化学电源与电池

1、应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电池基础知识化学电池基础知识锌锌- -锰干电池锰干电池铅酸蓄电池铅酸蓄电池碱性蓄电池碱性蓄电池锂离子电池锂离子电池燃料电池燃料电池主要内容：第三讲第三讲 化学电池与电源化学电池与电源应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 伏打电池的出现使人们第一次获得了比较强的稳伏打电池的出现使人们第一次获得了比较强的稳定而持续的电流，为科学家们从对定而持续的电流，为科学家们从对静电静电的研究转的研究转入对入对动电动电的研究创造了物质条件，导致了的研究创造了物质条件，导致了电化学、电化学、电磁

2、联系电磁联系等一系列重大的科学发现。等一系列重大的科学发现。 由于它的诞生，世纪的第一年成了电气文明由于它的诞生，世纪的第一年成了电气文明时代生活的开端。时代生活的开端。 第一部分第一部分 化学电源基础化学电源基础应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 1936年年Konig在巴格在巴格达附近考古时发掘达附近考古时发掘到一个大约到一个大约二千年二千年以前以前的由的由Fe和和Cu组组成的类似装置成的类似装置(图图1-3).所以也有人认为所以也有人认为这才是化学电源的这才是化学电源的最早发明。最早发明。图图1-3 巴格达电池巴格达电池应用电化学应用电化学上一内

3、容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回第一部分第一部分 化学电源基础化学电源基础化化学学电电池池按电池构造分按能量转化方式分：原电池与电解池按能量转化方式分：原电池与电解池 双液电池：两个电极插在不同的电解质溶液中，双液电池：两个电极插在不同的电解质溶液中， 两种电解质溶液可用膜或素烧瓷杯分两种电解质溶液可用膜或素烧瓷杯分 开，也可以分盛在两容器中用盐桥相联开，也可以分盛在两容器中用盐桥相联. .按电池电动势产生原因分：按电池电动势产生原因分： 化学电池化学电池( (狭义狭义) )和浓差电池和浓差电池应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电

4、池的基本术语和表示方法化学电池的基本术语和表示方法 电极系统电极系统：如果系统由两个相组成，一个相是电子如果系统由两个相组成，一个相是电子导体导体(叫电子导体相叫电子导体相)，另一个相是离子导体，另一个相是离子导体(叫离子叫离子导体相导体相)，且通过它们，且通过它们互相接触的界面上有电荷在这互相接触的界面上有电荷在这两个相之间转移两个相之间转移，这个系统就叫电极系统，这个系统就叫电极系统(图图1-5)。 将一块金属将一块金属(比如铜比如铜)浸在清除了氧的硫酸铜水溶液中，浸在清除了氧的硫酸铜水溶液中，就构成了一个电极系统。在两相界面上就会发生下就构成了一个电极系统。在两相界面上就会发生下述物质变

5、化：述物质变化：Cu(M)Cu2+(Sol)+2e-(M) 。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电池的基本术语和表示方法化学电池的基本术语和表示方法 半电池半电池：电池的一半，通常一个电极系统即构成：电池的一半，通常一个电极系统即构成一个半电池，连接两个半电池构成电池。一个半电池，连接两个半电池构成电池。 电对电对：在原电池的每一个电极中，一定包含一个：在原电池的每一个电极中，一定包含一个氧化态物质和一个还原态物质。氧化态物质和一个还原态物质。一个电极中的这一个电极中的这一对物质称为一个氧化还原电对，简称电对一对物质称为一个氧化还原电对，简称电对，

6、表，表示为：示为：氧化态氧化态/还原态还原态(如：如：Zn2+/Zn，Cu2+/Cu，Fe3+/Fe2+，I3-/I-，H+/H2，S2O82-/SO42-等等电对符号电对符号)。注意：无论它作正极还是负极，都注意：无论它作正极还是负极，都表示为表示为“Ox/Re”。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电池的基本术语和表示方法化学电池的基本术语和表示方法 电极电极(electrode)：电对以及传导电子的导体，其作用电对以及传导电子的导体，其作用为传递电荷，提供氧化或还原反应的地点。电极符为传递电荷，提供氧化或还原反应的地点。电极符号为（电子导电材料

7、号为（电子导电材料/电解质），如：电解质），如：Zn|Zn2+，Cu|Cu2+，(Pt)H2|H+，(C)|Fe2+，Fe3+。 在电化学中，按照发生的电极反应分类：在物理学在电化学中，按照发生的电极反应分类：在物理学中，中，正负极由电位高低来确定正负极由电位高低来确定： 阳极阳极(anode)发生氧化作用的电极正极发生氧化作用的电极正极(positive electrode)电势高的电极电势高的电极 阴极阴极(cathode)发生还原作用的电极负极发生还原作用的电极负极(negative electrode)电势低的电极电势低的电极应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录

8、回主目录返回返回化学电池的基本术语和表示方法化学电池的基本术语和表示方法 电极反应电极反应(reactions on the electrode)：在电极上进行在电极上进行的有电子得失的化学反应。的有电子得失的化学反应。 反应反应Cu(M)Cu2+(Sol)+2 e-(M) 就叫电极反应，就叫电极反应，也可以说是也可以说是在电极系统中伴随着两个非同类导体相在电极系统中伴随着两个非同类导体相(Cu和和CuSO4溶液溶液)之间的电荷转移而在两相界面上之间的电荷转移而在两相界面上发生的化学反应发生的化学反应。这时将。这时将Cu称为铜电极。电极总称为铜电极。电极总是要产生一定电势的，称为是要产生一定电

9、势的，称为“电极电势电极电势”。 电池反应电池反应(cell reaction)：两个电极反应的总和。：两个电极反应的总和。 氧化反应氧化反应 +)还原反应还原反应 电池反应电池反应。 图1-5 电极系统应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电池的基本术语和表示方法化学电池的基本术语和表示方法 充电与放电充电与放电：在电解池的两极反应中，在电解池的两极反应中，氧化态物氧化态物质得到电子或还原态物质给出电子的过程都叫做质得到电子或还原态物质给出电子的过程都叫做充电充电。在。在原电池中则叫放电原电池中则叫放电（即使用电池的过（即使用电池的过程）。或者定义：

10、化学能转化为电能程）。或者定义：化学能转化为电能放电；放电；电能转化为化学能电能转化为化学能放电。放电。 在电化学中，电极系统和电极反应这两个术语的在电化学中，电极系统和电极反应这两个术语的意义是很明确的，但意义是很明确的，但电极这个概念的含义却并不电极这个概念的含义却并不很肯定很肯定，有时仅指组成电极系统的电子导体相或，有时仅指组成电极系统的电子导体相或电子导体材料，有时指的是某一特定的电极系统电子导体材料，有时指的是某一特定的电极系统或相应的电极反应，而不是仅指电子导体材料。或相应的电极反应，而不是仅指电子导体材料。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返

11、回化学电池的基本术语和表示方法化学电池的基本术语和表示方法 在电极和电池的表示法中有如下规定：在电极和电池的表示法中有如下规定： (-)左，左，(+)右，电解质在中间；按实际顺序，用化学式右，电解质在中间；按实际顺序，用化学式从左至右依次排列出各相的组成及相态。若电解质溶液中从左至右依次排列出各相的组成及相态。若电解质溶液中有几种不同的物质，则这些物质用有几种不同的物质，则这些物质用“，”分开。分开。 电池表达式：电池表达式：(-) 电极电极a 溶液溶液(a1) 溶液溶液(a2) 电极电极b (+) 用实垂线用实垂线“”表示相与相之间的界面，用虚垂线表示相与相之间的界面，用虚垂线”表示可混液相

12、之间的接界，用表示可混液相之间的接界，用“”或或“”表示液体接表示液体接界电势已用盐桥等方法消除。界电势已用盐桥等方法消除。 注明物质的存在形态注明物质的存在形态(固态固态(s)，液态，液态(l)等等)、温度与压强、温度与压强(298.15K，p常可省略常可省略)、活度、活度(a)；若不写明，则指；若不写明，则指298.15K和和p。 气体电极必须写明载气体电极必须写明载(导导)体金属体金属(惰性惰性)，如，如 (-)Pt，H2(g，p) | HCl(m)| Cl2 (g，0.5p) ，Pt(+)应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电池的基本术语和表

13、示方法化学电池的基本术语和表示方法 下面以丹尼尔电池(图1-6)为例，简述电池的基电池的基本术语和表示方法本术语和表示方法：图1-6 Zn-Cu原电池 Zn-Cu原电池 半电池 Zn-ZnSO4 Cu-CuSO4 电对 Zn2+/Zn Cu2+/Cu 电极反应 Zn=Zn2+2e Cu2+2e = Cu 氧化反应阳极 还原反应阴极 外电路 (-)电子多 (+)电子少电流方向电流方向 电子流向电子流向 应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回图1-6 Zn-Cu原电池应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电池的基本术语

14、和表示方法化学电池的基本术语和表示方法 电池符号 (-)Zn | Zn2+(m1)| Cu2+(m2)|Cu(+) 原电池的电动势 Emf= (+)- (-) (高) (低)。电池反应CuSO4 + Zn = Cu + ZnSO4 +2e-2e应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电池的基本术语和表示方法化学电池的基本术语和表示方法 电化学系统的工作原理电化学系统的工作原理溶液中的阳离子向负极迁移，从负极上取得电子而发生还原反应溶液中的阴离子向正极迁移，在正极上失去电子而发生氧化反应电 极 反电 极 反应应凡是进行氧化反应的电极称为阳极电位低的电极称为

15、负极凡是进行还原反应的电极称为阴极电位高的电极称为正极在电解池中正极为阳极，负极为阴极；在原电池中则相反- -阴阴极极+ +阳阳极极ee电解质溶液电解质溶液电源电源- -阴阴极极+ +阳阳极极ee阳极阳极正正极极阴极阴极负负极极电流应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回原电池和电解池的对比原电池原电池电解池电解池装置图装置图负负极极氧氧化化反反应应正正极极还还原原反反应应阳阳极极氧氧化化反反应应阴阴极极还还原原反反应应CuClCuCl2 2(aq)(aq)CuClCuCl2 2(aq)(aq)形成条件形成条件 活动性不同的两种电极活动性不同的两种电极 电解

16、质溶液电解质溶液 闭合回路闭合回路 两极两极( (可同可不同可同可不同) ) 电解质溶液电解质溶液 直流电源直流电源判断依据判断依据无外电源无外电源 有外电源有外电源电极名称电极名称负极负极电子流出的电极电子流出的电极正极正极电子流入的电子流入的电极电极阳极阳极与外电源正极与外电源正极相连相连阴极阴极与外电源负与外电源负极相连极相连应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回电极反应电极反应 失电子被氧化失电子被氧化 离子得电离子得电子被还子被还原原氧化反应氧化反应阳离子得阳离子得电子被电子被还原还原反应自发反应自发性性可自发进行可自发进行在外电压作用下才能进在

17、外电压作用下才能进行行电子流向电子流向 负极负极外电路外电路正极正极阳极阳极电源正极电源正极电源电源负极负极阴极阴极离子流向离子流向 阳离子阳离子正极，阴离子正极，阴离子负极负极 阳离子阳离子阴极，阴离子阴极，阴离子阳极阳极能量转化能量转化 化学能化学能电能电能电能电能化学能化学能相互联系相互联系 原电池可作电解池的电源原电池可作电解池的电源应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回表表1-5 1-5 热化学反应和电化学反应的区别热化学反应和电化学反应的区别热化学反应热化学反应电化学反应电化学反应反应质点必须接触反应质点必须接触反应质点彼此分开反应质点彼此分开

18、电子转移路径短，且电子无规电子转移路径短，且电子无规则运动则运动电子转移路径长，且是有序运电子转移路径长，且是有序运动动活化能来自于分子碰撞，反应活化能来自于分子碰撞，反应速率取决于温度速率取决于温度活化能来自于电能，反应速率活化能来自于电能，反应速率取决于电势取决于电势释放能量的形式：热释放能量的形式：热释放能量的形式：电能释放能量的形式：电能应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回图1-8 电化学反应 图1-9 热化学反应应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 可逆电池可逆电池 在化学能和电能相互转化时，始终处于热在

19、化学能和电能相互转化时，始终处于热力学平衡状态的电池称为可逆电池力学平衡状态的电池称为可逆电池(reversible cell)。 可逆电池也可定义为：可逆电池也可定义为：充、放电时进行的充、放电时进行的任何反应与过程均为可逆的电池任何反应与过程均为可逆的电池。 可逆电池必须同时具备下列可逆电池必须同时具备下列3个条件，缺一个条件，缺一不可：不可：应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回1）电池反应可逆）电池反应可逆放电时发生的电池反应与充电时发生的电解反放电时发生的电池反应与充电时发生的电解反应正好互为逆反应应正好互为逆反应物质转移可逆。物质转移可逆。首先

20、，电极上的化学反应可向正、反两个方向首先，电极上的化学反应可向正、反两个方向进行。进行。其次，当外加电势其次，当外加电势E外外与电池电动势与电池电动势Emf方向相方向相反时，反时，EmfE外情况下放电时发生的原电池反外情况下放电时发生的原电池反应，与应，与EmfE外外情况下充电时发生的电解反应情况下充电时发生的电解反应互为逆反应。互为逆反应。即即充放电之后，参与电极反应的物质恢复原状充放电之后，参与电极反应的物质恢复原状。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (2) 能量转变可逆能量转变可逆 第二点要求电池在充放电过程中能量的转第二点要求电池在充放电过程

21、中能量的转变也是可逆的。即工作电流无限小变也是可逆的。即工作电流无限小(I0)，或充、放电的电势差或充、放电的电势差E=|Emf-E外外|0，即充、放电过程的即充、放电过程的Emf=E外外dE，电池在，电池在近平衡状态下工作。若电池经历充、放电近平衡状态下工作。若电池经历充、放电循环，则可以使系统和环境都恢复到原来循环，则可以使系统和环境都恢复到原来的状态。的状态。（3）电池中进行的其它过程也必须是可逆的电池中进行的其它过程也必须是可逆的应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回凡是不能满足可逆电池条件的电池称为凡是不能满足可逆电池条件的电池称为不可逆电池不可

22、逆电池(irreversible cell)。如图。如图2-1所示的电池，其电池反应不可逆，因此所示的电池，其电池反应不可逆，因此该电池不是可逆电池。该电池不是可逆电池。 放电：放电：Zn+2H+=Zn2+ H2(g) （2.2a）充电：充电：Cu+2H+=Cu2+ H2(g) (2.2b)使用盐桥的双液电池可近似认为是可逆使用盐桥的双液电池可近似认为是可逆电池，但电池，但并非是严格的热力学可逆电池，并非是严格的热力学可逆电池，因为盐桥与电解质溶液界面存在因离子因为盐桥与电解质溶液界面存在因离子扩散而引起的相间电势差，而扩散是不扩散而引起的相间电势差，而扩散是不可逆的可逆的。 应用电化学应用电

23、化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回例如例如Daniell(丹尼尔丹尼尔)电池电池(图图2-2)： -) Zn| ZnSO4(aq) CuSO4(aq) |Cu (+虽然两个电极反应是可逆的，但电池放电时，在虽然两个电极反应是可逆的，但电池放电时，在ZnSO4和和CuSO4溶液的接界处，还要发生溶液的接界处，还要发生 Zn2+ 向向CuSO4溶液中的扩散过程。当进行充电时，电极反溶液中的扩散过程。当进行充电时，电极反应虽然可以逆向进行，但是在两溶液接界处离子的应虽然可以逆向进行，但是在两溶液接界处离子的移动与原来不同，是移动与原来不同，是Cu2+向向ZnSO4溶液中迁移

24、，因溶液中迁移，因此整个电池工作过程实际上是不可逆的。此整个电池工作过程实际上是不可逆的。现实中的电池一般不是可逆电池，因为实际用的电现实中的电池一般不是可逆电池，因为实际用的电池不是处在平衡状态下充放电池不是处在平衡状态下充放电。44Zn + CuSOCu + ZnSO 放电充电应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 可逆电极可逆电极 构成可逆电池的两个电极为可逆电极，可逆电极需要满足构成可逆电池的两个电极为可逆电极，可逆电极需要满足单一电极和反应可逆两个条件单一电极和反应可逆两个条件。 单一电极是指电极上单一电极是指电极上只能发生一种电化学反应只能发生

25、一种电化学反应，能同时发，能同时发生多个反应的多重电极不可能构成可逆电极；反应可逆是生多个反应的多重电极不可能构成可逆电极；反应可逆是指指充电和放电时发生同一反应只是方向相反充电和放电时发生同一反应只是方向相反。 此外，一般还要求此外，一般还要求可逆电极必须能够迅速建立和保持平衡可逆电极必须能够迅速建立和保持平衡态，即要求可逆电极具有较高的平衡离子浓度及高的交换态，即要求可逆电极具有较高的平衡离子浓度及高的交换电流密度电流密度(见第五章见第五章)。可逆电极可分为两大类型：基于电。可逆电极可分为两大类型：基于电子交换反应的电极和基于离子交换或扩散的电极。也可以子交换反应的电极和基于离子交换或扩散

26、的电极。也可以细分为：细分为：应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (1) 第一类电极第一类电极(the first-class electrode) 只有一个相界面的电极称为第一类电极只有一个相界面的电极称为第一类电极。主要包括金属电极。主要包括金属电极(metal electrode)、汞齐电极、汞齐电极(amalgam electrode)、配合物电、配合物电极极(complex electrode)、气体电极、气体电极(gas electrode)等。等。 金属电极金属电极 金属金属(板、棒或条板、棒或条)浸入含有该金属离子的溶液中浸入含有该金属

27、离子的溶液中所形成的电极。以铜电极为例：所形成的电极。以铜电极为例：Cu2+(a)|Cu(s)，电极反应：，电极反应： 汞齐电极汞齐电极 例如：例如：Cd(Hg)x|Cd2+(a)，电极反应：，电极反应：Cd2+2e+xHgCd(Hg)x(a1)。 配合物电极配合物电极 例如：例如：Ag|Ag(CN)2-(a)，电极反应：，电极反应：Ag(CN)2- +eAg+2CN-。 气体电极气体电极 例如氢电极例如氢电极 (图图2-3a)：Pt(s),H2(p) |H+(a)，电极反应：，电极反应：2H+2eH2。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (2) 第二

28、类电极第二类电极(the second-class electrode) 有两个相界面的电极为第二类电极。主要是有两个相界面的电极为第二类电极。主要是金属金属-微溶盐微溶盐(或络离子或络离子)-微溶盐的负离子电极微溶盐的负离子电极 (或配位离子或配位离子)。如：。如：Ag-AgCl电极电极(Ag(s)AgCl(s)Cl-，见图，见图2-3b)；氧化汞电极；氧化汞电极(Hg(l)HgO(s)OH-)；银；银-银氰络离子电极银氰络离子电极 (Ag/Ag(CN)2-,CN-)。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (3) 第三类电极第三类电极(氧化还原电极氧化

29、还原电极，the third electrode or redox electrode)： 例如：例如：Pt|FeFe(图图2-3c)电极反应：。电极反应：。又如化学修饰电极又如化学修饰电极(图图2-4)。在导体或半导体。在导体或半导体的表面涂敷了单分子的、多分子的、离子的的表面涂敷了单分子的、多分子的、离子的或聚合物的薄膜，借或聚合物的薄膜，借Faraday反应反应(电荷消耗电荷消耗)而呈现出此修饰薄膜的化学的、电化学的以而呈现出此修饰薄膜的化学的、电化学的以及及/或光学的性质。或光学的性质。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (a)标准氢电极标准氢

30、电极 (b) Ag-AgCl电极电极 (c) Fe3+/Fe2+电极电极 图图2-3 三种常见的电极三种常见的电极应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (4) 第四类电极第四类电极(膜电极膜电极) 利用隔膜对单种离子透过性或膜表面与电解液中利用隔膜对单种离子透过性或膜表面与电解液中的离子交换平衡所建立起来的电势，测定电解液的离子交换平衡所建立起来的电势，测定电解液中特定离子活度的电极，如玻璃电极、离子选择中特定离子活度的电极，如玻璃电极、离子选择电极等。电极等。 (5) 第五类电极第五类电极(嵌入电极嵌入电极) 发生嵌入反应发生嵌入反应(intercal

31、ation reaction)的电极。所的电极。所谓嵌入反应就是客体粒子谓嵌入反应就是客体粒子(也称嵌质也称嵌质,主要是阴、主要是阴、阳离子阳离子) 嵌入主体晶格嵌入主体晶格(也称嵌基也称嵌基) 生成非化学计量生成非化学计量化合物的反应。典型的嵌入电极是锂离子电池的化合物的反应。典型的嵌入电极是锂离子电池的正负极正负极(见见2.2.6.2 二次电池之二次电池之“锂离子电池锂离子电池”)。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回电池的组成电池的组成 任何电池都由四个基本部分组成，即由电极、电任何电池都由四个基本部分组成，即由电极、电解质、隔离物及外壳组成。解质

32、、隔离物及外壳组成。阴极正极、集流体阳极负极、集流体电解质外壳、接线柱、外壳、接线柱、密封圈等密封圈等隔膜应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回(1) (1) 电极电极 电极是电池的核心部分，由电极是电池的核心部分，由活性物质、导电活性物质、导电材料和添加剂组成，有时还包含集流体材料和添加剂组成，有时还包含集流体( (图图2-6)2-6)。 活性物质是活性物质是能够通过化学变化将化学能转变能够通过化学变化将化学能转变为电能的物质为电能的物质，导电骨架主要起传导电流、支撑，导电骨架主要起传导电流、支撑活性物质的作用，电池内的电极又分正极和负极。活性物质的作用

33、，电池内的电极又分正极和负极。 导电材料也常用作集流体，如图导电材料也常用作集流体，如图2-72-7和图和图2-82-8所示铅锑合金栅架和泡沫镍所示铅锑合金栅架和泡沫镍(MH-Ni(MH-Ni电池常用导电电池常用导电材料材料) )；应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 在碳锌电池、碱性锌锰电池中分别用碳棒在碳锌电池、碱性锌锰电池中分别用碳棒和铜针作为正极、负极集流体，外壳也常和铜针作为正极、负极集流体，外壳也常用于正负极电流汇集，例如在碱性锌锰电用于正负极电流汇集，例如在碱性锌锰电池中是正极集流体，池中是正极集流体，在在Cd-Ni、MH-Ni电池电池中则

34、是负极集流体。中则是负极集流体。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (2) 电解质电解质 电解质也电解质也不能与电池其它组分反应不能与电池其它组分反应。在有的电池。在有的电池系列中，电解质还参与电化学反应，如干电池中的系列中，电解质还参与电化学反应，如干电池中的氢化铵氢化铵(NH4Cl)，铅酸电池中的硫酸，铅酸电池中的硫酸(H2SO4)等。等。 电解质一般是酸、碱、盐的水溶液，当构成电池的电解质一般是酸、碱、盐的水溶液，当构成电池的开路电压大于开路电压大于2.3V时，水易被电解成氢气和氧气，时，水易被电解成氢气和氧气，故故一般使用非水溶剂的电解质一般使

35、用非水溶剂的电解质。 很多电池系列的电解质有较强的腐蚀性，所以无很多电池系列的电解质有较强的腐蚀性，所以无论电池是否用过，消费者不要解剖电池论电池是否用过，消费者不要解剖电池。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (3) (3) 隔离物隔离物 防止正、负极短路，但充许离子顺利通过防止正、负极短路，但充许离子顺利通过( (如图如图2-5b2-5b所示所示) )。在电池内部，如果正负两极材料相接触，。在电池内部，如果正负两极材料相接触，则电池出现内部短路，其结果如同外部短路，电池则电池出现内部短路，其结果如同外部短路，电池所贮存的电能也被消耗所贮存的电能也被

36、消耗. .所以，在电池内部需要一种所以，在电池内部需要一种材料或物质将正极和负极隔离开来，以材料或物质将正极和负极隔离开来，以防止两极在防止两极在贮存和使用过程中被短路贮存和使用过程中被短路，这种隔离正极和负极的，这种隔离正极和负极的材料被称作隔离物。材料被称作隔离物。 隔离物可分三大类：隔离物可分三大类：板材板材，如铅酸电池用的微孔，如铅酸电池用的微孔橡胶隔板和塑料板；橡胶隔板和塑料板；膜材膜材，如浆层纸、无纺布、玻，如浆层纸、无纺布、玻璃纤维等；璃纤维等；胶状物胶状物，如浆糊层、硅胶体等。，如浆糊层、硅胶体等。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 (

37、4) (4) 外壳外壳 主要主要作容器作容器。 电池的壳体是电池的壳体是贮存电池其它组成部分贮存电池其它组成部分( (如电极、如电极、电解质、隔离物等电解质、隔离物等) )的容器，起到保护和容纳其它的容器，起到保护和容纳其它部分的作用部分的作用，所以一般要求壳体有，所以一般要求壳体有足够的机械性足够的机械性能和化学稳定性能和化学稳定性，保证壳体不影响到电池其它部，保证壳体不影响到电池其它部分的性能。为防止电池内外的相互影响，通常将分的性能。为防止电池内外的相互影响，通常将电池进行密封，所以还要求壳体便于密封。电池进行密封，所以还要求壳体便于密封。防爆防爆盖是为了防止电池内部意外出现高压发生危险

38、而盖是为了防止电池内部意外出现高压发生危险而配套的安全装置，所以在封口工序点焊防爆盖时，配套的安全装置，所以在封口工序点焊防爆盖时，不得将泄气孔封死，以免出现危险不得将泄气孔封死，以免出现危险。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回一一. 化学电源的发展化学电源的发展化学电源是将化学电源是将物质化学反应产生的能量直接转换成物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置电能的一种装置。1859 年年 普朗克（普朗克（Pantle） 试制成功化成式铅试制成功化成式铅 酸电池酸电池1868 年年 勒克朗谢（勒克朗谢（Lelanche）研制成功以）研制成功以NH4

39、Cl 为电解液的为电解液的Zn-MnO2 电池电池1888 年年 加斯纳（加斯纳（Gassner）制出了）制出了Zn-MnO2 干电池干电池1895 年琼格（年琼格（Junger）发明）发明Cd-Ni 电池电池第一部分第一部分 化学电源基础化学电源基础应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回1900 年年 爱迪生（爱迪生（Edison）创制了）创制了Fe-Ni 蓄电池蓄电池二十世纪四、五十年代以后电池发展更加迅速二十世纪四、五十年代以后电池发展更加迅速60 年代：年代：“双子星座双子星座”和和“阿波罗阿波罗”飞船应用培根飞船应用培根H2-O2 燃料电池燃料电

40、池70 年代：中东战争年代：中东战争 能源危机能源危机 燃料电池、钠硫电池燃料电池、钠硫电池、锂硫化铁电池得到广泛发展、锂硫化铁电池得到广泛发展80 年代：贮氢材料的突破年代：贮氢材料的突破 氢镍电池氢镍电池90 年代：嵌入化合物锂离子电池年代：嵌入化合物锂离子电池应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回二二.化学电源的应用化学电源的应用：航空航天飞行器：飞机、人造卫星、宇宙飞船等；航空航天飞行器：飞机、人造卫星、宇宙飞船等；机动车辆：启动、点火、照明、动力；机动车辆：启动、点火、照明、动力；大型发电站：调解电站；大型发电站：调解电站；医院、邮电通讯部门：应

41、急电源；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。便携式电子产品：移动电话、摄像机、手提电脑等。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 三三. 电池的发展规律电池的发展规律 电池的发展与电池的发展与新型电器的开发和应用新型电器的开发和应用密切相关密切相关 。 世纪年代后各种低压电器的普及，特别世纪年代后各种低压电器的普及，特别是是半导体收音机的出现带动了干电池半导体收音机的出现带动了干电池的发展。的发展。 年代年代半导体的广泛应用，促进了纸板电池半导体的广泛应用，促进了纸板电池的的发展。发展。 年代以后，年代以后，、和、和

42、计算机的出现，促进了电池的微型化计算机的出现，促进了电池的微型化。 。 应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 年代以后，随着移动电话的出现，年代以后，随着移动电话的出现，-电池逐渐完善和商品化，并出现了高能量密电池逐渐完善和商品化，并出现了高能量密度锂离子电池度锂离子电池 材料的开发利用大大促进了电池的进步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碱锰电池的改进得益于电解二氧化锰电解二氧化锰，而，而吸吸氢材料氢材料促进了促进了-电池的兴起。锂离子电池电池的兴起。锂离子电池的开发有赖于的开发有赖于碳素碳素的研究，而的研究，而导电聚合物材料导电

43、聚合物材料的的研究很有可能大大改变固态电解质电池的面貌。研究很有可能大大改变固态电解质电池的面貌。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 环保问题为电池的发展提出了新的要求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。电池转向。 为了保护环境及人体的健康，禁止在电池中使为了保护环境及人体的健康，禁止在电池中使用有害元素，尽管用有害元

44、素，尽管- -电池性能优异，而且电池性能优异，而且技术不断成熟，却开发了取代它的技术不断成熟，却开发了取代它的- -电池电池。汽车工业中大量使用的铅酸电池已经实现了密闭。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。化和免维护。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 为了应对未来可预料的能源危机和减少汽车尾为了应对未来可预料的能源危机和减少汽车尾气污染，气污染，新型清洁电动汽车新型清洁电动汽车的研究成为全世界科学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。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

45、型汽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；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。达以上，持续行驶超过。 应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 随着各种便携性电子设备的广泛应用，电池的需求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量正在飞速增长，同时电池的性能也不断地提高和完善。善。 世纪年代，工业（计算机、移动电世纪年代，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

46、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。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，因此有前景的产业，因此电池的发展必须能赶上电器用具电池的发展必须能赶上电器用具的发展。的发展。现在各种形状、各种规格、性能各异的电池现在各种形状、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在日常生活和生产的各个领域发挥着不可替代的作用。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回化学电源的分类化学电源的分类：化学电源分类的方法很

47、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。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回（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

48、反复使用。例如铅酸蓄电池，电池得到再生，使电池能够反复使用。例如铅酸蓄电池，OHNi电池，电池，AgZn电池等。电池等。2. 按按电解质的性质电解质的性质可将电池分为以下三类：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应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 随着科学技术的发展，目前又出现了随着科学

49、技术的发展，目前又出现了有机电解质电池，有机电解质电池，固体电解质电池，胶体电解质电池固体电解质电池，胶体电解质电池等等。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，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）储备电池：该电池在存放期间不加电解质溶液，在使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用时临时加入电解质活化。例如：。例如：ZnO2电池电池（4） 燃料电池：燃料电池：是一种能连续地把燃

50、料的化学能变为电是一种能连续地把燃料的化学能变为电能的装置。只要连续不断地将燃料（反应物）或电解质通能的装置。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如电池中，电池就能连续不断地反应而产生电能。例如：。例如：H2O2燃料电池。燃料电池。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 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，学技术的发展，有些电池体系往往有些电池体系往往 可以设计成多种不同可以设计成多种不同的电池的电池。例如：在碱性溶液中，由锌和空气构成的电池。例

51、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的贮存性能和循环寿命功率以及电池的贮存性能和

52、循环寿命等等 。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回1）. 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，即电池在开路时，即没有电流通过的情况下，正负极的平没有电流通过的情况下，正负极的平衡电位之差，就是该电池的电动势衡电位之差，就是该电池的电动势。开路电压。开路电压(open circuit voltage)：电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开：电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。它的路电压。它的大小取决于电池的本性及电解质的性质与活度，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而与电池的几何

53、结构等无关。即：。即：E平平 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。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回元素中以元素中以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 应当注意的是，在选

54、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。）电化当量等多方面的因素。例如例如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只只适用于适用于非水溶剂电解质非水溶剂电解质，F2是活性的气体，不易储存和是活性的气体，不易储存和应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回和控制，因而由和控制，因而由单质单质Li与与F2组成电池也是不切合实际的组成电

55、池也是不切合实际的。 一般的化学电源都是采用一般的化学电源都是采用水溶性电解质水溶性电解质。在。在电位较负的电位较负的金属中，以锌、铅、镉、铁最为常用金属中，以锌、铅、镉、铁最为常用。因在相应的电解质中。因在相应的电解质中具有较好的耐腐蚀性，在具有较好的耐腐蚀性，在电位较正的活性物质中，常用的有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、氧化银等二氧化锰、二氧化铅、氢化镍、氧化银等，它们在水溶液中，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是指体系达到热力学平衡后的电动势。电动

56、势。但但实际上有许多电极体系在水溶液中，即使开路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时，也达不到热力学上的平衡状态。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回2. 电池的电池的工作电压和放电曲线工作电压和放电曲线（1）工作电压：）工作电压：当电池有电流通过时，这时正、负极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）两端的电位差，即

57、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：应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回1. 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载和温度下放电时，和温度下放电时，把把电池的电压随时电池的电压

58、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1-1电池的电池的 放电曲图线放电曲图线应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回 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. 通常电池的通常电池的放电曲线越平坦、稳定、电池的性能就越好放电曲线越平坦、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，取决于放电的注意：放电时间的长短，取决于放电的终止电压终止电压（不宜（不宜再继续放电的电压）。通常放电电流大时，终止电

59、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，常用当衡量电池的电压特性时，常用平均工作电压平均工作电压来表示：来表示：应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回（3）电池的容量）电池的容量 电池的容量是指电池的容量是指电池放电时所能给出的电量（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。2. 实

60、际容量：实际容量： 实际容量指在一定的放电条件下实际容量指在一定的放电条件下 电池所能给出的电量。电池所能给出的电量。应用电化学应用电化学上一内容上一内容下一内容下一内容回主目录回主目录返回返回实际容量的计算：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，电池应该给出的应该给