《先进电池材料》课件--第一讲-绪论PPT资料.pptx

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,1791年，意大利生物学家伽伐尼（Galvani）发现解剖青蛙时出现青蛙腿肌肉的收缩现象，即“生物电”。

1.2电池的历史,意大利生物学家伽伐尼肖像，请注意肖像下部的那半只青蛙。

生物电,伏特电堆,伏特,伏特电堆,1799年，意大利科学家伏特（Volta）在伽伐尼（Galvani）实验基础上，用锌片和银片交替叠放，中间隔以吸有盐水的皮革，发现连接两块金属的导线中有电流通过，制成世界上第一个真正的电池，又称为伏特电堆。

丹尼尔（Daniel）电池,1836年，英国人丹尼尔（Daniel）对伏打电堆改进，设计出具有实用性的丹尼尔电池。

结构图,实物图,1859年，法国人普兰特（Plante）发明铅酸蓄电池。

铅酸蓄电池,Plante,1866年，法国人勒克朗谢（Leclanche）发明了锌二氧化锰电池。

锌-二氧化锰电池,Leclanche,湿电池,1881年，德国人盖思乐（CarlGassner）发明了锌锰干电池。

Gassner,碱性干电池,1949年，加拿大科学家LewUrry发明了碱性干电池。

1899年，瑞典化学家雍格纳（Jungner）发明镉镍蓄电池。

镉镍蓄电池,Jungner,1901年，美国发明家爱迪生（Edison）发明铁镍蓄电池。

铁镍蓄电池,放电/充电负极:

Fe+H2O-e-Fe（OH）3正极:

NiOOH+H2O+e-Ni（OH）2,锌银电池,1941年，法国科学家亨利.安德烈（HenriAndre）将锌银电池技术实用化，开创了高比能量的先例。

金属氢化物镍蓄电池,1969年，飞利浦实验室发现了储氢性能很好的新型合金，并于1985年研制成功金属氢化物镍蓄电池，1990年日本和欧洲实现了这种电池的产业化。

1970年，出现金属锂电池。

金属锂电池,1991年，索尼公司率先研制成功锂离子电池。

锂离子电池,1839年，格罗夫（Grove）通过将水的电解程逆转发现了燃料电池的工作原理。

燃料电池,20世纪60年代，美国NASA成功研制出第一个实用性的1.5kW碱性燃料电池，用于航天飞行器；

20世纪90年代，新型质子交换膜燃料电池技术取得了一系列突破性发展。

太阳能电池,1954年，美国贝尔实验室的CalvinFuller,GeraldPearson和DarylChaplin发明了硅基半导体太阳能电池，效率为6%，这是人类历史上首次利用太阳能转化为电能，从此开创了太阳能电池的新篇章。

1.3电池的分类,按电解液的类型,酸性电池：

电解液为酸性水溶液的电池,碱性电池：

电解液为碱性水溶液的电池,中性电池：

电解液为中性水溶液的电池,有机电解质溶液电池：

电解液为有机电解质溶液的电池,固体电解质电池：

采用固体电解质的电池,熔融盐电解质电池：

采用熔融盐电解质的电池,电池,按工作性质及储存方式,一次电池（原电池）,（放电后不能用充电方法使它恢复到放电前状态的一类电池）,锌锰电池,锌银电池,锂二氧化锰电池,二次电池（蓄电池）,（放电后能用充电方法使活性物质恢复到放电前状态，从而能再次放电的一类电池）,镉镍电池,铅酸电池,金属氢化物镍电池,锂离子电池,储备电池（激活电池）,（储存期间，电解质和电极活性物质分离或电解质处于惰性状态，使用前诸如电解质或通过其他方式使电池激活，电池即开始工作）,热电池,镁氯化铜电池,燃料电池（连续电池）,（放电后不能用充电方法使它恢复到放电前状态的一类电池）,质子交换膜燃料电池,碱性燃料电池,电池,1.4电池的工作原理,两个必要条件：

（1）化学反应中失去电子的过程（即氧化过程）和得到电子的过程（即还原过程）必须分隔在两个区域（负极和正极）中进行；

（2）物质在进行转变的过程中电子必须通过外电路。

充放电反应的不同：

放电时，电池负极发生氧化反应，此时是阳极，正极发生还原反应，此时是阴极；

而充电时进行的反应正好与此相反，负极进行还原反应，正极发生氧化反应。

电池在实现能量转换过程中，两个电极上进行的氧化还原反应必须分别在两个分开的区域进行，这一点区别于一般的氧化还原反应；

两电极的活性物质进行氧化还原反应所需的电子必需由外线路传递，这一点区别于金属电化学腐蚀过程的微电池反应；

电池内部两电极间不是通过自由电子而是通过电解质中离子的迁移导电的。

电池具有以下三个显著特征：

在电化学中，通常把发生氧化反应（失电子）的电极叫阳极（anode），把发生还原反应（得电子）的电极叫阴极（cathode）。

电解池中的正极为阳极，负极为阴极。

原电池的阳极上，因氧化反应而有电子的积累，故电位较负，是负极；

阴极上，因还原反应而缺乏电子，故电位较正，是正极。

区别电池概念中的正负极和阴阳极：

四个组成部分：

电极、电解质、隔离物和外壳,1.5电池的组成,电极：

包括活性物质和导电骨架,活性物质,导电骨架,正极活性物质：

金属氧化物（PbO2,MnO2,NiO）,负极活性物质：

较活泼金属（Zn,Pb,Li,Fe等）,导电剂粘结剂缓蚀剂,（具有导电和支撑活性物质作用）,电极种类及组成：

常用的电极有片状、粉末多孔状和气体扩散电极等种类。

电极通常由活性物质和导电骨架（也称集流体或基板）组成。

对于粉末多孔电极来说，还要加入一定比例的导电材料和黏合剂等。

对于活性物质的要求：

容量因素：

电化当量的大小；

强度因素：

电动势高低或给出的能量的大小；

活性：

与其组成及结构密切相关；

稳定性：

化学稳定性及结构稳定性。

元素周期表的左面，第I、II主族各个元素的标准电极电位最负，而元素周期表的右上边第VI、VII元素的标准电极电位最正，用它们组成的电池在理论上能给出高的能量。

Li、Na、Ca、Mg、Al等作为负极活性材料可制成高能电池，但不能用于水溶液电解质的电池，非水电解质的引入，才使Li、Na等作为负极活性材料成为可能。

水系电解质电池中只限于用氢过电位较高的Zn、Pb、Cd等作为负极活性材料。

元素周期表右上方的元素单质F2、Cl2、O2、S、I2等为正极活性材料，可构成高能电池。

但F2、Cl2有毒，腐蚀性强，S常温活性低，高温易挥发。

可采用化合物，如：

聚氟化碳、氯化银，FeS、FeS2等。

空气和氧气需采用气体扩散电极。

过渡金属具有多种氧化态，它们的氧化物常被选作正极活性材料，如：

MnO2、PbO2、NiOOH、LiCoO2等。

保证正负极间的离子导电作用要求：

高导电率、化学稳定性好、不易挥发、易于长期贮存。

隔离物或隔膜,置于电池两极之间，主要作用是防止电池正负极接触而短路要求：

较高离子传输能力，较低电子导电能力，好的化学稳定性和一定的机械强度。

电解质,电解质作用：

保证正负极间的离子导电作用分类：

可分为水溶液电解质、非水液体电解质、固体电解质、熔融盐电解质。

基本要求：

化学稳定性好、离子导电性高、易贮存。

（1）水溶液电解质水的介电常数大，溶解和离解电解质的能力强，黏度小，对离子移动的阻力小；

离子电导率高，一般为0.110-1cm-1。

熔点0C，沸点100C，所以不能在极地和宇宙空间等低温条件下使用，高温储存性能亦差。

水的分解电压为1.23V左右：

水溶液电解质电池主要有：

锌锰、锌镍、锌银、锌汞、锌空气、铁镍、氢镍、镉镍、铅酸电池等。

（2）非水有机液体电解质在比水更宽的温度范围和电位范围内是稳定的。

但溶解电解质的能力小，电导率一般比水溶液低12个数量级，通常为10-110-2-1cm-1。

常用的非水有机溶剂有：

碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）、四氢呋喃（THF）等；

要求：

电极材料在其中稳定性好，介电常数较大，粘度较小电解质有：

LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF6等。

非水有机液体电解质电池主要有：

锂电池（Li/MnO2、Li/SO2、Li/（CFx）n等，镁电池，锂离子电池。

（3）非水无机液体电解质主要应用于锂电池，非水无机溶剂有：

POCl3（磷酰氯）POFCl2（磷酰氟二氯）、SOCl2（亚硫酰氯）、SO2Cl2（硫酰氯），兼作正极活性物质。

电解质是LiAlCl4、AlCl3（用于激活式Li/SOCl2电池）。

（4）固体电解质包括无机固体电解质和聚合物固体电解质；

固体电解质主要问题是离子电导率较低，无机固体电解质电导率为10-110-3-1cm-1，通常要在高温下工作；

聚合物固体电解质的电导率目前只能达到10-410-5-1cm-1。

聚合物固体电解质电池主要是：

聚合物锂离子电池。

可分为微孔膜和半透膜两种，隔膜材料包括有机材料和无机材料。

作用：

置于电池两极之间，主要作用是防止电池正负极接触而短路基本要求：

在电解液中有良好的化学稳定性，有一定的机械强度；

对电解质离子迁移的阻力小；

是电子的良好绝缘体；

材料来源丰富，价格低廉。

隔离物或隔膜,外壳,也就是电池容器要求：

良好的机械强度、耐震动和冲击、耐高低温环境变化和电解液的腐蚀等。

电池的电动势,1.6电池的性能指标,概念：

在外电路开路时，即没有电流流过电池时，正负电极之间的平衡电极电势之差称为电池的电动势。

反映：

电动势的大小是标志电池体系可输出电能多少的指标之一。

影响因素：

电池的电动势只和参与化学反应的物质本性、电池的反应条件（即温度）及反应物与产物的活度有关，而与电池的几何结构、尺寸大小无关。

电池的开路电压,概念：

电池的开路电压是指电池两级间所连接的外线路处于断路时电极间的电势差。

正、负极在电解液中不一定处于热力学平衡状态，因此电池的开路电压总是小于电动势。

测量方式：

电池的电动势是从热力学函数计算得出，而开路电压是用高阻电压表实际测量出来的，两者数值接近。

标称电压：

表示或识别一种电池的适当的电压近似值，也称为额定电压，通常略小于开路电压。

如：

铅酸蓄电池开路电压接近2.1V，标称电压定为2.0V。

电池的内阻,概念：

电池的内阻R内是指电流流过电池时所受到的阻力，它包括欧姆内阻和电化学反应中电极极化所相当的极化内阻。

电池的欧姆电阻R的大小不仅与电解液、电极材料、隔膜的性质有关，还与电池的尺寸、装配、结构等因素有关。

极化电阻Rf是指化学电源的正极与负极在进行电化学反应时因极化所引起的内阻，包括电化学极化和浓差极化所引起的电阻