七化学电源PPT课件PPT推荐.ppt

1、又称连续电池，其正负极本身不包含活性物质，将燃料（电极活性物质）输入电池就能长期放电。例如，氢氧燃料电池、直接甲醇或甲酸燃料电池等。目前，广泛使用或已投产的化学电源是锌锰电池、铅酸蓄电池、锂电池、锂离子电池、镉镍电池、镍氢电池、锌银电池、碱性锌锰电池、空气湿电池、镁氯化银贮备电池等。,（2）化学电源的研制发展方向,1、车辆动力电池及储备电池：高比能量和长寿命；2、燃料电池：高能量转换率，无污染、低成本；3、军用电池：核武器、导弹、炮弹、坦克、鱼雷；4、用作空间探索和海洋开发的辅助电源：例如空气飞行器的启动、回收，海洋探测器的照明等；5、小型及微型电池：集成电路，携带式小型化仪器；近年来人体植入

2、电池引人关注。,（3）化学电源（简称电池）的基本组成,1、正极和负极：由活性物质和导电材料以及添加剂等组成，其主要作用是参与电极反应和导电，决定电池的电性能。原则上正极和负极的电位相差越大越好，参加反应的物质的电化当量越小越好，（用很少的活性物质可得到更多的电量）。除考虑电极电位和电化当量外，还要考虑活性物质的稳定性及材料来源。,2、电解质：保证正负极之间离子导电作用，有的参与成流反应或二次反应，有的只起导电作用。电解质通常是水溶液，也有用有机溶剂、熔融盐和固体电解质。要求电解质的化学性质稳定和电导率高。,3、隔膜：又叫隔离物，防止正、负极短路，但允许离子顺利通过。例如，石棉纸、微孔橡胶、微孔

3、塑料、尼龙、玻璃纤维。4、外壳：起保护作用。除干电池由锌极兼做容器外，其他均不用活性物质做容器。要求外壳具有良好的机械强度、耐腐蚀、耐振动、抗冲击强度。,实用的电池对电性能、贮存性能、机械性能、密封性能、几何形状、工作条件、经济性等多方面都有一定的要求。而首要的是具有良好的电性能和贮存性能。下面介绍主要的电性能和贮存性能。,7.1.2 化学电源的基本性能指标,（1）开路电压和工作电压：没有通电时电池的电压称为开路电压，等于两电极之间的电位差。开路电压取决于正负极材料的本性、电解质和温度。电池的额定电压或标称电压是指开路电压的最低值。工作电压又称闭路电压，是指电池接通负荷时的电压。欧姆电阻和过电

4、位的存在使得工作电压低于开路电压。工作电压的数值及稳定度依赖于放电条件。,（2）内阻：包括欧姆内阻R和极化电阻Rr,前者由电解质、电极材料、隔膜的电阻及各部分零件的接触电阻组成，后者由极化引起。为了减少极化，可提高电极的活性和增大电极的面积，例如，采用多孔电极。内阻和开路电压E开、工作电压E的关系为：E=E开-I（R+Rr）,（3）放电曲线：即电池的工作电压随时间变化的曲线。评价电池的性能常采用放电曲线，放电曲线越平坦性能越好。电压下降到不宜继续放电的最低工作电压称为终止电压，例如锌锰干电池的终止电压为0.9 V。放电方法主要有恒流放电和恒阻放电两种，还分为连续放电和间歇放电。,（4）放电速率

5、：一般以小时率和倍率来表示，小时率是以一定放电电流放完额定容量所需要的小时数，而倍率是指在规定时间内放完全部额定容量需要的电流值。,几种一次电池在250 mA电流下的放电曲线,锌锰电池不同条件下的放电曲线：（a）连续放电；（b）每日2次，每次30 min。,（5）容量与比容量：在一定放电条件下可从电池获得的电量，称为容量，以Q表示，单位为Ah或mAh。Q理=nFw/M（C，库仑）=26.8nw/M（A.h，安时）额定容量：全新的一次电池或刚完全充电的二次电池，以规定的温度和放电率放电到一定终止电压的容量称为额定容量，常用C来表示。比容量：电池单位重量或单位体积所输出的能量，Ah/kg,Ah/L

6、,（6）能量与比能量：在一定条件下电池输出的能量（电能）单位Wh。比能量为单位重量或单位体积电池对外输出的能量，又叫能量密度，单位Wh/Kg和Wh/L。W=EIt=EQ（7）比功率：单位时间电池的比能量，单位W/Kg和W/L。比功率与内阻有关。P=EI E=E开-I（R+Rr）P=IE开-I2（R+Rr）,（8）贮存性能：主要针对一次电池，是指电池贮存期间容量的下降率。Qa：电池放置前的容量；Qb：电池放置后的容量；T：放置时间。电池容量下降到某一规定容量所经过的时间，称为搁置寿命或贮存寿命。放置期间电池容量下降是由于两个电极的自放电引起的。,（9）循环寿命：蓄电池充电和放电一次称为一个周期或

7、循环。电池容量降到某一规定值之前，能反复充、放电的次数称为循环寿命。蓄电池的循环寿命除取决于电池的本性外，还与使用和维护是否恰当有关。,为了确保不同厂家的电池产品在电器上与物理上的可互换性，以及确定质量标准，有必要定出一套有关电池的标准。国际电工委员会制定的原电池的IEC标准已为许多国家所采用。我国推行IEC标准。用字母R、S、F分别表示为圆形、方形、扁平形电池，迭层电池也用F表示，字母后跟着的数字表示电池的大小。例如R20（即1号电池）。,7.1.3 电池的命名与型号,根据我国颁布标准，铅酸蓄电池的产品型号分三段：1、串联单个电池数；2、电池的类型和特征；3、额定容量。电池类型根据其主要用途

8、划分，主要代号如下：Q-启动用；G-固定用；D-蓄电池车用；N-内燃机车用；T-铁路客用；M-摩托车用。电池特征代号为：A-干荷电式；F-防酸式；M-密闭式。例如6-QA-20：6个单体电池；启动用，装有干式荷电极板；20小时额定容量为120 Ah。,7.2.1 锌锰电池7.2.2 碱性锌锰电池,7.2 一次电池,原电池生产主要有几个系列:,普通锌锰；碱性锌锰；锌汞；（汞有毒）锌空气；镁锰；（用于军事）锌银；（消耗银）锂电池（不是锂离子电池）,一次电池的种类及结构,糊式电池：以锌筒为负极，天然MnO2和活性炭粉混合物作正极，用NH4Cl（20%）、ZnCl2（20%）水溶液作电解液，加淀粉糊使

9、电解液凝固而不流动。这是第一代锌锰干电池。纸板电池或氯化锌电池：改用人工精制的化学MnO2或电解MnO2，用浆层纸（厚0.10.2 mm的牛皮纸上涂以合成糊等物质）夹在正负极之间代替了淀粉糊，并且以氯化锌为主要成分。,7.2.1 锌锰电池,（-）Zn|ZnCl2 10%,NH4Cl 20%（糊状）|MnO2|C（+）负极：Zn（s）=Zn2+（aq）+2e正极：2 MnO2（s）+2NH4+（aq）+2e=Mn2O3（s）+2NH3（aq）+H2O电池反应：2 MnO2（s）+2NH4+（aq）+Zn（s）=Zn2+（aq）+Mn2O3（s）+2NH3（aq）+H2O,糊式电池开路电位1.5

10、V，放电电压稳定；低温性能差，防漏性欠佳（NH4+H2O）；NH3被石墨吸附，引起极化，导致电池电位降低。,（-）Zn|ZnCl2（aq,20%35%）|MnO2|C（+）负极：4Zn（s）+ZnCl2（aq）+8OH-（aq）=ZnCl2.4Zn（OH）2+8e正极：8MnO2（s）+8H2O（aq）+8e=8MnOOH+8OH-（aq）电池反应：8 MnO2（s）+ZnCl2（aq）+4Zn+8H2O=ZnCl2.4Zn（OH）2+8MnOOH ZnCl2.4ZnO.5H2 O,氯化锌作电解液电池的锌锰电池开路电位1.5 V，放电电压稳定；水作为反应物被消耗，并转化为结晶水，因此，大大地提

11、高了电池的防漏性能。这是目前使用最普遍的干电池。,纸板式锌锰电池的结构特点,电解液：20%35%ZnCl2，添加NH4Cl以减少极化。此外，还添加缓蚀剂，以抑制锌的腐蚀。以往用面粉或玉米淀粉作糊层或浆层纸的浆料，现已使用变性淀粉改善防漏性能，提高放电性能。负极：锌含有少量铅（0.3%0.5%）和镉（0.2%0.3%），前者改善其延展性，后者可提高其强度，并可提高锌电极上的氢过电位。为减少锌的腐蚀，常使锌表面汞齐化，并严格控制镍、铁、铜等杂质的含量。,正极集流体：碳棒，由石墨和沥青（酚醛树脂）制成。为防止碳棒孔滤过多，要把碳棒在真空中浸蜡碳棒的电阻一般在3 5 m之间。密封剂：目前所用密封剂主要

12、是沥青，加入少量石蜡与树脂，也有塑料封口的。必须保证60 70 oC下保持不变形，而且有良好的气密性。外壳：纸壳、金属壳、塑料三种，但只有生产廉价电池才用纸壳。结构形式：常用的锌锰干电池有圆筒式和迭层式两种。,圆筒式锌锰电池的结构1-铜帽；2-垫圈；3-碳棒；4-锌筒；5-电解液淀粉；6-垫片；7-正极碳包；8-绵纸；9-硬壳纸；10-空气室；11-封口剂；12-胶纸盖。,迭层式锌锰电池的结构1-炭饼；2-浆纸层；3-锌片；4-导电膜；5-塑料套；6-导线。,干电池在高温及潮湿环境下贮存，自放电较为严重，主要是负极锌腐蚀引起。在低温下贮存自放电较小，但如果密封不好使氧气进入电池，则自放电加剧。

13、因自放电而产生的氢气积累到一定程度会发生气胀或漏液，这是应该防止的。,碱性锌锰电池与锌锰干电池相比，放电性能和贮存性能都更好。比能量高于锌锰干电池，价格虽然较贵，但可较好地满足使用要求。因此20世纪60年代以来得到迅速发展，而且已大量生产。碱性锌锰电池所使用电极活性物质与普通锌锰干电池相同，但其电解液则是KOH溶液。KOH液较之NH4Cl、ZnCl2液有强得多的导电能力，反应机理也与干电池不同。,7.2.2 碱性锌锰电池,（-）Zn|KOH（aq）|MnO2|C（+）负极：Zn（s）+2OH-（aq）=ZnO（s）+H2O+2e正极：MnO2（s）+2H2O（aq）+2e=Mn（OH）2+2O

14、H-（aq）电池反应：MnO2（s）+Zn（s）+H2O=ZnO+Mn（OH）2,由于锌箔在碱液中极易钝化，故不能像干电池那样采用锌筒作负极。锌粉有足够大的表面积，在碱液中也不易钝化，是碱锰电池负极较为合适的材料。负极这一差别使碱锰电池的结构与干电池大不相同。,圆筒形碱锰电池的结构,R20型锌锰电池外接2.25 电阻时的放电曲线。,碱锰电池的开路电压约为1.52，工作电压约为1.25 V。电池内阻小，在快速放电时能提供足够的容量，而且在低温（-21 C）下，其放电容量相当于干电池室温下的容量。放电曲线相当平坦，放电到终止电压（0.9 V）时，放电量明显高于其他锌锰电池。贮存性能相当好，20 C

15、时自放电率低于0.8%，一年后还能保持90%以上的容量，甚至4年后仍有80%的容量。,7.3.1 铅酸蓄电池7.3.2 镉镍电池7.3.3 镍氢电池7.3.4 锂电池与锂离子电池,7.3 二次电池,二次电池综述,二次电池放电后，可以反向充电，使活性物质再生，恢复到放电前的状态，故可以重复使用，所以它是一种电能储存器。日常生活中常见的二次电池：铅蓄电池；镍镉二次电池；镍氢二次电池；锂离子二次电池；导电聚合物二次电池等（如聚乙炔/Li电池，输出功率是铅酸电池的30倍，无酸雾和氢气，既安全又易操作）。,铅蓄电池（1859年问世）是工业用蓄电池的一种，已有152年的历史。由于它的原材料来源丰富，价格低廉，可循