《电工基础》课件10 电池

项目四

电池电池电池分类电池种类繁多，外形差别较大，划分种类很多。按照电池的工作性质及使用特征分类，可分为一次电池、二次电池。（1）一次电池（干电池）（2）二次电池（蓄电池）电池分类按照电池反应原理分类，可分为（1）化学电池。（2）物理电池。（3）生物电池。（4）新型电池。电池的基本术语和性能指标1.工作电压（额定电压）（V）：指电池接通负载后在放电过程中显示的电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。2.电池容量（Ah）1）额定容量：在行业标准规定的条件下电池所应该放出的电量。额定容量是制造企业标称的容量，作为验收电池质量的重要技术指标。2）实际容量。实际容量通常比额定容量大10%～20%。（南孚5号电池2100毫安时左右/7号电池700毫安时左右）3.能量密度（W▪h/kg）与功率密度（W/kg）1）能量密度又称比能量，是单位质量或单位体积电池储存的能量。2）功率密度又称比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功率，它反映了电池的瞬时能量输出能力，高功率密度的电池能够提供更快的充电和放电速度，适合高性能应用，但通常在能量密度方面较低。不同储能器的比能量和比功率比较电池种类比能量（W▪h/kg）比功率（W/kg）铅酸蓄电池30-40300-500镍氢电池40-50500-800锂离子电池60-70500-1500超级电容器2-8400-4500化学电池电子转移过程散乱，无法被人类利用问题:如何实现电子的集中和定向移动?一种将所储存的化学能转变成电能的装置。原电池原电池基本构造：正极、负极、电解质电解质（CuSO4、稀H2SO4等）负极正极负极：Zn正极：Cu2++2eZn2+

+

2eCu负极反应：Zn–2eZn2+正极反应：2MnO2

+

2NH4+

+

2e Mn2O3

+

H2O

+

2NH3总反应：Zn

+

2NH4+

+

2MnO2

Zn2+

+

2NH3

+

H2O

+

Mn2O3负极材料：Zn正极材料：C（MnO2）电解质：NH4ClNH4Cl电解质（酸性）大公、牡丹、中华、天鹅、555锌锰电池（勒兰社电池）单电池电压：1.5

VKOH电解质（碱性）南孚、双鹿、白象、劲霸负极材料：Zn正极材料：C（MnO2）电解质：KOH负极反应：Zn+2OH-–2e正极反应：2MnO2

+H2O+2eZnO

+H2OMn2O3

+

2OH-碱性锌锰电池总反应：Zn

+

2MnO2

ZnO

+

Mn2O3单电池电压：1.5

V问题一：为何称“干”电池？问题二：为什么干电池用完后不能再充电使用？糊状电解质，不可流动，称为“干”液态电解质，可流动，称为“湿”

不可逆电池锌锰干电池使用使用寿命：反应物质（负极、正极、电解质）的消耗电池负极锌的自放电，造成锌负极的腐蚀，电池性能下降，长时间放置导致电解液干枯，电池出现气胀、冒浆、鼓胀以及铜帽生锈等等。电池存储：清洁干燥通风凉爽的环境中，相对湿度不应大于40%、不小于5%，温度不高于30度，但也不要低于-10度！锌锰干电池的回收废电池回收废旧电池内含有大量的重金属以及废酸、废碱等电解质溶液。如果随意丢弃，腐败的电池会破坏我们的水源，侵蚀我们赖以生存的庄稼和土地，我们的生存环境将面临着巨大的威胁小结干电池是一种原电池，在放电过程中其正极、负极、电解质都参与电化学反应，只要其中任何一种物质消耗完，干电池将无法再使用，因此，干电池又称为一次电池。根据电解质的不同，干电池可以分为酸性（盐）电池和碱性电池两大类。废旧电池内含有大量的重金属以及废酸、废碱等电解质溶液，不能随意丢弃。化学电池干电池（锌锰电池）镍镉电池

镍氢电池铅酸电池锂电池不可逆电池可逆电池充电放电镍镉/镍氢电池Cd+2NiO(OH)+2H2O==2Ni(OH)2+Cd(OH)2镍镉电池和镍氢电池采用氧化镍或氢氧化镍作正极，氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液作电解质溶液，金属镉或金属氢化物作负极。单电池电压：1.3

V镍镉/镍氢电池正极：Ni(OH)2+OH-==NiOOH+H2O+e-负极：M+H2O+e-==MHab+OH-总反应：Ni(OH)2+M==NiOOH+MH单电池电压：1.3

V充电左→右问题：电动自行车使用何种电池？铅酸蓄电池，俗称电瓶PbSO4

+

2H2O正极反应：PbO2

+SO42-+4H++2e总反应：Pb+PbO2

+2H2SO42PbSO4

+

H2O充电过程：逆反应铅酸电池多个单电池通过串、并联技术组成一个电池组负极材料：Pb正极材料：PbO2电解质：H2SO4放电过程：负极反应：Pb

+

SO42--

2e

PbSO4单电池电压：2.1

V铅酸电池的优缺点优点:原材料来源广泛成本低廉适用于大电流放电工作温度范围宽可靠性高缺点:环境污染（生产过程、废弃电池）强酸性电解质（强腐蚀性）铅酸电池一种可逆电池（RechargeableBattery），可以多次充放电循环使用，属于二次电池中的一种。铅酸电池的负极为金属铅，正极为PbO2，电解质为硫酸。铅酸电池成本低廉，应用广泛。但由于其比容量和能量密度低，而且存在严重的环境污染风险，因此，铅酸电池有被其它能量密度高、环境友好的绿色能源技术取代的趋势。锂离子电池锂离子电池是一种可逆电池，放电时锂离子由负极向正极迁移，充电时锂离子向反方向迁移。为什么要发展锂离子电池？金属铅（Pb）的密度：11.34

g/cm3金属锂（Li）的密度：0.534

g/cm3锂是自然界最轻的金属！锂离子电池工作原理正极负极隔膜正极反应：负极反应：总反应：充电放电充电放电单电池电压：3.2-3.7

V电极反应过程中总是涉及锂离子的嵌入与脱嵌过程.正极材料:LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等负极材料:碳（石墨）等层状结构（Layered）尖晶石结构（Spinel）橄榄石结构（Olivine）锂离子电池的应用电子设备：手机

照相机笔记本电脑剃须刀儿童的电动玩具车电动汽车小功率（W级）电池大功率（KW级）动力电池储能电池（智能电网）小结锂离子电池是一种可逆电池，其工作原理是锂离子在电极内部的嵌入与脱嵌。通常锂离子电池的负极材料为碳，正极材料为LiCoO2、LiFePO4、LiMn2O4。锂离子电池具有比容量高、寿命长、可大电流充放电、绿色环保等优点。燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化成电能的装置。燃料：H2、CH4、CH3OH、CH3CH2OH、HOCH2CH2OH等AnodeCathode燃料O2Load电解质层电解质层：分隔阴极/阳极传导离子电子绝缘电极材料本身不反应燃料电池(Fuel

Cell)燃料电池的特点燃料电池无充电过程，燃料和氧气由外部供给，可持续发电燃料的化学能直接转变为电能铅酸（蓄）电池锂离子电池镍氢电池先充电，再放电干电池“蓄电”不能充电，不能补充电极材料，用完即废弃电极材料本身不发生反应，仅起催化作用参与电化学反应的燃料和氧气均为流体（气体或液体）能量效率高H2-O2燃料电池：理论效率：83%，实际效率：50-60%清洁（零污染）安静燃料适用范围广：氢气，甲醇等富氢燃料物理电池物理电池是指通过物理反应转换电能的装置，即在电池的使用过程中电池内部本身不产生化学反应。常见的有太阳能电池、超级电容等。太阳能电池太阳能是一种储量极其丰富的对环境无污染的可再生能源。太阳能电池作为人们利用可持续的太阳能资源，是解决世界范围内的能源危机和环境问题的一条重要途径。太阳能电池是利用太阳光和材料相互作用直接产生电能。太阳能电池太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结内建电场的作用下，光生空穴流向P区，光生电子流向N区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能电池的发展

1954年美国贝尔实验室制成了世界第一个实用的太阳能电池，效率为4%，1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。

1960年代开始，美国发射的人造卫星就已经利用太阳能电池作为能量的来源。

1970年代能源危机时，让世界各国察觉到能源开发的重要性。

1973年发生石油危机，人们开始把太阳能电池应用到一般的民生用途上。

美国推出了“太阳能路灯计划”，旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电，根据计划，每盏路灯每年可节电800度。

欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的“尤里卡”高科技计划，推出了“10万套工程计划”。这些以普及应用光电池为主要内容的“太阳能工程”计划是推动太阳能光电池产业大发展的重要动力之一。

中国已成为世界第三大太阳能电池生产国，但是由于政策和技术瓶颈，自主研发实力不强，国内市场也远未形成。主要是出口国外，除了中国、还有日本和德国，中国位列出口量第一，且具有较为明显的领先优势。太阳能电池的特点（1）重量轻（2）成本低（3）转换效率高太阳能电池的应用太阳能发电太阳能热水器太阳能电池的应用航空器太阳能路灯超级电容超级电容器(supercapacitor)，又名电化学电容器，是一种新型储能装置。与传统的化学电源不同，超级电容器是一种介于传统电容器与电池之间的电源，具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优势。可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在工业控制、电力、交通运输、智能仪表、消费型电子产品、国防、通信、新能源汽车等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力。超级电容基本原理：当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小（一般为0.5

nm以下），再加之采用特殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。双电层电容其双电层的间距极小，致使耐压能力很弱，一般不会超过20

V，所以其通常用作低电压直流或者低频场合下的储能元件。生物电池生物电池（Bio-battery），是指将生物质能直接转化为电能的装置。从原理上来讲，生物质能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。生物电池的应用1.在医疗领域，它可以做成微型的血糖监测器，装在人体内部随时监测血糖水平。2.环保领域在处理污水的时候顺便发电！3.在农业方面，它能把农业废弃物变成电能。4.海洋监测中，就能靠海洋微生物发电，为各种监测设备供电。5.军事领域，战士们在野外执行任务，背着这么个小玩意儿，就能用周围的植物、土壤里的有机物发电，给通讯设备充电。6.在太空探索中，宇航员们可以用它处理航天器上的废物，同时还能产生电能。7.最近科学家们还研究出了用它来给小型电子设备供电的方法。想象一下，以后我们的智能手表可能就靠着手腕上的汗水发电，这画面想想就觉得超级酷！其它新型电池1.固态电池固态锂电池技术采用锂、钠制成的玻璃化合物作为传导物质，取代以往锂电池的电解液，大大提升锂电池的能量密度。固态电池一般功率密度较