化学电源原理

1、化学电源原理 夏 朝 阳 2012 年 4 月20日 1 博士读书报告（一） 参考书目参考书目 1.化学电源原理、技术与应用，陈军, 陶占良, 苟兴龙， 化学工业出版社, 2006 2.新型化学电源技术概论，李国欣，上海科学技术出版社, 2007 3.锂离子电池原理与关键技术，黄可龙, 王兆翔, 刘素琴， 化学工业出版社, 2008 4.燃料电池发电系统，许世森, 程健，中国电力出版社, 2006 2 主要内容主要内容 第一章 化学电源概述 第二章 电池基本参数 第三章 锂离子电池 第四章 燃料电池 第五章 浓差电池 3 构成化学电源的必要条件构成化学电源的必要条件 化学电源涉及到的化学反应为

2、氧化还原反应，或者在整个 反应过程中经历了氧化还原作用 。 进行氧化还原反应时，电子只能通过外线路传递，而不能 在化学电源内部进行。否则在电源内形成闭合回路，变成 短路状态 。 化学电源中进行的反应必须是自发进行的。电池反应能否 进行，以及进行的趋势如何，取决于反应体系的吉布斯自 由能变化 。 两电极间必须要有离子导电性的电解质，提供电池内部离 子导电 4 化学电源组成化学电源组成 化学电源都由五个部分组成 ， 即正极 、 负极 、 电解质 、 隔膜 和外壳。 电极：电极 （包括正极和负极） 是电池的核心部分，它的主要成分 是活性物质，其次是导电骨架等辅助成分，也可能含有一些添加剂。 电解质：

3、在电池内部担负着在正负极之间传递电荷的作用 ， 所以通 常选用具有高离子导电性的物质 。 隔膜：置于电池两极之间，其作用是防止正负极活性物质直接接触而 造成电池内部短路，并使正负极之间尽可能保持小的距离,使电池具 有较小内阻 。 外壳：电池的容器，电池的外壳需要有良好的机械强度，抗震动，耐 冲击，并能耐高低温变化和电解液的腐蚀等。 5 化学电源分类化学电源分类 化学电源的工作性质及使用特征，可分为一次电池、二次电池、贮备电池和燃 料电池四种类型： 一次电池 ： 即原电池，是一种随着化学变化体系的自由能减少，并将这 些减少的自由能直接转换成电能输出的装置。 二次电池：也称为蓄电池或贮能电池电池在

4、工作时 ， 在两极上进行的反 应均为可逆反应。因此可用充电的方法使两极活性物质恢复到初始状态， 使电池得以再生，充电和放电能够反复多次，循环使用 。 贮备电池：一种特殊的一次电池，其正负极活性物质和电解质在贮存期间 不直接接触，直到使用时才借助动力源作用于电解质，使电池激活，所以 这种电池也称为激活电池。 燃料电池：又称为连续电池，它的特点是正负极本身不包含活性物质 ， 其活性物质贮存在电池体系之外 ，只要将活性物质连续地注入电池，电池 就能够持续不断地放电。 6 主要内容主要内容 第一章 化学电源概述 第二章 电池性能参数 第三章 锂离子电池 第四章 燃料电池 第五章 浓差电池 7 电动势电

5、动势 电池在断路条件下，正负极间的平衡电势之差，即为电池的电动势。 若电池中所有物质都处于标准状态，则电池的电动势就是标准电动势， 其值等于正、负极标准电极电势之差。电池电动势的大小由电池中进 行的反应性质和条件决定，与电池的形状、尺寸无关。电动势是电池 产生电能的推动力，电动势愈高的电池。理论上输出的能量就愈大。 电动势计算方法有两种： 直接由电池反应计算电池的电动势：E = G/nF ，其中G为反应的 吉布斯自由能。 电极电势计算电池电动势： E = +- ，其中+为正极电势， - 为负极电势。 8 容量和比能量容量和比能量 理论容量理论容量。系指根据参加电化学反应的活性物质电化 当量数计

6、算得到的电量。 额定容量额定容量。系指在设计和生产电池时，规定或保证在 指定的放电条件下电池应该放出的最低限度的量。 实际容量实际容量。系指在一定的放电条件下 ， 即在一定的 放电电流和温度下，电池在终止电压前所能放出的电 量 。 电池的输出能量电池的输出能量是指在一定的放电条件下电池所能做 出的电功，它等于电池的放电容量和电池平均工作电 压的乘积。 9 开路电压、充放电电压和内阻开路电压、充放电电压和内阻 开路电压：开路电压：无负荷情况下的电池电压。开路电压不等于电池的电动势 ， 它通常接近电池的电动势，但总是小于电动势 。 充电电压充电电压：仅对二次电池充电而言：为充电时该二次电池的端电压

7、 。 放电电压放电电压：电池处于工作状态时的端电压。 内内 阻阻：为欧姆内阻和极化内阻之和 。欧姆内阻， 它包括电解液的 欧姆电阻、电极上的固相欧姆电阻和隔膜的电阻。极化内阻，是指电池工 作时正极和负极的极化引起的阻力所相当的欧姆阻抗 。 10 放电曲线放电曲线 电池的容量与电池的放电条件有极大的关系。所谓放电条件，主要是指 放电电流强度（放电倍率 ）、放电形式、放电终压和放电温度。 电池的工作电压 随时间变化的曲线。电压下降到不宜继续放电的最 低工作电压称为终止电压。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。 根据电池的放电曲线，通常可以确定电池的放电性能和电池的

8、容量。通 常电池的放电曲线越平坦、稳定、电池的性能就越好。 11 12 13 影响电池容量的因素影响电池容量的因素 14 温度和放电电流对电池容量的影响温度和放电电流对电池容量的影响 15 16 放电时率和放电倍率放电时率和放电倍率 17 循环寿命循环寿命 18 影响循环寿命的因素影响循环寿命的因素 19 电池贮存性能和自放电电池贮存性能和自放电 20 发生自放电的原因发生自放电的原因 21 22 主要内容主要内容 第一章 化学电源概述 第二章 电池性能参数 第三章 锂离子电池 第四章 燃料电池 第五章 浓差电池 23 锂离子电池特点锂离子电池特点 24 锂离子电池组成锂离子电池组成 25 工

9、作原理工作原理 26 锂离子电池电压锂离子电池电压 27 28 正极材料正极材料 29 负极材料负极材料 30 电解液电解液 31 32 应用前景应用前景 33 34 主要内容主要内容 第一章 化学电源概述 第二章 电池性能参数 第三章 锂离子电池 第四章 燃料电池 第五章 浓差电池 35 燃料电池特点燃料电池特点 36 37 燃料电池类型燃料电池类型 38 燃料电池工作原理燃料电池工作原理 39 燃料电池系统燃料电池系统 40 碱性燃料电池（碱性燃料电池（AFCAFC） 41 磷酸型燃料电池（磷酸型燃料电池（PAFCPAFC） 42 熔融碳酸盐燃料电池（熔融碳酸盐燃料电池（MCFCMCFC）

10、 43 固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SOFCSOFC） 44 主要内容主要内容 第一章 化学电源概述 第二章 电池性能参数 第三章 锂离子电池 第四章 燃料电池 第五章 浓差电池 45 浓差电池的形成浓差电池的形成 46 47 浓差电池的应用-氧传感器 48 随着汽车工业的迅速发展，由汽车尾气中的废气引起的空气污染问题越 来越引起人们的关注 在汽车尾气控制系统中引入固体电解质氧传感器，可有效降低空气污染 并提高汽车的燃油效率 氧传感器的结构及响应原理-电势型 49 结构：结构： PO2 (ref), Pt|Y2O3-ZrO2 |Pt, PO2 (test) 半反应：半反应： 4e- + O2(test) 2O22- 2O22- 4e- + O2(ref) 能斯特方程：能斯特方程： )(2 )(2 ln 4 test ref O O P P F RT E 氧传感器的结构及响应原理-电流型 氧