应用电化学课件第三章化学电源

1、上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六1化学电源上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六2化学电源化学电源 参考书：参考书：1. 化学电源化学电源 吕鸣祥等编著，天津大学出版社，吕鸣祥等编著，天津大学出版社， 1992.9 2. 铅酸蓄电池的原理与制造铅酸蓄电池的原理与制造卢国琦等编著，国防工业卢国琦等编著，国防工业出版社，出版社，19983. 铅酸蓄电池技术铅酸蓄电池技术朱杜然等编著，机械工业出版社朱杜然等编著，机械工业出版社,19

2、884. 化学电源导论化学电源导论张文保等编著，上海交大出版社，张文保等编著，上海交大出版社，1992上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六3一.化学电源的发展化学电源是将物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置。1859 年 普朗克（pantle） 试制成功化成式铅酸电池1868 年 勒克朗谢（lelanche）研制成功以nh4cl 为电解液的zn-mno2 电池1888 年 加斯纳（gassner）制出了zn-mno2 干电池1895 年 琼格（junger）发明cd-ni 电池1900 年 爱迪生（e

3、dison）创制了fe-ni 蓄电池上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六4二十世纪四、五十年代以后电池发展更加迅速60 年代：“双子星座”和“阿波罗”飞船应用培根h2-o2 燃料电池70 年代：中东战争 能源危机 燃料电池、钠硫电池、锂硫化铁电池得到广泛发展80 年代：贮氢材料的突破 氢镍电池90 年代：嵌入化合物 锂离子电池上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六5二.化学电源的应用：航空航天飞行器：飞机、人造卫星、宇宙飞船等；机

4、动车辆：启动、点火、照明、动力；大型发电站：调解电站；医院、邮电通讯部门：应急电源；便携式电子产品：移动电话、摄像机、手提电脑等。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六6 三. 电池的发展规律 电池的发展与新型电器的开发和应用密切相关 。世纪年代后各种低压电器的普及，特别是半导体收音机的出现带动了干电池的发展。年代半导体的广泛应用，促进了纸板电池的发展。年代以后，、和计算机的出现，促进了电池的微型化。 年代以后，随着移动电话的出现，-电池逐渐完善和商品化，并出现了高能量密度锂离子电池。 上一内容下一内容回主目录o

5、返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六7材料的开发利用大大促进了电池的进步 碱锰电池的改进得益于电解二氧化锰，而吸氢材料促进了-电池的兴起。锂离子电池的开发有赖于碳素的研究，而导电聚合物材料的研究很有可能大大改变固态电解质电池的面貌。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六8环保问题为电池的发展提出了新的要求 一次电池的大量使用造成了资源的浪费，为了节约资源，世纪年代研究的重点是可重复使用的二次电池，原有的一次电池也向二次电池转向。为了保护环境及人体的健康，禁

6、止在电池中使用有害元素，尽管-电池性能优异，而且技术不断成熟，却开发了取代它的-电池。汽车工业中大量使用的铅酸电池已经实现了密闭化和免维护。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六9为了应对未来可预料的能源危机和减少汽车尾气污染，新型清洁电动汽车的研究成为全世界科学工作者注目的焦点，目前已取得很大的进展。例如国外已经开发出使用锌空气电池的微型汽车，一次充电可行驶里程已达；而使用燃料电池，据称驱动座小车最高时速可达以上，持续行驶超过。 上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电

7、源基本知识2021年11月13日星期六10随着各种便携性电子设备的广泛应用，电池的需求量正在飞速增长，同时电池的性能也不断地提高和完善。世纪年代，工业（计算机、移动电话、摄像机和无线电动工具）的普及，日常生活对电池的需要已经到了须臾不可分离的地步。因此有人预测，高性能电池工业将是世纪最有前景的产业，因此电池的发展必须能赶上电器用具的发展。现在各种形状、各种规格、性能各异的电池在日常生活和生产的各个领域发挥着不可替代的作用。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六11四四. 化学电源基本知识化学电源基本知识1.1化学

8、电源的组成化学电源的组成 化学电源是一种能把化学能直接转化为电能的装置，化学电源是一种能把化学能直接转化为电能的装置，通常被称为电池。在实现化学能通常被称为电池。在实现化学能 转变为电能的过程中，必转变为电能的过程中，必须具备以下条件：须具备以下条件：2. 化学变化过程中电子的传递，必须经过外回路。化学变化过程中电子的传递，必须经过外回路。3. 两极之间应具有离子导电性物质两极之间应具有离子导电性物质电解质。所以，电解质。所以，1. 在化学反映的过程中，电子的得失，必须分别在两个在化学反映的过程中，电子的得失，必须分别在两个不同的区域进行，即失电子氧化在负极，得电子还不同的区域进行，即失电子氧

9、化在负极，得电子还原在正极。原在正极。一个电池不可缺少的组成部分应有：正极，负极，电一个电池不可缺少的组成部分应有：正极，负极，电解质，隔膜，电池外壳及其它配件。解质，隔膜，电池外壳及其它配件。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六12 例如铅酸蓄电池：正极例如铅酸蓄电池：正极pbo2，负极，负极pb，电解质，电解质，h2so4，在工作时电极上发，在工作时电极上发 生如下反应：生如下反应： 由上由上 可知，铅酸蓄电池工作时，两极间的导电离子是可知，铅酸蓄电池工作时，两极间的导电离子是h+和和so42-，电子从，电

10、子从pb负极通过外回路流入负极通过外回路流入pbo2正极，只要在两正极，只要在两个电极和电解质溶液界面上不断地进行氧化还原反应，则在外个电极和电解质溶液界面上不断地进行氧化还原反应，则在外回路中就不断地有电流流过。另外，在电极上参加反应的物质回路中就不断地有电流流过。另外，在电极上参加反应的物质通常也叫活性物质。通常也叫活性物质。22442222(pbo hsohepbsoho还 原 ）负极：负极：正极：正极：总反应：总反应：24422 (pbh sopbsohe氧化）22442222pboh sopbpbsoh o上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化

11、学电源基本知识2021年11月13日星期六13 对于实用的电池来说，除了正极，负极和电解质外，对于实用的电池来说，除了正极，负极和电解质外，还有隔膜，电池外壳及其它一些配件。例如接线柱，汇流还有隔膜，电池外壳及其它一些配件。例如接线柱，汇流排（见下图），电池各部分的作用为：排（见下图），电池各部分的作用为：1. 正极和负极正极和负极 正极和负极的作用是参加电化学正极和负极的作用是参加电化学反应和导电。负极通常都是由电位较反应和导电。负极通常都是由电位较负的金属承担。如：负的金属承担。如：zn、mn、al、cd、fe。它们本身都是还原剂，。它们本身都是还原剂，在放电过程中被氧化，所以电池的负在放

12、电过程中被氧化，所以电池的负极也就是阳极；正极通常是采用电位极也就是阳极；正极通常是采用电位较正的金属或其它氧化物，例如较正的金属或其它氧化物，例如mno2、pbo2。它们都是氧化剂，。它们都是氧化剂，在放电的过程中被还原，放电时电池在放电的过程中被还原，放电时电池的正极也是阴极。的正极也是阴极。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六142. 电解质电解质 它有两个作用，一是参加电化学反应；二是保证电池它有两个作用，一是参加电化学反应；二是保证电池内部电极间的导电，这种导电与外回路不同，它是离子导内部电极间的导电

13、，这种导电与外回路不同，它是离子导电。电。 对有些电池而言，电解质只是参加电池反应的中间过对有些电池而言，电解质只是参加电池反应的中间过程，而其本身并不消耗（程，而其本身并不消耗（zno2电池中的电池中的hoh)，但有些，但有些电池却要消耗电解质（铅酸蓄电池中的电池却要消耗电解质（铅酸蓄电池中的h2so4)。在设计电。在设计电池时应注意到。池时应注意到。3. 隔膜隔膜 隔膜的作用是防止正负极活性物质的直接接触，否则隔膜的作用是防止正负极活性物质的直接接触，否则造成短路。隔膜的好坏对电池的质量影响很大，对隔膜通造成短路。隔膜的好坏对电池的质量影响很大，对隔膜通常有如下要求：常有如下要求：上一内容

14、下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六15（1）内阻小）内阻小（2）能阻挡脱落的活性物质透过）能阻挡脱落的活性物质透过（3）能耐电解质溶液的腐蚀，及电极氧化剂的氧化）能耐电解质溶液的腐蚀，及电极氧化剂的氧化（4）来源丰富，价格低廉）来源丰富，价格低廉4. 电池外壳电池外壳电池外壳作为容器，应耐腐蚀，且具有一定的强度。电池外壳作为容器，应耐腐蚀，且具有一定的强度。1.2 化学电源的分类：化学电源的分类：化学电源分类的方法很多，通常有如下几种：化学电源分类的方法很多，通常有如下几种：1.按电池的工作性质分类：按电池的工作性质

15、分类： （1）原电池（一次电池）：这种电池中的活性物质消）原电池（一次电池）：这种电池中的活性物质消上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六16耗后，即失去了工作能力，也就是说这种电池只能使用一耗后，即失去了工作能力，也就是说这种电池只能使用一次。例如：次。例如：znmno2，mgagcl等电池。等电池。（2）蓄电池（二次电池）蓄电池（二次电池） 该电池中的活性物质消耗后，可进行充电使其恢复，该电池中的活性物质消耗后，可进行充电使其恢复，电池得到再生，使电池能够反复使用。例如铅酸蓄电池，电池得到再生，使电池能够反复

16、使用。例如铅酸蓄电池，ohni电池，电池，agzn电池等。电池等。2. 按电解质的性质可将电池分为以下三类：按电解质的性质可将电池分为以下三类：（1）碱性电池（电解质为碱性，）碱性电池（电解质为碱性，naoh,koh) 例：例：cdni（2）酸性电池（电解质为酸性，）酸性电池（电解质为酸性，h2so4)例：铅酸电池例：铅酸电池（3）中性电池（电解质为中性，）中性电池（电解质为中性，nh4cl,hgcl2)例例:znmno2上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六17 随着科学技术的发展，目前又出现了有机电解质电池，

17、随着科学技术的发展，目前又出现了有机电解质电池，固体电解质电池，胶体电解质电池等等。固体电解质电池，胶体电解质电池等等。 由于化学电源的发展较快，上述的分类不能明确地反映由于化学电源的发展较快，上述的分类不能明确地反映化学电源的全貌，目前常用的分类方法是把化学电源分为四化学电源的全貌，目前常用的分类方法是把化学电源分为四类：类：（1）原电池）原电池（2）蓄电池）蓄电池（3）储备电池：该电池在存放期间不加电解质溶液，在使）储备电池：该电池在存放期间不加电解质溶液，在使用时临时加入电解质活化。例如：用时临时加入电解质活化。例如：zno2电池电池（4） 燃料电池：是一种能连续地把燃料的化学能变为电燃

18、料电池：是一种能连续地把燃料的化学能变为电能的装置。即只要连续不断地将燃料（反应物）或电解质能的装置。即只要连续不断地将燃料（反应物）或电解质通如电池中，电池就能连续不断地反应而产生电能。例如：通如电池中，电池就能连续不断地反应而产生电能。例如：h2o2燃料电池。燃料电池。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六18 需要说明的是：以上的分类并不是绝对的，随着科需要说明的是：以上的分类并不是绝对的，随着科学技术的发展，有些电池体系往往学技术的发展，有些电池体系往往 可以设计成多种不同可以设计成多种不同的电池。例如：

19、在碱性溶液中，由锌和空气构成的电池的电池。例如：在碱性溶液中，由锌和空气构成的电池体系。它根据需要就可以做成：体系。它根据需要就可以做成：1. zno2(c) 一次电池一次电池2. zno2(c) 二次电池二次电池3. zno2(c) 储备电池储备电池4. zno2(c) 燃料电池燃料电池1.3 描述电池性能的主要参数及对参数的影响因素描述电池性能的主要参数及对参数的影响因素 对于一个实用化的电池，有多方面的性能参数要求。例如对于一个实用化的电池，有多方面的性能参数要求。例如电池的电压、内阻、容量与比容量、能量与比能量、功率与比电池的电压、内阻、容量与比容量、能量与比能量、功率与比功率以及电池

20、的贮存性能和循环寿命等功率以及电池的贮存性能和循环寿命等 。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六191.电池的电动势及开路电压电池的电动势及开路电压 电池在开路时，即没有电位通过的情况下，正负极的平电池在开路时，即没有电位通过的情况下，正负极的平衡电位之差，就是该电池的电动势。它的大小取决于电池的衡电位之差，就是该电池的电动势。它的大小取决于电池的本性及电解质的性质与活度，而与电池的几何结构等无关。本性及电解质的性质与活度，而与电池的几何结构等无关。即：即：假设电池的正负极反应为：假设电池的正负极反应为：e平平

21、aaneccbbnedd正极：负极：上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六20lncdcdababrtnfa aea a平平ge=-nf则：则：e 平平000正负正负（g ） （g ）g=-nfnf 由此可以明确地看出，若正极的电位越正，负极的电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。位越负，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，

22、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。动势。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六21其中以其中以li的电位为最负：的电位为最负：平=-3.045vlieli(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：2-f +2e2f平=2.87v 若做成锂氟电池若做成锂氟电池 ，其电动势可，其电动势可达达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。222liflif 应

23、当注意的是，在选择电极活性物质时，不能只看应当注意的是，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（平衡电位数值的高低，还要看（1）它在介质中的稳定）它在介质中的稳定性（性（2）材料来源（）材料来源（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，它具有很高的电动势，但由于若组成电池，它具有很高的电动势，但由于li只只适用与非水溶剂电解质，适用与非水溶剂电解质，f2是活性的气体，不易储存和是活性的气体，不易储存和上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六22和控制，因

24、而由单质和控制，因而由单质li与与f2组成电池也是不切合实际的。组成电池也是不切合实际的。 一般的化学电源都是采用水溶性电解质。在电位较负的一般的化学电源都是采用水溶性电解质。在电位较负的金属中，以锌、铅、镉、铁最为常用。因在相应的电解质中金属中，以锌、铅、镉、铁最为常用。因在相应的电解质中具有较好的耐腐蚀性，在电位较正的活性物质中，常用的有具有较好的耐腐蚀性，在电位较正的活性物质中，常用的有二氧化锰、二氧化铅、氢化镍、氧化银等，它们在水溶液中二氧化锰、二氧化铅、氢化镍、氧化银等，它们在水溶液中都很稳定，溶解度小，材料来源广。都很稳定，溶解度小，材料来源广。 在以上所讨论的电动势是指体系达到热

25、力学平衡后的在以上所讨论的电动势是指体系达到热力学平衡后的电动势。但实际上有许多电极体系在水溶液中，即使开路电动势。但实际上有许多电极体系在水溶液中，即使开路时，也达不到热力学上的平衡状态。例如：锌锰干电池：时，也达不到热力学上的平衡状态。例如：锌锰干电池： 42( )zn nh clzncl mnl电极与溶液的界面上也可能发生其它的共轭反应。电极与溶液的界面上也可能发生其它的共轭反应。，即使在没有负荷的情况下，在，即使在没有负荷的情况下，在上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六23在负极上可能存在的反应：在负极

26、上可能存在的反应：在正极上可能存在的反应：在正极上可能存在的反应：22znzne222znh oznohe222()22znh ozn ohhe43222()22znnh clzn nhclhe（主要）（1）22mnoh oemnoohoh222422mnohemnh o222322mnoznemn ozno（2） 由此可以看出由此可以看出1.2两式并不能反映电池的真实电动势大两式并不能反映电池的真实电动势大小，但在开路时，电极上小，但在开路时，电极上 建立的仍是稳定电位。该电位的建立的仍是稳定电位。该电位的上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基

27、本知识2021年11月13日星期六24数值往往是不同于平衡电位的，一般都是小于平衡电位。习数值往往是不同于平衡电位的，一般都是小于平衡电位。习惯上把开路时所测得的稳定电位的电压称为开路电压。惯上把开路时所测得的稳定电位的电压称为开路电压。2. 电池的工作电压和放电曲线电池的工作电压和放电曲线（1）工作电压：当电池有电流通过时，这时正、负极）工作电压：当电池有电流通过时，这时正、负极 由于电流通过电池回路时使电极产生电极极化和欧姆由于电流通过电池回路时使电极产生电极极化和欧姆极化，这时的工作电压总是低于电动势。即：极化，这时的工作电压总是低于电动势。即：两端的电位差，即为工作电压（放电电压）。两

28、端的电位差，即为工作电压（放电电压）。vir放 ， 分别为电流通过正，负极时的工作电位。分别为电流通过正，负极时的工作电位。 i为放电电流为放电电流 r为电池内阻。为电池内阻。影响工作电压的因素：影响工作电压的因素：上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六251. 放电时间放电时间 一般放电时间长，电压低一般放电时间长，电压低2. 放电流密度放电流密度 一般放电流密度大，电压低一般放电流密度大，电压低3. 放电深度放电深度 一般放电深度低，电压低一般放电深度低，电压低（2）放电曲线）放电曲线 若在指定负载若在指定负

29、载和温度下放电时，和温度下放电时，把电池的电压随时把电池的电压随时间的变化作图，就间的变化作图，就可以得到电池的放可以得到电池的放电曲线。电曲线。图图12 电池的电池的 放电曲图线放电曲图线上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六26 根据电池的放电曲线，通常可以确定电池的放电性能和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容量电池的容量1. 通常电池的放电曲线越平坦、稳定、电池的性能就越好通常电池的放电曲线越平坦、稳定、电池的性能就越好2. 电池的容量大小电池的容量大小 注意：放电时间的长短，取决于放

30、电的终止电压（不宜注意：放电时间的长短，取决于放电的终止电压（不宜再继续放电的电压）。通常放电电流大时，终止电压可低再继续放电的电压）。通常放电电流大时，终止电压可低些，放电电流小时，终止电压可高些。些，放电电流小时，终止电压可高些。 当衡量电池的电压特性时，常用平均工作电压来表示：当衡量电池的电压特性时，常用平均工作电压来表示：上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六27图131nivvn平ni测定电压的次数 我们知道，若用我们知道，若用 、 分别表示正、负极的过分别表示正、负极的过电位，则电池的工作电压也可表示

31、为：电位，则电池的工作电压也可表示为：veir电动势上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六28 对原电池的电压电流特性与电极极化曲线，欧姆电压降对原电池的电压电流特性与电极极化曲线，欧姆电压降的关系可用下图表示：的关系可用下图表示：图图14. 电位变化与时间的关系电位变化与时间的关系a 电池的电压随时间电池的电压随时间变化的曲线变化的曲线 正极极化曲线正极极化曲线 负极极化曲线负极极化曲线上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六29（

32、3）电池的容量）电池的容量 电池的容量是指电池放电时所能给出的电量（电池的容量是指电池放电时所能给出的电量（ah)。电池的容量通常分为：电池的容量通常分为：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。第定律计算出的电量。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，求克，求锌电极的理论容量？锌电极的理论容量？电极反应：电极反应：22z nez n上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学

33、电源基本知识2021年11月13日星期六30 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（96500/3600s=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，理论上所能产生的电量应为：克的锌，理论上所能产生的电量应为：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，故我们又的电量，故我们又可以得到：可以得到： 从反应式知锌的反应电子数为从反应式

34、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32.69克/26.8ah=1.22克/ah上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六31 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克的锌或克的锌或消耗消耗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。有了电化当量，对理论电量

35、的计称为该物质的电化当量。有了电化当量，对理论电量的计算更为方便了。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（一定沉实际容量指在一定的放电制下（一定沉度，一定的电流密度和终止电压），电池所能给出的电量。度，一定的电流密度和终止电压），电池所能给出的电量。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六32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

36、不断变化的，故是不断变化的，故qr要通过积分要通过积分的方法计算：的方法计算：iq =i t(ah)00011tttrvqidtdtvdtv trrr平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。一个电池上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六33的实际容量往往小于其理论容量，这主要是由于活

37、性物质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，不能达到的利用率低，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，若的电量，若实际上用了实际上用了20克，则克，则:13.5/20=67.5%活性物质利用率的高低与以下因素有关：活性物质利用率的高低与以下因素有关：（1）与其

38、本身的活性物质有关，自身的活性高，利用率就高）与其本身的活性物质有关，自身的活性高，利用率就高上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六34（2）与放电机制有关，（即与放电电流密度有关）与放电机制有关，（即与放电电流密度有关）（3）与电池的结构有关）与电池的结构有关（4）与放电深度有关）与放电深度有关 图图15：温度对锌：温度对锌氧化汞电池容量的影响氧化汞电池容量的影响 图图16：铅酸电池的容量与：铅酸电池的容量与电流密度的关系电流密度的关系例如：例如：上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学

39、电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六35 由图由图15 可看出，温度降低，电池的容量下降，这是由可看出，温度降低，电池的容量下降，这是由于当温度下降时造成了：于当温度下降时造成了： 图图16 所示为铅酸电池的容量随电流密度的变化图。由所示为铅酸电池的容量随电流密度的变化图。由图可知，随电流密度的提高，电池的容量下降。这是由于当电图可知，随电流密度的提高，电池的容量下降。这是由于当电流密度上升时，导致电极极化增加，消耗在欧姆内阻上的流密度上升时，导致电极极化增加，消耗在欧姆内阻上的1. 反应物扩散困难；反应物扩散困难；2. 电解液内阻增大，电极易钝化。电解液内阻增大，电极易钝

40、化。能量也增加，使电池的容量下降，活性物质的利用率降低。能量也增加，使电池的容量下降，活性物质的利用率降低。另外，所谓放电制（放电率）是表示放电电流的大小。即：另外，所谓放电制（放电率）是表示放电电流的大小。即： 放电率放电率=q电池的额定容量电池的额定容量(ah)/i放电时间放电时间(h)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5小时放电，则小时放电，则:i放电电流放电电流=10ah/5h=2a上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六364. 电池的能量电池的能量 电池的能量：指电池在一定的

41、放电条件下，所能给出电池的能量：指电池在一定的放电条件下，所能给出的能量，通常用瓦的能量，通常用瓦时（时（wh)表示表示电池的能量分类为：电池的能量分类为：（1）理论能量：从热力学上看，电池的理论能量等于可逆）理论能量：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：（2）电池的实际能量：）电池的实际能量：2.恒电阻放电时恒电阻放电时()wgnfeq e wh 理电1.恒电位放电时恒电位放电时0tiwivdttv t平22001ttivwivdtdtv trr平上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知

42、识2021年11月13日星期六37（3）比能量）比能量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 总之：在评定电池的质量或是在开发新的电源时，对电池总之：在评定电池的质量或是在开发新的电源时，对电池的比能量是常常需要考虑的一个指标。以下就对电池比能量的比能量是常常需要考虑的一个指标。以下就对电池比能量的理论重量比能量和实际重量比能量再做进一步的说明：的理论重量比能量和实际重量比

43、能量再做进一步的说明： a. 理论比能量：是指理论比能量：是指1kg电池反应物质反应完全后，理电池反应物质反应完全后，理b. 实际比能量是：指实际比能量是：指1kg电池反应物质在实际放电时所能电池反应物质在实际放电时所能论上所能给出的电能。论上所能给出的电能。给出的电能。给出的电能。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六38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

44、两个法拉第的电量，如果642.6克物质都克物质都能全部反应，则就能产生能全部反应，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：22442222pbpboh sopbsoh om=207.2（pb）239.2(pbo2)298.08(h2so4) =642.6克克(2/4)1.685pbopbsov正(4/)0.355pbsopbv 负上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六39所以：所以：2.04ev正负 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

45、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，故其电动势参加了反应，故其电动势与与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给出了一些电池的理论比能量和实际比能量。见下表：能量。见下表：得到得到上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六40电池电池反

46、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） 135010025022442222pb pbohsopbsoho222222 ()()c d n io o h hon io hc do h222222 ()()fen io o hhon io hfeo h22agoznag ozno第一段：22ag oz

47、nagzno第二段：222a g oz na gz n o2243222()znm non hc lm no o h znn h c l122z noz n o上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六41 从表中的数据可以看出，电池的实际比能量都要比理从表中的数据可以看出，电池的实际比能量都要比理论值低的多，这是由于除了电池活性物质的利用率不可能论值低的多，这是由于除了电池活性物质的利用率不可能达到达到100%外，在电池中还有其它的辅助部件所致（电解液、外，在电池中还有其它的辅助部件所致（电解液、集流体、外壳集流体

48、、外壳）5.电池的功率电池的功率 在一定的放电制下，单位时间内电池所能给出的在一定的放电制下，单位时间内电池所能给出的能量，称为电池的功率（能量，称为电池的功率（w，kw)。 单位重量或单位体积电池输出的功率，称为电池单位重量或单位体积电池输出的功率，称为电池的比功率（的比功率（w/kg，w/l). 比功率是电池的重要性能之一。一个电池的比功率越大，比功率是电池的重要性能之一。一个电池的比功率越大，表示它可以承受的放电电位越大，或者说其可以在高倍率下表示它可以承受的放电电位越大，或者说其可以在高倍率下放电。放电。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电

49、源基本知识2021年11月13日星期六42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若设若设r外外为电路的电阻为电路的电阻, r内内表示电池的内阻表示电池的内阻, 则上式可写作：则上式可写作：(pi irir22理外外内内）=ie=i r +i r 上式中的第一项为有用功率上式中的第一项为有用功率p有有。第二项的功率则是消耗在。第二项的功率则是消耗在电池内部的发热上，而不能利用。所以通常将电池内部的发热上，而不能利用。所以通常将由由p有有=i2r外外可知，外电阻对可知，外电阻对k，p有有，p有影响有影响pkp有理称为功率利用系数。称为功率利用系数。 由图可知，若

50、增大由图可知，若增大r外，会提高功率的利用率，使总外，会提高功率的利用率，使总功率中消耗于电池内部发热发热的那一部分减少。但是，功率中消耗于电池内部发热发热的那一部分减少。但是，上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六43当当r外增大时，工作电流外增大时，工作电流i 将减少，有用功率的数值就将将减少，有用功率的数值就将减少，因而就存在一个减少，因而就存在一个r外外最佳值问题。最佳值问题。图图17. 外电阻对外电阻对k，p有有，p的影响的影响上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识

51、化学电源基本知识2021年11月13日星期六442piepi r有有内2piei r有内2dpeirdi有内因要想有极大值，只需使因要想有极大值，只需使 。即：。即：0d pd i有20eir内22ei ri r外内即：即：2220i ri rir外内内0rr外内上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六450rr外内上式表明：当外电阻等于内电阻时，电池的有用功率可达最大。上式表明：当外电阻等于内电阻时，电池的有用功率可达最大。 另外，从电池的本身来看，电池的反应物活性高，电另外，从电池的本身来看，电池的反应物活性高

52、，电极中有良好的电解液通道。电池的欧姆内阻小，电池的比极中有良好的电解液通道。电池的欧姆内阻小，电池的比功率就大，也就是说欲提高电池的比能量的途径是一样的。功率就大，也就是说欲提高电池的比能量的途径是一样的。即电池的比功率和比能量具有一定的联系，也有一定的矛即电池的比功率和比能量具有一定的联系，也有一定的矛盾。因此比功率和比能量都与放电率有关。即盾。因此比功率和比能量都与放电率有关。即p=ie ， w=qe。高放电率放电：电池的比功率增大，而比能量下降高放电率放电：电池的比功率增大，而比能量下降低放电率放电：电池的比功率下降，而比能量上升。因低放电率放电：电池的比功率下降，而比能量上升。因在小

53、电流放电时，活性物质的利用率提高。在小电流放电时，活性物质的利用率提高。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六46下图（下图（18）所示是几种物质的比能量和比功率的关系。）所示是几种物质的比能量和比功率的关系。图（图（18）. 几种物质的比能量和比功率的关系几种物质的比能量和比功率的关系1. znhg电池电池2. znmn电池电池3. znag电池电池5.铅酸蓄电池铅酸蓄电池4. 无极板盒无极板盒zncd电池电池上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年

54、11月13日星期六47 另外需说明的是，即使是同一种电池体系，由于电池的另外需说明的是，即使是同一种电池体系，由于电池的结构和制造工艺不同，电池的比功率和比能量特性也会有很结构和制造工艺不同，电池的比功率和比能量特性也会有很大的差别。大的差别。6. 电池的储存性能和自放电电池的储存性能和自放电 化学电源的特点之一是在使用时能够输出电能，不用时化学电源的特点之一是在使用时能够输出电能，不用时能够保存能量。因而好的电池具有较好的储存性能。所谓的能够保存能量。因而好的电池具有较好的储存性能。所谓的放电性能放电性能 是指在一定条件（一定温度、湿度等）下，储存时是指在一定条件（一定温度、湿度等）下，储存

55、时容量的下降率。通常表示为：容量的下降率。通常表示为：%100%tqqxq。 q。、。、qt分别为电池储存前后的容量，分别为电池储存前后的容量，t为储存的时间，为储存的时间，一般用天、月、年计算。一般用天、月、年计算。上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六48 容量的下降率主要是由电池的自放电引起的，故也叫容量的下降率主要是由电池的自放电引起的，故也叫自放率。自放率。 从热力学上看，产生自放电的根本原因是由于电极活性从热力学上看，产生自放电的根本原因是由于电极活性物质在电解液中不稳定引起的。因大多数的负极活性物质

56、是物质在电解液中不稳定引起的。因大多数的负极活性物质是活泼的金属，它在水溶液中的还原电位比氧负极要负，因而活泼的金属，它在水溶液中的还原电位比氧负极要负，因而会形成金属的自溶解和氢析出的共轭反应。使负极活性物质会形成金属的自溶解和氢析出的共轭反应。使负极活性物质不断被消耗。同样不断被消耗。同样 正极活性物质也会与电解液或电极中的正极活性物质也会与电解液或电极中的杂质发生作用被还原而产生自放电。杂质发生作用被还原而产生自放电。2+znzn +2e(i)+22zn+2h ozn(oh)+2h +2e+zn+h2ozno+2h +2e上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电

57、源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六49 另外电池的自放电也有可能由正负极之间的微短路或正极另外电池的自放电也有可能由正负极之间的微短路或正极活性溶解转移到负极上去而引起自放电。这时必须采用良好的活性溶解转移到负极上去而引起自放电。这时必须采用良好的隔膜来解决。隔膜来解决。 另外还可以采用低沉和干荷电储存，都可减少自放电，而另外还可以采用低沉和干荷电储存，都可减少自放电，而使电池的储存寿命延长。使电池的储存寿命延长。7. 蓄电池的充放电特性蓄电池的充放电特性 蓄电池放电后，用一个直流电源对它充电，即此时发生蓄电池放电后，用一个直流电源对它充电，即此时发生 克服自放电的方法，一

58、般是采用高纯的原材料，或在负克服自放电的方法，一般是采用高纯的原材料，或在负极材料中加入氢过电位高的金属（极材料中加入氢过电位高的金属（hg，cd，pb)，或在电极，或在电极或溶液中加入缓蚀剂来抑制氢的析出等。或溶液中加入缓蚀剂来抑制氢的析出等。44 222()22znnh clzn nhclhe上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六50veirr充充电（）的电极反应恰是放电反应的逆反应。这样使电极活性物质的电极反应恰是放电反应的逆反应。这样使电极活性物质得到恢复，电池又可重复使用，充电过程是一个电解过程。得到恢

59、复，电池又可重复使用，充电过程是一个电解过程。充电时，直流电源的正极与电池的正极相连，负极与直流充电时，直流电源的正极与电池的正极相连，负极与直流电源的负极相连。这时电池的端电压称为充电电压，电池电源的负极相连。这时电池的端电压称为充电电压，电池的充电电压总是高于它的电动势，其关系式如下：的充电电压总是高于它的电动势，其关系式如下：r 为电极为电极的等效极化电阻的等效极化电阻 rrrr 为为r+、r、rl的欧姆电阻之和的欧姆电阻之和上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识2021年11月13日星期六51因原电池总可以等效为：因原电池总可以等效

60、为：原电池的简化等效电路原电池的简化等效电路 蓄电池的充电方法有恒流法和恒压法，通常使用的是恒蓄电池的充电方法有恒流法和恒压法，通常使用的是恒电流法。随着充电的进行，活性物质不断被恢复（负极物质电流法。随着充电的进行，活性物质不断被恢复（负极物质还原，正极活性物质氧化），电极反应存积不断缩小，充电还原，正极活性物质氧化），电极反应存积不断缩小，充电电流密度不断增大，使电极的极化不断增大。充电电压不断电流密度不断增大，使电极的极化不断增大。充电电压不断增大。对电压的增大的贡献，开始主要是增大。对电压的增大的贡献，开始主要是i充充r项，而后才是项，而后才是上一内容下一内容回主目录o返回化学电源化学