页 - - - - - - - - - 就必须有净化装置或重整设备；同时还应考虑到能量综合利用的问题。为了说明燃料电池的热力学原理，这里举一个最简单的例子：氢氧燃料电池。这个反应是电解水的逆过程，它的原理如图1014所示。 电池表示为： Pt (s) | H2(g)KOH(aq)O2(g) | Pt(s)电极反应是：负极：H2+2OH- 2H2O+2e正极：O2+H2O+2e-

49、2OH-电池反应： H2+ O2H2O(1)img=292,156/img图 1014 根据该电池反应的标准Gibbs 自由能的改变量可以计算出标准电动势：1.299V。不仅氢氧燃料电池，其它反应物的燃料电池的标准电动势也可以通过热力学数据计算得出。许多燃料电池的温度系数是负值，即随着温度升高，电池电动势下降。但是，从动力学角度来看这是有利的。因为，温度升高，加速了电化学反应，降低了活化超电势；温度高，使电解质的电阻减小，使电池性能得到改善。 所以燃料电池经常采用高温下工作或以熔盐作为电解质， 以使电极反应和输运过程中的超电势大为减少。在通氢在负极氧化是氢离解为氢原子进而丢失电子成为氢离子的过

50、程。其它有机化合物燃料需催化裂化或重整获得氢而后在负极上名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 21 页，共 28 页 - - - - - - - - - 氧化。所以负极氧化过程是析出氢气的逆过程，在燃料电池中氢氢的负极氧化过程远没有氢析出的还原过程研究得详细；但是依照动力学原理， 对正反应过程具有催化作用的电极，必然也对逆反应过程具有催化作用， 因此实际上析氢电极过程为氢离解电极燃料电池的电解质可分为酸性和碱性的，因此，燃料极的电极反酸性溶液中 H2+2H2O 2H3O+2