储能材料与器件重点

储能材料与器件重点储能材料与器件重点 考试题型填空题20分 简答题50分 论述题30分考题分布汤昊老师6 0分 10 30 20 胡友根老师40分 10 20 10 汤昊老师考题 全在网络教学平台试题库中 胡友根老师划定重点 I汤昊老师部分一 填空题1 超载吸附只能改变紧密层和分散层电势 差的大小或符号 改变电势分布 但不能改变整个相间电势差 2 扩散双电层理论认为 溶液一侧的剩余电荷一部分排在电极表面 形成紧密层 其余部分按照玻耳兹曼分布规律分散于表面附近一定 距离的液层中 形成分散层3 在有电流通过电极时 电极电势偏离 可逆 平衡 电势值的现象称为电极的极化 4 超电势或电极电势与电流密度之间的关系曲线称为极化曲线 它 的形状和变化规律反映了电化学过程的动力学特征 5 电极反应的基本动力学参数 对称系数 和 主要决定于电极 反应的类型而与反应粒子浓度关系不大 6 电极电势越小 越容易失去电子 越容易氧化 是较强的还原剂 电极电势越大 越容易得到电子 越容易还原 是较强的氧化剂 7 电池电动势是通过原电池电流为零时 电池反应达平衡 的电池电 势 用E表示 单位为伏特 8 燃料电池的寿命是指输出电压降至初始值的90 时的运行时间 9 在PAFC中有3种冷却方式空气冷却 绝缘液体冷却和水冷却 10 目前燃料电池最常用的燃料是H2 11 在碱性燃料电池中 通常使用的电解质是KOH的水溶液 浓度一 般为6 8ml L 12 质子交换膜型燃料电池是以全氟磺酸型固体聚合物为电解质的燃 料电池 13 固体氧化物燃料电池的电解质为固体氧化物 其在高温下具有传 递O2及分隔燃料和氧化剂的作用 14 在MCFC中 阴极CO2与O2组成比例为2 1时 阴极反应最佳 15 目前绝大多数固体氧化物燃料电池都以6 10 Y2O3掺杂的ZrO2为固体电解质 16 磷酸燃料电池是以浓磷酸为电解质 以贵金属催化的气体扩散电 极为正 负电极的中温型燃料电池 17 在MCFC中 CO2是必不可少的物质 其在阴极为反应物 在阳极 为产物 18 SOFC常采用的结构类型有管型和平板型两种 19 质子交换膜型燃料电池广泛采用的双极板是石墨板与金属板 20 法拉第赝电容超级电容器是基于电极表面的活性物质发生的快速 可逆氧化还原反应或者法拉第电荷转移反应而产生的法拉第赝电容 21 金属氧化物在电极 电解液界面产生的法拉第准电容远大于炭材 料表面的双电层电容 其容量大概是炭材料电容容量的10 100倍 有很广阔的发展前景 22 双电层超级电容器是基于电解液中离子和电极表面之间的静电吸 引而产生的双电层电容 例如采用碳基材料作为电极材料 23 导电聚合物是一类重要的电化学电容器的电极材料 导电聚合物 电极材料的电容量主要也是由法拉第准电容提供的 24 双电层超级电容器容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增 大而增大 二 简答题1 第一类导体和第二类导体有什么区别 答区别载流子 的不同 第一类导体载流子为物体内部自由电子或空穴 第二类导体的载流 子为正负离子 2 电极出现极化现象的原因是什么 根据产生的原因不同 极化主 要分为哪几类 答当有电流流过电极时 在电极上发生一系列的过 程 并以一定的速率进行 而每一步都或多或少地存在阻力 或势 垒 要克服这些阻力 相应地各需要一定的推动力 表现在电极 电势上就出现这样那样的偏离 根据极化产生的不同原因 通常把极化大致分为三类浓差极化 电 化学极化 电阻极化 3 为什么不能测出电极的绝对电位 我们平常所用的电极电位是怎 么得到的 答电极电位是两类导体界面所形成的相间电位 相间电 位中的内电位是无法直接测量的 故无法直接测出电极的绝对电位 我们平常所用的电极电位都是相对电极电位 4 燃料电池的热力学效率能否大于1 请解释原因 答由热力学知对任一电池的热力学效率 最大效率 为因此 燃料 电池的热力学效率与其熵变的大小和符号有关 可能会出现效率大 于 等于或小于100 的情况 燃料电池的热力学效率有时会大于100 5 与其它能量转换装置比较 燃料电池有哪些主要特点 答高效 污染小 噪声低 负载响应快速 良好的建设与维护特性 6 磷酸型燃料电池性能衰退的主要因素是什么 可从哪些方面提高 其电池寿命 答一般认为燃料电池性能的衰退是由于铂催化剂颗粒 的烧结 碳载体的腐蚀及酸涌等现象造成的 可从以下几个方面来提高电池寿命 1 电池电压不能超过0 8V 2 应避免操作的瞬间剧烈变化 3 必须保证向电池提供充足的反应气体 7 燃料电池系统主要由哪几部分组成 答 1 电池组 是系统的核心 任务是将化学能转变为电能 2 燃料和氧化剂供给子系统 3 水热管理 4 输出电能调整子系统 包括直流电压的稳定 过载保护和对交 流用户的逆变子系统 5 控制子系统 8 碱性燃料电池电解质采用循环系统有哪些主要作用 答 1 循环的电解质可以为电池提供一个冷却系统 2 电解质被不断地搅拌和混合 3 电解质循环就可以使产生的水进入循环 而无需在阳极蒸发 4 如果电解质与CO2反应过多 可以用新溶液来更换 9 熔融碳酸盐燃料电池中目前被普遍使用的隔膜基本材料是哪种 其主要作用有哪些 答目前被普遍使用的隔膜基本材料为LiAlO2 隔离电池阳极与阴极的电子绝缘体 碳酸盐电解质的载体 CO32 离子运动的通道 浸满熔盐后是气体的不透层 10 在SOFC中固体电解质需要具备哪些基本条件 答电解质必须具备 以下条件高的离子电导率和可以忽略的电子电导率 在氧化和还原 气氛中具有良好的稳定性 能够形成致密的薄膜 足够的机械强度 较低的价格等 11 在PEMFC中流场的主要作用是什么 试列举至少4种主要流场类型 答流场的作用是引导反应气流动方向 确保反应气均匀分配到电极 各处 经扩散层到达催化层参与电化学反应 流场主要有网状 多孔 平行沟槽 蛇形和交指状等 12 超级电容器按原理不同可以分为哪几类 其能量存储原理分别是 怎样的 答 1 超级电容器器按原理不同可以分为双电层电容及法拉第赝电容 2 双电层电容原理是由于正负离子在固体电极与电解液之间的表 面上分别吸附 造成两固体电极之间的电势差 从而实现能量的存储 赝电容原理则是利用在电极表面及其附近发生在一定电位范围内快 速可逆法拉第反应来实现能量存储 13 与蓄电池相比 超级电容器有哪些优势和劣势 答 1 优点高功率密度输出功率密度高达数KW kg 一般蓄电池的数十 倍 极长的充放电循环寿命循环寿命可达万次以上 非常短的充放 电时间0 1 30s即可完成 温度特性好工作温度范围宽 节约能源 绿色环保 2 缺点如果使用不当会造成电解质泄漏等现象 比能量较低 14 金属氧化物为电极的超级电容器为何比双电层电容器有更大的电 容和更高能量密度 答其充放电过程与双电层电容器基本相同 不 同的是其储存电荷的过程不仅包括双电层上的存储 而且包括电解 液中离子在电极活性物质中发生氧化还原反应而将电荷储存于电极 中 不仅发生在电极表面 而且可深入电极内部 通常有更大的电容和 更高的能量密度 15 以导电聚合物为电极材料的超级电容器的电容量主要由哪种方式 提供 其作用机理如何 答导电聚合物电极材料的电容量主要也是 由法拉第准电容提供的 其作用机理是 通过导电聚合物在充放电过程中的氧化还原反应 在聚合物中发生快速可逆的n型或p型元素掺杂和去掺杂氧化还原反 应 使聚合物达到很高的储存电荷密度 产生很高的法拉第准电容 而实现电能储存 三 论述题1 电极过程的一般步骤有哪些 答 反应物粒子向电极 表面附近迁移 液相传质步骤 前置表面转化步骤 电子转移步骤或电化学步骤 随后的表面转化步骤或后置的表面转化步骤 产物粒子自电极表面向溶液内部或向液态电极内部疏散的单元步 骤 液相传质步骤 或是反应产物生成新相如生成气相 固相沉积层等 新相生 成步骤 2 什么是电化学 电化学反应有何特点 答 1 电化学是研究第一 类导体与第二类导体的界面及界面上所发生的一切变化的科学 2 电化学反应特点 1电化学反应是一种特殊的氧化还原反应 特殊性在于氧化 还原两反应在不同的位置上进行 即在不同的界 面上发生的 在空间上是分开的 2电化学反应是一种特殊的异相催化反应 电化学反应发生在两类导体的界面 固相为电极 电极具备催化性 质 但催化性质与电极电势有关 3氧化反应和还原反应是等当量进行的 即得电子数与失电子数相 同 4氧化反应和还原反应互相制约 又各具独特性 制约性体现在两个反应同时进行 且电子得失数相同 独立性体现在两个反应分别在不同位置进行 3 为什么不能用普通电压表测量电动势 应该怎样测量 答电池与 伏特计接通后有电流通过 在电池两极上会发生极化现象 使电极 偏离平衡状态 另外 电池本身有内阻 伏特计所量得的仅是不可逆电池的端电压 因此电池电动势不能直接用伏特表来测定 利用电位差计可在电池无电流 或极小电流 通过时测得其两极间 的电势差 即为该电池的平衡电动势 具体测试方法为在待测电池上并联一个大小相等 方向相反的外加 电势 这样待测电池中就没有电流通过 外加电势差的大小就等于 待测电池的电动势 4 试分析DMFC与PEMFC在结构上的不同之处 答 1 由甲醇阳极氧化电化学方程可知 当甲醇阳极氧化时 不但产 生H 与电子 而且还产生气体CO2 因此尽管反应物CH30H与H20均为 液体 仍要求电极具有憎水孔 而且由水电解工业经验可知 对析气电极 尤其是采用多孔气体扩 散电极这类立体电极时 电极构成材料极易在析出的反应气作用下 导致脱落 损失 进而影响电池寿命 因此与PEMFC相比 在DMFC阳极结构与制备工艺优化时 必须考虑CO 2析出这一特殊因素 2 当采用甲醇水溶液作燃料时 由于阳极室充满了液态水 DMFC 质子交换膜阳极侧会始终保持在良好的水饱和状态下 但与PEMFC不同的是 当DMFC工作时不管是电迁移还是浓差扩散 水 均是由阳极侧迁移至阴极侧 即对以甲醇水溶液为燃料的DMFC 阴 极需排出远大于电化学反应生成的水 因此与PEMFC相比 DMFC阴极侧不但排水负荷增大 而且阴极被水掩 的情况更严重 在设计DMFC阴极结构与选定制备工艺时必须考虑这 一因素 5 管型SOFC电池组与平板型SOFC电池组相比各有何特点 答 1 管型SOFC电池组由一端封闭的管状单电池以串联 并联方式组 装而成 管型SOFC的优点 1电池间的连接体设在还原气氛一侧 这样可使用 廉价的金属材料作电流收集体 2单电池采用串联 并联方式组合到一起 可以避免当某一单电池 损坏时电池组完全失效 用镍毡将单电池的连接体联结起来 可以减小单电池间的应力 3电池组相对简单 容易通过电池单元之间并联和串联组成大功率 的电池组 4一般在很高的温度下操作 主要用于固定电站 高温SOFC一般采 用管型结构 管式SOFC的缺点电流通过的路径较长 限制了SOFC的性能 2 平板型SOFC的空气电极 YSZ固体电解质 燃料电极烧结成一体 组成 三合一 结构 平板型SOFC的优点 三合一 组件制备工艺简单 造价低 电流收 集均匀 流经路径短 使平板型电池的输出功率密度较管式高 平板型SOFC的缺点密封困难 抗热循环性能差 难以组装成大功率 电池组 6 PEMFC有哪些主要特点和用途 其主要应用领域有哪些 答 1 特点除了具有FC的一般优点外 PEMFC还具有室温下快速启动 无电解质液流失 比功率和比能量高 寿命长 2 用途可用于分散电站 移动电源 是电动车 移动通讯和潜艇 等的理想电源 也是最佳的家庭动力源 3 PEMFC的主要应用领域可分为以下三大类1 用作便携电源 小 型移动电源 适用于军事 通讯 计算机等2 用作交通工具动力 如摩托车 汽车 火车 船舶等3 用作分散型电站 适于用作海岛 山区 边远地区或新开发地区电站 II胡友根老师重点 一 四种电池的比较 一 种类 铅酸蓄电池 镍镉电池 金属氢化 物镍电池 锂离子电池 二 优缺点1 铅酸蓄电池 1 优点 原材料易得且价格低廉 高倍率放电性能性能良好 高低温性能良好 可在 40 60 的环境下工作 适合与浮充使用 使用寿命长无记忆效 应 废电池容易回收 发达国家铅的回收率高达96 2 缺点 比能量低 仅为30 40Wh kg 使用寿命没有镉镍电 池和锂离子电池长 制造过程易污染环境 需配三废处理设备 2 镍镉电池 1 优点使用寿命长 蓄电池自放电小 使用温度范围广 耐过充过放 放电电压平稳 机械性能好 2 缺点活性物质利用率低 成本较高 负极镉有毒 电池长期浅 充放循环时有记忆效应 3 金属氢化物镍电池 1 优点能量密度高 可大电流快速充放电 环境相容性好 2 缺点自放电较大 寿命比镍镉电池稍差 4 锂离子电池 1 优点工作电压高 高比能量 长循环寿命 较宽的工作温度范 围 高可靠性 2 缺点电池制造成本高 不能大电流放电 三 正负极材料1 铅酸蓄电池正极为二氧化铅 负极为海绵状金 属铅 电解液为稀硫酸水溶液 标称电压为2V2 镍镉电池正极为镍 的氧化物 负极为海绵状金属镉 电解质为氢氧化钾溶液 标称电 压为1 2V 3 金属氢化物镍电池正极为氧化镍 负极为金属氢化物 电解液为 氢氧化钾溶液 标称电压1 2 1 3V4 锂离子电池正极为含锂的化合物 负极为碳素材料 电解液 为非水溶剂 单电池电压为3 6V 四 成流反应 工作原理 1 铅 酸蓄电池2 镍镉电池3 金属氢化物镍电池4 锂离子电池 五 基本 组成正负极 活性物质和板栅组成 电解液 隔板 电池槽 二 铅酸蓄电池 1 板栅的概念及作用 1 板栅定义由铅基合金通过浇铸而形成的格子体 2 作用活性物质的载体 在电池的制造过程中 铅膏就涂覆在他 上面 活性物质靠板栅来保持和支撑 集流体 它负担着电池在充 放电过程中电流的传导 集散作用并使电流分布均匀 2 极板 生极板的定义 1 极板化学电源的两个电极由活性物质和支撑及导电用的 集电 体 组成 一般为片状多孔体 称为极板 2 生极板化成 充电 之前的极板为生极板 化成结束后 做好 抗氧化处理 适合储存和运输的极板叫做熟极板 3 极板化成的定义及原理 1 定义极板化成是指利用化学和电化学反应使极板转化成具有电 化学特性的正 负极板的过程 2 原理 1化学反应PbO H2SO4 PbSO4 H2O3PbO PbSO4 H2O 3H2S O4 4PbSO4 4H2O 2电化学反应在直流电的作用下 在正 负极板 上分别发生电化学氧化和电化学还原反应 4 铅负极不可逆硫酸盐化 1 概念简称硫化 是负极活性物质在一定条件下生成坚硬 粗大 几乎不溶解的硫酸铅 所以在充电时不能转化为海绵状铅 使电 池容量大大降低的现象 2 原因通常是长期充电不足或放电状态下长期储存等使用或维护 不当造成 3 特征 1充电时电压上升快 放电时电压下降迅速 2充电时 气泡产生过早 3电解液密度低于正常值 4极板表面生成白色 粒状斑点 6电池容量明显下降 4 预防及时充电 不要过放电 5 铅负极钝化 1 现象负极电极电势升高 电极反应迟钝 2 加速负极钝化的因素大电流放电 硫酸浓度大 放电温度低5 简述铅酸电池正负极的转变过程 以及铅酸电池的双硫酸盐化理论 三 镍镉电池 1 镉镍电池的密封原因 原理 措施 答 1 原因镉镍电池使用时不可避免的产生气体 气体溢出时会带出 电解液 腐蚀设备 而且要经常补加电解液 开口电池中KOH电解液会发生碳酸酸化 降低电解液的电导率 影响电池寿命和性能 如果把电池密封就能解决以上问题 2 原理电池密封最重要的条件是 防止储存时产生气体和消除工 作时产生的气体 镉镍电池是碱性不会发生自溶解而析出氢气 另外负极海绵状技术C d具有很强的氧化合能力 正极充放电时产生的氧气 只要扩散到负 极 和容易于Cd进行化学反应或电化学反应HMHxy 而吸收掉 3 措施 负极大容量大于正极的容量 控制电解液用量 采 用微孔隔膜 采用多孔薄型电极 采用反极保护 使用密封 安全阀 正确使用和维护 四 金属氢化物镍电池 1 储氢合金的定义答能储存氢的金属和合金 统称为储氢合金 在常温常压下能与氢反应 成为金属氢化物 通过加热或减压可以 降储存的氢释放出来 通过冷却或加压又可以再次吸收氢 金属氢 化物氢密度比液氢还高 因而可以用于储氢 2 储氢合金电池的原理答 1 先吸收少量氢 形成含氢固溶体 MHx 相 合金结构保持不变 2 固溶体进一步与氢反应 产生相变 结构改变 生成氢化物相 MHy 相 反应式为 3 继续提高氢压 金属中的氢含量略有增加 五 锂离子电池 1