先进电池材料课件 包括铅酸电池 镍氢电池 锂离子电池 燃料电池 太阳能电池

本科生课程《先进电池材料》课件（全）◆第一章绪论◆第二章铅酸电池材料◆第三章镍氢电池材料◆第四章锂离子电池材料◆第五章燃料电池材料◆第六章太阳能电池材料主要内容第一章绪论参考教材《先进电池材料》李景虹编著，化学工业出版社，2004年出版《动力电池材料》胡信国、王殿龙、戴长松编著，化学工业出版社，2013年4月出版《绿色电源材料》吴宇平,张汉平,吴锋等著，化学工业出版社，2008年7月出版《新能源材料及其应用技术：锂离子电池、太阳能电池及温差电池》李建保，李敬锋主编，清华大学出版社，2005年11月出版《太阳电池材料》杨德仁主编，化学工业出版社，2011年2月出版课程主要内容第1章概论第2章铅酸电池材料第3章金属氢化物-镍电池材料第4章锂离子电池材料第5章燃料电池材料第6章太阳能电池材料第7章其他电池材料第1章概论没有电池，社会将无法发展！1.1前言电池：亦称为化学电源，是一种将化学反应产生的能量直接转换为电能的装置。

什么是电池？空气电池锂电池电池对社会发展的重要作用历史自1859年普兰特（R.G.Plante）试制成功铅酸电池、1868年法国勒克朗谢（G.Leclance）制成锌锰干电池以来，化学电源经历了100多年的发展历史，逐步形成了独立完整的科技与工业体系。

当今，化学电源已经成为人民生活中极为广泛的方便能源，在国民经济中占有十分重要的地位。现状随着现代高新技术的迅猛发展，促使电源技术进入了一个新的快速发展时期。传统的化学电源，如锌锰电池和铅酸蓄电池等不断的更新换代，性能得到长足的进步，使这些传统电池产业表现出了长盛不衰的发展势头；新型化学电源，如：金属氢化物镍电池、锂离子电池、燃料电池等绿色、高能电池相继问世，并以前所未有的速度迅速发展起来。可以认为，一个新型化学电源的时代已经到来。未来21世纪，信息技术的不断发展，将推动电池技术铸造新的辉煌；为了保护人类的生存环境，实现可持续发展，调整能源结构，开发可再生能源技术是21世纪人类无法回避的重大课题，储能技术将在可再生能源技术的发展中发挥举足轻重的作用。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Plante1866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Jungner1901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。HHeLiBeBCNO

FNeNa

MgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAc

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0.1~10

-1

cm-1。熔点0

C，沸点100

C，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1~2个数量级，通常为10-1~10-2

-1

cm-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10-1~10-3

-1

cm-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10-4~10-5

-1

cm-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：①在电解液中有良好的化学稳定性，有一定的机械强度；②对电解质离子迁移的阻力小；③是电子的良好绝缘体；④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RΩ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之和。极化电阻与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关，特别是与电池的工作条件密切相关，随放电制度和放电时间的改变而变化。电池的工作电压

概念：电池的工作电压又称负载电压、放电电压，是指有电流流过外电路时电池两级之间的电势差。工作电压总是小于开路电压，当E=U开时，有：

U=E–IR内

=E–I(RΩ+Rf)

可见，R内↓，则U↑。电池放电三种方式：恒电流放电、恒电阻放电和恒功率放电。

恒电阻放电时，电压和电流随时间逐渐降低。

恒电流放电时，电压随时间逐渐降低。

恒功率放电时，由P=IV可知，电压随时间逐渐降低，而电流则逐渐增加。放电电流与放电时间的关系电压与放电时间的关系功率与放电时间的关系

放电电流，就是电池工作时的输出电流，通常也称为放电率，经常用时率（又称小时率）和倍率表示。时率：以放电时间表示的放电速率，即以一定的放电电流放完全部容量所需的时间(h)。如：额定容量为10A·h的电池，以2A的电流放电时，时率为10A·h/2A=5h，即电池是以5小时率放电。倍率：电池在规定时间内放完全部容量时，用电池容量数值的倍数表示的电流值。如：一只10A·h的电池，2C放电（C表示电池的容量）是指放电电流为2×10=20(A)，对应时率为10A·h/20A=0.5h，即电池以0.5小时率放电。一般规定，放电率在0.5C以下称为低倍率；0.5~3.5C称为中倍率；3.5~7C则为高倍率；大于7C为超高倍率。初始工作电压和终止电压初始工作电压：电池放电刚开始的电压。终止电压：电池电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压。终止电压跟电池放电条件、电池容量和寿命要求相关。电池10小时率5小时率1小时率镉镍1.10V1.10V1.00V铅酸1.75V1.75V1.80V碱性锌锰1.20V——锌银1.2~1.30V1.2~1.30V0.9~1.0V

温度与放电曲线的关系

放电温度较高时，放电曲线变化比较平缓，温度越低，曲线变化越大。这是因为温度越低，离子运动速度减慢，欧姆电阻越大，温度过低时，电解液甚至会结冰而放不出电来。同时，温度降低电化学极化和浓差极化也将增大，所以放电曲线下降变化较快。铅酸蓄电池在不同温度下的放电曲线电池的容量与比容量

概念：电池的容量是指在一定的放电条件下可以从电池获得的电量，单位常用安培小时(A·h)表示，可分为理论容量、额定容量和实际容量。

理论容量(C0)：假设活性物质全部参加电池的成流反应时所给出的电量，可按照法拉第定律计算获得。法拉第定律—电极上参加反应的物质的质量与通过的电量成正比，即：1mol活性物质参加电池的成流反应，释放电量为1F=96500C=26.8A·h。

理论容量计算公式：C0=26.8n·m/M(A·h)

式中，m为活性物质完全反应时的质量；n为成流反应时的得失电子数；M为活性物质的摩尔质量。法拉第常数（Faradayconstant;faradayconstant）是近代科学研究中重要的物理常数，代表每摩尔电子所携带的电荷，单位C/mol，它是阿伏伽德罗数NA=6.02214x1023mol-1与元电荷e=1.602176x10-19C的积。尤其在确定一个物质带有多少离子或者电子时这个常数非常重要。法拉第常数以麦可·法拉第命名，法拉第的研究工作对这个常数的确定有决定性的意义。一般认为此值是96485.3383±0.0083C/mol，此值是由美国国家标准局所依据的电解实验得到的，也被认为最具有权威性。法拉第常数的符号为F。额定容量(C额定)：称为标称容量，指设计和制造电池时，规定电池在一定的放电条件下应该放出的最低容量。

实际容量(C实际)：在一定放电条件下，电池实际能输出的电量。电池实际容量不仅受理论容量制约，还与电池放电条件密切相关。恒电流放电时：C实际

=I·t

；恒电阻放电时：C实际

=V平均t/R

(I为放电电流，V平均为平均放电电压，R为放电电阻，t为放电时间）电池的实际容量总是低于理论容量。

电池容量的影响因素：活性物质的数量和利用率(k)。

影响活性物质利用率的因素：（1）活性物质的活性；（2）电极和电池的结构；（3）电解液的数量、浓度和纯度；（4）电池的制造工艺；（5）电池的放电制度。

电池比容量：单位质量或单位体积电池所给出的容量称为质量比容量(A·h/kg)或体积比容量(A·h/L)。

比容量可用于对不同类型、不同大小的电池进行比较，以区别电池性能的优劣。电池的能量与比能量电池的能量：电池在一定放电条件下对外做功所输出的电能(瓦时，W·h)，有理论能量与实际能量之分。理论能量(W0)就是电池在恒温、恒压、可逆放电条件下所做的最大非体积功。W0=-△G=nFE=C0E实际能量(W)是电池在一定放电条件下实际输出的能量，在数值上等于实际容量和平均工作电压的乘积。W=CV平

比能量：指单位质量或单位体积的电池所放出的能量，分别用“瓦·时/公斤”(W·h/kg)和“瓦·时/升”(W·h/L)。电池的功率与比功率电池功率：在一定放电制度下，单位时间内电池所输出的能量，单位为瓦(W)或千瓦(kW)。

电池比功率：单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。电池的理论功率：P0=W0/t=C0E/t=ItE/t=IE

电池实际功率：在一定放电制度下，单位时间内电池实际所输出的能量。P=W

/t=CV/t=IV=I(E-IR内)=IE-I2R内电池的储存性能与自放电电池储存性能：指电池开路时，在一定的条件下（如温度、湿度等）储存一段时间后，容量自行降低的性能，也称自放电。自放电产生原因：电极在电解液中处于热力学的不稳定性，电池的两电极自行发生了氧化还原反应的结果。通常负极因为活性物质大多为活泼金属，其自放电比正极严重

自放电速率：单位时间内容量降低的百分数。x%=(C前

–C后)/(C前t)X100%式中，C前，C后为储存前后电池的容量；t为储存时间。

影响自放电的因素：储存温度，环境的相对湿度，以及活性物质、电解液、隔板和外壳等带入的有害杂质。循环寿命

循环寿命或使用周期是衡量电池性能的一个重要参数，蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环，或一个周期。

循环寿命：在一定的充放电制度下，电池容量降至某一规定值前，电池所能耐受的循环次数。蓄电池循环寿命的影响因素

活性表面积在充放电循环过程中的减少；

电极上活性物质脱落或转移；

循环过程中某些电极材料发生腐蚀；

循环过程中电极上产生枝晶，造成电池内部短路；

隔离物的损坏；

活性物质晶形在充放电过程中发生改变，活性降低。1.7先进二次电池及材料概述

先进二次电池，通常是相对于传统二次电池，如：镍镉电池和铅酸电池。至少应具备以下特点：高能、绿色、稳定（循环性，安全性）、实用（成熟性，应用性）。目前，先进二次电池通常指金属氢化物镍电池和锂离子电池。

金属氢化物镍电池和锂离子电池的电极活性材料－可逆储氢和可逆储锂材料，可看成离子嵌入型材料，是新材料领域非常活跃的研究课题，构成了一类新的功能材料－新型储能材料。

与大多数传统电池的电极反应多为“沉积”式机理有所不同，金属氢化物镍电池和锂离子电池的电极反应机理别具一格，是一种可逆“嵌入”式机理，电极材料和电极可实现高密度化。主要二次电池能量比较050100150200比能量/Wh/kg4003002001000能量密度/Wh/L金属锂锂离子MH-NiNi-CdZn-MnO2铅酸其它高能、绿色二次电池Na/S二次电池

优点：比能量高，比功率高，资源丰富问题：陶瓷隔膜退化，高温下硫电极腐蚀性，密封问题，安全性Mg二次电池

问题是电解液的选择：非水，在大多数电解液中表面钝化，镁一次电池如镁/空气电池的研究也已引起关注。Zn/Ni二次电池

锌镍电池的循环性能尚达不到要求，主要问题是：锌负极的析氢、腐蚀、钝化、枝晶等问题难于解决。1.8电池技术发展现状和趋势世界一次电池和二次电池市场市场年销售额超过285亿美元（2013.1~2013.12）便携式充电电池65亿美元汽车和工业充电电池118亿美元一次电池101亿美元锂离子电池金属氢化物镍电池镉镍电池密封铅酸电池氢镍电池工业镉镍电池工业铅酸电池启动型铅酸电池锌空气电池银电池碱性扣式电池硬币式锂一次电池锂一次电池碱性电池锰电池世界一次电池和二次电池市场情况2011年开始汽车用锂离子电池将快速增长,预计到2018年汽车用锂离子电池市场份额将和便携式锂离子电池相当。2013年前混合电动车用电池以镍氢电池为主，2013年后，锂离子电池将成为主导，镍氢电池份额将逐步下降。便携式设备用先进电池市场、铅酸电池市场和一次电池市场三分天下；

便携式设备用先进二次电池市场增长速度最快，在过去的10年平均年增长15%，今后10年预计仍将以10%的速度增长；

启动、照明、点火用铅酸电池市场很大；

电动汽车和混合动力汽车用大型动力电池的市场目前很小，但未来的增长可能很大，金属氢化物镍电池、锂离子电池和燃料电池是首选对象。21世纪电池技术发展的背景（1）现代电子信息技术迅猛发展的需求20世纪的最后10年，信息技术迅猛发展，人类进入了信息化时代。以移动电话、笔记本电脑为代表的便携式设备以前所未有的速度迅速增长。可以说，是信息技术的发展造就了镍氢电池、锂离子电池等先进二次电池发展的“十年辉煌”。进入二十一世纪，信息技术仍将高速发展。移动电话、笔记本电脑等技术水平将不断升级和更新，要求电池更加小型化、高比能量和长使用寿命，为先进二次电池提供更加广阔市场和竞争的舞台。（2）环境保护意识的推动目前全球能源仍以化石燃料（石油、煤炭、天然气）为主，造成了资源耗竭和环境污染。为实现可持续发展，必须保护自然环境与自然资源，这是人类面临的严重挑战。近年来电动汽车及混合动力汽车的开发，其推动力就是为了减轻城市大气污染。随着电池市场迅速发展，电池制造、使用维护特别是废旧电池的处置等带来的环境问题制约电池技术的可持续发展，已引起人们的关注。二十一世纪将更加强调开发新型绿色环保电池。将进一步推进传统电池的改进换代，如：碱性锌锰电池无汞无铅化；推进铅酸电池密封阀控技术，镉镍电池除强调回收处理外，限制在便携式电源中应用等。此外，废旧电池回收技术的开发已提到议事日程。（3）电池新材料领域不断取得技术突破

20世纪70年代，一系列储氢合金材料相继问世，80年代末，以LaNi5为代表的新型储氢合金达到实用化，实现了以储氢合金为负极的金属氢化物/镍电池。新型贮氢合金技术及高密度球形氢氧化镍的开发是镍氢电池得以发展的基础。

以金属锂为负极的锂二次电池的研究始于20世纪60~70年代，由于安全性问题难于解决至今仍难以实用化。20世纪80年代末，石墨化碳材料作为储锂负极材料的研究取得突破，1990年诞生了以石墨化碳材料为负极、过渡金属复合氧化物为正极的新型锂二次电池—锂离子电池。新型高容量电极材料的开发；高比容量金属电极材料（如：Li、Mg、Zn等）的成功改性；固体电解质材料特别是聚合物固体电解质材料性能的明显改善都必将带来电池性能的新突破。无论小型便携式设备还是电动汽车，都期待着电池这种性能的这种新突破。21世纪电池技术发展的热点和前景强调高能和绿色，将二十一世纪电池技术发展的两个显著特点；二十一世纪前10～20年，化学电源领域将呈现出三大发展热点：便携式设备用小型可充电池，包括氢镍电池、锂离子电池等先进二次电池以及质子交换膜燃料电池将会成为21世纪电池技术发展的热点。与常规大量生产的电池相比，这些新型电池目前的成本较高，难以满足大型电池市场。因此，对传统电池产品如锌锰、铅酸蓄电池等的生产技术及环保性能加以改进，仍将是电池技术发展的一个热点。（1）金属氢化物镍(MH/Ni)电池金属氢化物镍电池与同型号镉镍电池比较电池容量大50%，并且没有镉污染，90年代初问世以来迅速占领手机电池市场，其产量在2000年达到顶峰，其后由于比能更高的锂离子电池的竞争，从2001年开始有所下降。发展趋势（i）进一步提高电池性能（ii）发展高功率电池技术

（2）锂离子电池

自从1991年锂离子电池开发成功以后，很快进入了笔记本电脑、手机等高端电子信息产品市场，并且逐步占据主导地位。锂离子电池是21世纪发展的理想电源工作电压高（3.6V，是Cd-Ni电池和MH-Ni电池的三倍）；体积小，质量轻；能量密度高（Ni-Cd的2～3倍，MH-Ni的1～2倍）。目前，锂离子电池大致可分为三类：液态电解质锂离子电池；固态电解质锂离子电池：包括凝胶和全固态；金属锂二次电池。锂离子电池存在的问题有机电解液在高温下分解带来的安全问题；有机电解液和聚合物电解质离子导电率低；材料成本较高。发展趋势：（i）继续开发新材料，以便提高性能，降低成本。

目前多数锂离子电池正极采用LiCoO2，负极采用人工石墨化碳材料，价格昂贵。目前正在开发的新材料有：正极材料：

LiNi1-xCoxO2，LiMn2O4材料已日趋成熟，预计不久将部分替代LiCoO2，使锂离子电池的成本降低。最近，磷酸铁锂等新型正极材料的研究成为新的热点。负极材料：天然石墨改性，金属锂表面改性，合金负极等。电解质：提高聚合物固态电解质膜电导率，10-4~10-6→10-4

-1

cm-1

。

（ii）研究新体系：凝胶或全固态聚合物电解质锂离子电池

聚合物电解质锂离子电池更加安全，可进行软包装和制成异型。金属锂二次电池

如：美国Moltech公司采用独特薄膜技术研制出具有高比能、高放电率、安全、无污染的新型锂硫二次电池，其比能量大于200Wh/kg，可以用8C速率放电，可耐过充电及过放电而无须采取防护措施。薄膜锂电池

在信息产业中作为微电子的固定或移动电源具有广泛的应用前景；用于移动电源如医疗器械、微传感器、微传输器、智能卡、MEMS(MicroElectronicMechanicalSystem,微机电系统）器件等。面积为7.5cm2医疗器械用电池；制作在芯片背面的，面积

6.5cm2

电池，为正面电路提供电源，见

(c)面积为

1cm2

实验室薄膜电池图中所示为MIT研制的微电池，具有1200个微电池（iii）动力型锂离子电池展望优势:

工作电压高（3.6V，是Cd-Ni电池和MH-Ni电池的三倍）；体积小，质量轻,能量密度高（Ni-Cd的2～3倍，MH-Ni的1～2倍）。问题:

有机电解液在高温分解所带来的安全问题；有机电解液和聚合物电解质离子导电率低；材料成本较高解决安全问题是关键（3）燃料电池燃料电池被认为是最有发展前景的电动汽车电源。用作便携式电源的小型燃料电池技术的研究也开始受到重视，但尚未见实用性商品。燃料电池实用化的最大障碍除成本太高以外是燃料的转化、提纯、贮存、运输等技术问题尚未解决，还需进一步研究开发。目前发达国家各大汽车公司都投巨资进行研发。（4）碱性锌锰电池碱性锌锰电池可认为是第四代锌锰电池：

发展趋势：无汞碱性锌锰电池将成为原电池领域中首要发展热点，因为它的产量最大，应用面最广。（1）继续扩大无汞碱性锌锰电池在市场中的份额（2）继续改进性能

天然MnO2

糊式碱性纸板式电解MnO2糊式0.08Wh/cm3

0.12

Wh/cm3

0.15Wh/cm3

0.2Wh/cm3

（5）锂原电池锂原电池包括：有机电解质电池和无机电解质电池。锂原电池的发展热点将集中在锂锰电池方面，已开发出纽扣式及圆柱式结构。纽扣式结构广泛应用于各种智能型卡式电子装置中；圆柱式结构用于自动相机等需大放电率的电子产品及大容量长寿命的智能化工业仪表。我国是产锂大国，资源丰富，锂原电池工业也有一定基础，在今后技术发展中，应有所作为。结束语在21世纪，信息、材料、能源等领域将出现划时代的巨大发展，与之密不可分的储能技术及电池技术必将迎来一个崭新的时代，电池世界将更加五彩纷呈，海阔天空。无论是最有发展前景的新型绿色二次电池和燃料电池的研制，还是具有巨大市场容量的传统电池的改进，都存在广阔的研究和创新空间。电池技术的进步离不开新型电池材料的研究与开发。不论是物理、材料或化学工作者在这一领域都是可以有所作为的。1、电池的概念是什么？请描述电池的主要组成部分，及其工作原理。2、请根据电池的工作性质及储存方式对电池进行分类？什么是二次电池，并列举至少3种。3、什么是电池的使用寿命和自放电性质？4、请根据法拉第定律计算如下三种材料的理论比容量：LiMn2O4，LiFePO4,LiCoO2，要求提供计算过程。5、锂离子电池是二次电池中应用最为广泛的，对其正极材料和负极材料分别列举几个。作业：6、请描述日常生活接触到的2~3种电池类型，并介绍各种电池所使用的主要材料。7、已知：电池额定容量15Ah，若放电时率为2，则对应的放电电流密度Id是多少A？放电倍率为多少?若放电电流Id=5A，则放电时率和放电倍率x分别为多少？若放电倍率为0.2C，则放电时率和放电电流Id

又分别是多少？第二章铅酸电池材料主要内容铅酸蓄电池概述铅酸蓄电池的热力学基础板栅二氧化铅正极材料铅负极材料铅酸电池隔板材料铅酸蓄电池的性能铅酸蓄电池制造工艺铅酸蓄电池新进展2.1

铅酸蓄电池的概述1859年普兰特(Plante)发明可充电式铅酸电池;1881年富尔(Faure)发明涂膏式极板；1882年Tudor在卢森堡建立第一个铅酸电池厂；1910年发明了管式极板；1915年Willard发明了橡胶隔板；60年代，美国Gates公司发明铅钙合金，引起了密封铅酸蓄电池开发热；铅酸蓄电池的发展1971年，美国Gates公司发明了超细玻璃棉隔板（AGM），实现了电池“密封”的突破。1975年，GatesRutter公司获得D型密封铅酸干电池的发明专利，即阀控式铅酸蓄电池（VRLA)的电池原型；1979年，GNB公司发明了MFX正板栅专利合金，开始宣传并生产大容量吸液式密封免维护铅酸蓄电池(富液电池)；1984年，VRLA电池在美国和欧洲得到小范围富液电池应用；

1991年，英国发现富液电池并不象厂商宣传的那样，电池出现了热失控，燃烧和早期容量失效等现象；之后不久，原来提到的“密封免维护铅酸电池”名称正式被“VRLA电池”取代，原因是VRLA电池是一种还需要管理的电池；

1996年，VRLA电池基本取代传统的富液式电池，VRLA电池已经得到了广大用户的认可。VRLA基本化学反应和内部的气体再化合过程阀控密封铅酸蓄电池VRLA(Valve-RegulatedLead-Acid)VRLA电池的氧循环原理过充电时，正极板反应（产生氧气）VRLA实现密封的电化学反应原理2H2O→O2+4H++4e-

氧气通过隔板移向负极板表面。过充电时，负极板发生如下反应：（i）氧气与海绵状铅发生反应，生成氧化铅；（ii）氧化铅与电解液发生反应，生成硫酸铅；（iii）硫酸铅发生还原反应，重新生成铅。Pb+O2

→PbO2

PbO2+Pb+2H2SO4

→2PbSO4+2H2O2PbSO4+4H++4e-

→2Pb+2H2SO4负极板总反应：O2+4H++4e-=2H2OVRLA电池的关键技术

高孔隙率AGM隔板为O2的复合提供通道电池极群紧装配，预压缩装配压在40~60kPa

过量负极活性物质，正负极板容量比为1:1.1~1.2

高纯度的无锑板栅合金，提高析氢过电位开、闭压可靠的安全阀开阀压：10~49kPa，闭阀压：1~10kPa

恒压限流的充电方式无需补加水，具有“免维护”的功能

不漏液、无酸雾、不腐蚀设备

自放电小，自放电率小于2%（每月）

电池寿命较长，浮充状态使用可达2~3年

结构紧凑，占地面积小

高低温性能较好，可在-40~+50oC使用

无“记忆效应”（浅循环时容量损失）

比能量较高，大电流放电性能好VRLA电池的优点铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电池的用途中型及小密电池可广泛应用于照明灯、便携仪器设备的电源、UPS不间断电源、控制开关、通讯设备、报警器、汽车牵引电源等；大密电池主要应用于大型基站的通讯后备电源。UPS不间断电源通讯后备电源照明、应急灯电动车电源牵引车用电源铅酸蓄电池的特点优点：原料易得价格低廉；高倍率放电性能好；高低温性能好，可在-40~60℃工作；使用寿命长，无记忆效应；废旧电池易回收，发达国家铅回收率达96%。缺点：比能量低，仅为30~40W.h/kg；使用寿命没有镉镍电池和锂离子电池长；制造过程易造成铅环境污染，国内外曾报道发生多起“血铅”事件。2.2

铅酸蓄电池的热力学基础铅酸蓄电池充放电反应双硫酸盐理论φ-ϴ

=-0.300Vφ+ϴ

=1.655V电池电动势铅酸蓄电池的电动势只与硫酸的浓度有关，与蓄电池含有的铅、二氧化铅或硫酸铅的量无关；正负极的稳定电势接近于他们的平衡电极电势，故电池的开路电压与电池的电动势接近。此外，电池的电动势也受温度影响，其温度系数表示电池电动势与温度之间的关系，可用吉布斯--亥姆次方程式表示：吉布斯--亥姆次方程2.3板栅概述板栅是铅酸蓄电池的基本组织结构之一，它占蓄电池总质量的20%~30%左右。板栅的作用主要有:(1)支撑活性物质，充当活性物质的载体;(2)传导和汇集电流，使其均匀分布在活性物质上。板栅合金，特别是正极材料，电极工作时处于较强腐蚀环境下，热力学上处于不稳定状态，易发生阳极腐蚀，导致电池失效。（1）应有良好的导电性能（2）必须具有足够的硬度和强度（3）板栅材料与活性物质粘合力强，具有较小的接触电阻（4）具有良好的耐腐蚀性能（5）具有良好的铸造性能，即流动性、充型性要好板栅材料选择要求（6）具有较低的析气(水损失)和自放电特性（7）成本及价格要低廉（8）具有良好的环保、卫生特性，尽可能地减少对人体和环境的危害。

板栅合金普通开口蓄电池板栅一般用铅锑合金，免维护蓄电池板栅一般用低锑合金或铅钙合金，而密封阀控蓄电池板栅一般用铅钙合金。板栅合金铸造工艺分两步：第一步：根据电池类型确定合金铅型号放入铅炉内加热熔化，达到工艺要求后将铅液铸入金属模具内，冷却后出模经过修整码放；第二步：修整后的板栅经过一定的时效后即可转入下道工序。板栅铸造工艺的主要控制参数：板栅质量、板栅厚度、板栅完整程度、板栅几何尺寸等；高锑合金(4~12%):

具有良好的浇铸性能和深循环性能，但存在负极锑“中毒”现象;低锑合金(0.75一3%):浇铸性能、机械强度和耐蚀性略差，但在一定程度上能满足免维护的要求，并消除负极锑“中毒”现象。铅锑（Pb-Sb）板栅合金铅锑合金优点

抗拉强度、延展性、硬度及晶粒强化作用优于纯铅，极板、板栅不易变形

熔点和收缩率低于纯铅，具有优良的铸造性能

热膨胀系数比纯铅更低，板栅浇铸时气孔和缩孔少，尺寸精度高腐蚀比纯铅更均匀，腐蚀产物增强了板栅与活性物质的粘附力，影响活性物质的微观结构，有利于电池循环寿命。铅锑合金缺点铅锑合金正极板栅制备的蓄电池充电时，锑会从正极板溶解到溶液，并沉积到负极活性物质上。

随着循环次数的增加，负极活性物质上积累的锑量不断增加，而在锑上H+具有较低的放电过电位，增加了电池过充、贮存时的析氢量。

一部分锑吸附在正极活性物质上，降低了析氧超电势和水的分解电压，故充电时水易分解，存放时易自放电。铅锑合金板栅蓄电池无法制成密封式，需经常加水，补充充电和自放电而失去的水分。

过充时，还逸出有毒气体SbH3，而且正极板栅腐蚀速率随锑含量的增加而增加。铅钙（Pb-Ca）板栅合金铅钙合金优点

析氢过电位高于Pb-Sb合金约200mV，接近纯铅，抑制了电池自放电和充电时负极析氢量，具有较好免维护性能

沉淀硬化型的铅钙合金，提高了板栅机械强度，减缓了板栅的膨胀变形

导电能力优于铅锑合金，Pb-Ca板栅蓄电池低温性能明显优于铅锑合金铅钙合金缺点钙易氧化，铸造时要求惰性气体保护，所以设备和操作比较复杂；而夹杂的氧化物浇铸时滞留在板栅表面，阳极腐蚀时有可能成为活化中心。板栅腐蚀膜含大量PbSO4，PbSO4导电性能差，且PbSO4膜具有半透性，Pb2+和SO42-难以通过它，只能是H+的电迁出或OH-的电迁入，导致膜pH值上升，易生成PbO。

PbO导电性更差，导致钝化发生，破坏了板栅与活性物质的良好粘附性，增大了界面电阻，使充放电电流利用率大幅降低，导致电池深放电后再充电能力差，早期容量损失，即所谓的无锑效应，不适合用于深放电蓄电池。造成正极板栅膨胀，引起活性物质脱落，使内部短路，降低电池寿命。

合金腐蚀速率随钙含量增加而增加，普遍降低合金中钙的含量来改善板栅的抗腐蚀性。2.4二氧化铅正极

二氧化铅的多晶现象常见两种晶型：α-PbO2：斜方晶系，铌铁矿型，形成于弱酸或碱性溶液β-PbO2：正方晶系，金红石型，形成于强酸溶液，更稳定电池使用中，存在α-PbO2向β-PbO2转变的过程；与α-PbO2相比，单位质量的β-PbO2能提供更高容量，这是因为：(1)β-PbO2真实表面积大；(2)放电过程中α-PbO2生成致密的PbSO4层，降低了活性物质的利用率；而β-PbO2生成疏松PbSO4层；PbO2颗粒的凝胶-晶体形成理论20世纪90年代Pavlov等人提出；主要内容：(1)正极活性物质最小单位为PbO2颗粒，而不是PbO2晶体；(2)这种PbO2颗粒由α-PbO2和β-PbO2晶体以及周围的水化带组成；(3)水化带由PbO(OH)2构成，呈链状结构，一种质子和电子导电的胶体结构凝胶-晶体形成理论(4)许多颗粒互相接触构成具有微孔结构的聚集体和具有大孔结构的聚集体骨骼；(5)电化学反应在微孔聚集体上发生，在大孔聚集体上进行离子的传递和形成PbSO4。PbSO4

→Pb2++SO42-Pb2+→Pb4++2e-Pb4++4H2O→Pb(OH)4+4H+Pb(OH)4具有溶胶特性，部分脱水后形成凝胶颗粒：nPb(OH)4→[PbO(OH)2]n+kH2O[PbO(OH)2]n凝胶颗粒进一步脱水形成PbO2微晶和晶体：[PbO(OH)2]n→kPbO2+(n-k)[PbO(OH)2]+kH2OPbO2颗粒形成机理正极活性物质的反应机理目前出现三种关于铅酸蓄电池正极充放电反应机理：液相反应机理固相反应机理胶体结构反应机理PbO2充放电过程，以H2SO4溶液的Pb2+氧化还原反应作为中间步骤；放电：PbO2晶体Pb4+接受外电路电子被还原为Pb2+转入溶液，与HSO4-反应沉淀为PbSO4固体而附着在电极上；充电：PbSO4溶解为Pb2+进入溶液，Pb2+被氧化为Pb4+

，并将电子传递给外电路，同时溶液中H2O分子将H+留在溶液中，O2-和Pb4+进入PbO2晶格。液相反应机理PbO2还原是通过固相生成一系列中间氧化物来实现的，而溶液中的离子不参加反应过程。在放电过程中，其氧化度不断降低，每一个瞬间均可把活性物质看作含不同比例的Pb4+

、Pb2+及O2-的固体物质，而PbSO4的生成则被解释为中间氧化物与H2SO4发生化学反应的结果。固相反应机理电子从金属板栅通过腐蚀层到达正极活性物质；H+和H2SO4从主体溶液沿着孔结构进行传质，与活性物质接触；

电化学反应：PbO2+2H++2e-→Pb(OH)2Pb(OH)2

+H2SO4→PbSO4+2H2OPbSO4在孔结构中成核和长大。胶体结构反应机理2.5铅负极铅负极的反应机理目前出现二种铅负极反应机理：溶解沉积机理固相反应机理研究发现：

溶解沉积过程主要在较低过电势下发生，而固相反应过程主要发生在较高过电势下。放电过程：当负极的电极电势超过Pb/PbSO4的平衡电极电势时，Pb首先溶解为Pb2+，扩散后与HSO4-和SO42-，发生PbSO4沉淀，并逐渐成长；充电过程：PbSO4先溶解为Pb2+和SO42-，Pb2+接受外电路的电子被还原成Pb固体。溶解沉积机理对于负极的放电反应，当放电电势超过某一数值时，达到固相成核过电势时，发生固相反应，SO42-与Pb表面碰撞直接成核，形成固态的PbSO4，随后PbSO4层以二维或三维方式生长，直到Pb表面上完全被PbSO4覆盖，最后PbSO4层的生长速度由Pb2+通过PbSO4层的传质速度所决定。固相反应机理铅负极的钝化常温低倍率放电时，铅酸电池的容量取决于正极；而在低温和高倍率放电时，容量取决于负极，主要原因就是由于负极的钝化。钝化原因：铅负极表面形成多晶硫酸铅覆盖层，将电极表面和硫酸溶液隔离，阻断电极反应进一步发生。钝化条件：大电流放电、硫酸浓度过大、放电温度过低等。铅负极活性物质的收缩与添加剂充放电循环过程中，负极海绵状铅存在收缩其表面趋势，其真实表面积大大减少，大大降低了负极板的容量。防止办法：采用负极添加剂。收缩现象功能：一是阻止负极活性物质收缩；二是去极化作用。种类：一是无机添加剂（乙炔黑、木炭粉和硫酸钡等）；二是有机添加剂（木屑、各种木素、腐殖质等），又称为负极膨胀剂，吸附活性物质上，阻止收缩。负极添加剂铅负极的自放电铅酸蓄电池储存一段时间后，容量会自行降低，发生自放电现象。自放电速度是由铅负极决定的。影响因素：随使用板栅合金的不同而不同，并随酸浓度的提高和温度增加而增加。自放电现象铅自溶：Pb+H2SO4→PbSO4+H2

(无氧)或：Pb+1/2O2+H2SO4→PbSO4+H2O(有氧)正极板栅合金组分(金属杂质)向负极迁移，与铅一起形成小型原电池，导致自放电发生。自放电原因铅负极的不可逆硫酸盐化负极活性物质一定条件下生成几乎不溶的硫酸铅，且充电时难以转化为活性物质—海绵铅，使容量降低。概念产生原因长期充电不足；放电状态下长期储存；表面活性物质的吸附。

一旦发生不可逆硫酸盐化，如能及时处理尚能挽救，其过程：将电解液浓度调低，在很小充电电流下充电，然后放电，如此循环数次，有可能达到恢复电池容量目的。防止手段及时充电、不要过放电挽救处理措施2.6铅酸蓄电池隔板材料隔板是铅酸蓄电池的重要组成，不属于活性物质。在某些情况下甚至于起着决定性的作用。其本身材料为电子绝缘体，而其多孔性使其具有离子导电性。

隔板的电阻是隔板的重要性能，它由隔板的厚度、孔率、孔的曲折程度决定，对蓄电池高倍率放电的容量和端电压水平具有重要影响；概述隔板在硫酸中的稳定性直接影响蓄电池的寿命；隔板的弹性可延缓正极活性物质的脱落；隔板孔径大小影响着铅枝晶短路程度。

电池隔板的优劣是影响铅酸蓄电池充放电寿命、自放电大小、容量高低的一个极其重要的因素，因此在蓄电池生产过程中，应根据不同电池的特性，合理地选择所需要的电池隔板。

防止正负电极板互相接触而发生电池内部短路；使电池装配紧密，缩小电池体积；

防止极板变形，弯曲和活性物质脱落；

在极板间的多孔性隔板中贮存必要数量的电解液，以保证较高的导电性和电池反应的要求；

阻止一些对电极有害的物质通过隔板进行迁移和扩散。隔板材料的作用隔板材料选择条件隔板材料本身是绝缘体，但做成隔板则必须有疏松多孔结构，且能吸放大量的电解质溶液；

隔板的化学稳定性要好，必须耐硫酸腐蚀、耐氧化和老化；

隔板应具有较大的机械强度和弹性，便于生产中安装；

隔板应具有较好的润湿性，即它应能很快地被电解液硫酸浸透；

隔板中不能有在硫酸溶液中能浸出对电池有害的杂质；表面颜色应一致，不允许有裂纹和穿孔；

浸在电解液硫酸溶液中电阻要小；

应具有较宽的使用温度范围；

应具有一定孔率，且孔径一致性要高；

对软质隔板要具有符合要求的收缩或膨胀率；

对软质隔板应具有较好的耐折性；隔板的干厚度及均匀性应符合指标要求。隔板发展历史20世纪50年代，主要用木隔板，要求湿润条件下使用，负极板易氧化，初充电时间长，无法用于干荷式铅蓄电池。尤其木隔板在硫酸中不耐氧化腐蚀，蓄电池寿命短。为此，提出木隔板与玻璃丝棉并用隔板，蓄电池寿命成倍增加，但电池内阻增加，对容量、起动放电不利，尚满足当时标准要求。木隔板20世纪60年代中期，出现了微孔橡胶隔板，具有较好耐酸性和耐氧化腐蚀性，明显提高了电池寿命。

促进蓄电池结构改进，减小了极板中心距离，使蓄电池起动放电性能和体积比能量有较大的提高。从20世纪70年代至90年代初，占统治地位。

缺点：被电解液浸渍速度较慢，资源缺乏，制造工艺较复杂，成本高。另外，不易制成较薄成品（厚度<1mm）。同时，还出现了烧结PVC隔板以及相继出现的软质聚氧氯乙烯隔板，该种隔板同橡胶隔板相差不大，但在80年代很畅销。微孔橡胶隔板聚合物复合隔板由于微孔橡胶隔板成本提高，20世纪90年代相继出现PP（聚丙烯）隔板、PE（聚乙烯）隔板和超细玻璃纤维隔板（商品各为10-G）及其它们的复合隔板；

虽然PE隔板具有较小孔径，极低电阻和极薄基底，易于做成袋式，适于蓄电池连续化生产。但目前国内外尚未大批生产，相适应的装配线（包括配组机）也有限，所以使用尚不普遍；

PP隔板和10-G逐渐为汽车型蓄电池厂家所接受。密闭阀控式铅酸蓄电池主要是在用AGM(吸附式玻璃纤维隔板)，后文将主要介绍AGM隔板。

AGM隔板的结构和特性由不含任何有机粘结剂的直径为0.5~4um的超细玻璃纤维所组成。经抄纸法制成非压缩玻璃纤维纸，其结构为多层毡状，由无序排列的玻璃纤维形成相对小而高曲径的自由通道。AGM隔板结构AGM隔板特性吸液量高，吸液速度快，亲水性好，在整个寿命期间保持其高的吸液率；表面积大，孔隙率高。过充时可以保证正极生成的氧气通过隔板扩散到负极，与负极上的海绵铅结合；

孔径小，有效防止电池短路和枝晶穿透；

化学纯度高，有害杂质少；具有非常好的耐酸性和抗氧化性；

电阻率低。超细玻璃纤维化学组成的影响玻璃棉化学成分是影响隔板性能的一个关键因素，它直接影响隔板的化学性能。超细玻璃纤维棉直径和长度的影响超细玻璃纤维直径越小，表面积大，湿润性高，吸液速率大，隔板孔径也小，抵抗枝晶穿透能力强，但电阻值升高，需选择一个最佳值。玻璃纤维棉长度也影响隔板性能。棉长，纤维不易分散易絮聚，使隔板不均匀；棉短，隔板均匀性能改善，但强度低，也需选择一个最佳的长度。影响AGM隔板性能的主要因素超细玻璃纤维棉中有害杂质的影响玻璃纤维棉中的杂质对隔板性能有着直接的影响。玻璃纤维棉中存在铁、铜、镍等金属或金属离子将增加电池的自放电和析气量。因此必须选择有害杂质少的原料，才能确保隔板具有好的性能。2.7铅酸蓄电池性能电压与充放电特性电动势：约为2V，其实际大小由硫酸浓度和工作温度决定；开路电压：外电路没有电流通过时，电池两极间的电势差，其经验公式为

V开

=1.85+0.917(ρ液

–ρ水)工作电压：也称为放电电压或端电压，其表达式为V工作

=E-η+-η--IR(V)充放电曲线铅酸蓄电池的容量放电倍率—放电倍率越大，工作电压下降越快，并更快达到放电终止电压，电池放出的容量就越小。放电温度—放电温度越低，硫酸水溶液电导率越低，欧姆极化越大，导致电池放电容量也越小。铅酸蓄电池容量主要取决于所用活性物质的数量与活性物质的利用率。影响因素放电终止电压—大电流放电时，放电容量相对额定容量少，生成PbSO4少，终止电压选择应低一些；反之，应选择高一些。电极与电池的结构、制造工艺是决定电池容量的根本因素，涉及：极板几何尺寸、板栅结构、极板的孔隙率、正极中α-PbO2和β-PbO2的比例、活性物质与板栅结合好坏、隔板的选取、添加剂的使用情况等。铅酸蓄电池的失效铅酸蓄电池的失效主要包括：

正极板栅的腐蚀与长大；

正极活性物质软化、脱落；

负极的不可逆硫酸盐化；

早期容量损失；

热失控。内在因素活性物质的组成、晶型和孔隙率极板结构与尺寸板栅材料和结构电解液浓度与数量外部因素放电电流密度放电深度—电池放出的容量与其电池实际容量之比过充电程度（时间越长，次数越多，寿命越短）维护状况与储存时间电池循环寿命铅酸蓄电池的循环寿命铅酸蓄电池的充电接受能力概念：亦称为电池库仑效率，指电池放出的容量占前次充入容量的百分数，是铅酸电池的一个重要指标。通常情况下，铅酸电池的充电接受能力主要取决于负极，在低温和高倍率放电条件下尤其如此。2.8铅酸蓄电池制造工艺1.板栅制造2.铅粉制造3.铅膏配制工艺流程:合金配制→模具加温→喷脱模剂→重力浇铸→时效硬化两种方法:球磨法和气相氧化法，铅粉氧化度(含氧化铅的质量百分数，一般在65~80%)正极板铅膏:铅粉、硫酸、短纤维和水负极板铅膏:铅粉、硫酸、短纤维、水和添加剂和膏工艺(和膏机搅拌):铅粉和添加剂

→短纤维和水→硫酸

4.生极板制造5.极板化成6.电池装配工艺流程:涂板(板栅)→淋酸(浸酸)→压板→表面干燥→固化生极板成分:PbO,3PbO•PbSO4•H2O或4PbO•PbSO4•H2O化成:通入直流电，使正极活性物质发生电化学氧化，生成二氧化铅;同时，负极板上发生电化学还原，生成海绵状铅。工艺流程:配组极板群(负极板+隔板+正极板)→焊极群→装槽(紧装配)→穿壁焊接→热封盖→焊端子→灌注封口胶2.9铅酸蓄电池新进展超级电池和铅碳电池技术

超级电池(UltraBattery)和铅碳电池(Pb-C电池)是为高倍率部分荷电状态(HRPSoC)下循环使用而研制的新型铅蓄电池，主要针对动力电池应用。

超级电池：正极活性物质为PbO2、负极为电容碳材料制备的碳电极和海绵铅负极并联或将碳材料覆于铅负极表面、电解液为H2SO4溶液所构成的储能装置。

Pb-C电池：正极活性物质PbO2，电解液H2SO4溶液，负极为传统负极活性物质加入一定量碳材料。

超级电容器和铅酸电池联合储能装置超级电池技术超级电容器和铅酸电池联合储能装置轻度HEV10秒－20分钟要求储能装置具有电容器和电池的性能超级电容器和铅酸电池联合储能装置超级电池的原理超级电池的原理超级电池是一个不对称超级电容器电容器电极有、无添加剂的析氢与铅酸电池负极析氢的比较负极析氢超级电池性能放电深度和充电/放电功率之间的关系充电/放电功率超级电池和其它电池在部分荷电状态(PSoC)工作条件下的循环寿命比较10%DOD循环寿命超级电池与其他电池的成本比较超级电池成本超级电池与Ni-MH/Li-ion电池的成本比较超级电池成本超级电池与Ni-MH电池块在本田InsightHEV行驶试验期间油耗，二氧化碳排放和成本比较电池耗油率（升/100km）CO2排放（g/km）成本($)Ni-MH电池组4.06962400超级电池组4.1698.8422数据取自MarkStevenson2007年4月BCI会议综述“新汽车领域铅与镍的任务”超级电池成本由澳大利亚CSIRO承担ALABC的项目研发，日本FURUKAWA（古河）生产HEV用12V8.5Ah超级电池比现在用电池便宜70％超级电池的应用组装的超级电池组超级电池日本FURUKAWA（古河）生产HEV用12V7Ah超级电池超级电池的应用超级电池的应用超级电池安装在HONDAInsight混合电动车替代Ni-MH电池超级电池的应用推进混合电动车市场化的铅酸蓄电池重大突破安装ALABC超级电池的本田Insight混合电动车，在位于英国伦敦附近的MillbrookProvingGround完成了100,000英里的行驶距离。其重大意义在于证明了超级电池：1.超级电池完全可以替代Ni-MH电池用于混合电动车2.比Ni-MH电池具有更好的汽车运行性能3.电池成本大大低于Ni-MH电池，有利于HEV市场化4.电池回收率大大高于NiMH和锂离子电池超级电池获得了美国政府3250万美元资助由EASTPENN在美国生产，用于HEV超级电池的应用位于英国Millbrook的通用汽车公司的游轮采用澳大利亚CSIRO研制、日本古河公司生产的超级电池组，完成了85000英里的测试，性能良好超级电池的应用再生能源（风能、太阳能）的储能电池工作状态－PartialStateofCharge超级电池的应用风能的储能超级电池的应用风能储能用超级电池模块安装在NewcastleEnergyCentre超级电池的应用

6KWh超级电池模块超级电池的应用超级电池用于风能的储能和平稳供电超级电池用于下一代电力供应系统超级电池的应用

Pb-C电池技术第二代超级电池：VRLA-C电池（Pb-C电池）1、回收率高（97％），远高于其他电池2、没有易燃成分，安全性好3、有很好的生产基础，无需大量投入4、价格最便宜，1KWh电池（作为混合电动车辅助动力）最近价格：Ni-MH电池$2000，Li-ion电池$1000，松下VRLA电池$2505、普通铅酸蓄电池最大问题是部分荷电下高倍率放电（HRPSoC）负极加入碳，导致HRPSoC