能源材料3-化学电源基础

1、第三章第三章 化学电源基础化学电源基础 3.1 3.1 电化学基础电化学基础 了解可逆电池和可逆电极了解可逆电池和可逆电极 了解电极过程和电极电势和过电势了解电极过程和电极电势和过电势 了解电动势和参比电极。了解电动势和参比电极。 掌握法拉第定律掌握法拉第定律 一一 可逆电池和可逆电极可逆电池和可逆电极 化学反应可逆化学反应可逆 能量变化可逆能量变化可逆 可逆电池的必要条件是电极反应必须可逆。可逆电池的必要条件是电极反应必须可逆。 1.1.组成组成两个半电池、盐桥两个半电池、盐桥 消除原电池中的液接电势。消除原电池中的液接电势。 盐桥的作用盐桥的作用 让溶液始终保持电中性使电极反应得以继续进行

2、。让溶液始终保持电中性使电极反应得以继续进行。 盐桥：盐桥：饱和饱和 KCl KCl 溶液溶液( (以琼以琼 胶制作成冻胶胶制作成冻胶) ) 原电池原电池 铜锌可逆电池铜锌可逆电池 Zn负极负极 2eZnZn 2 Cu2eCu 2 Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu e- 原电池总反应：原电池总反应： 2.原电池符号原电池符号 (-) Zn(s) | ZnSO4 (c1)CuSO4(c2) | Cu(s) (+) 相界面相界面 盐桥盐桥 电极反应电极反应 Cu正极正极 原电池和可逆电池原电池和可逆电池 若组成电极物质中无金属时，应插入若组成电极物质中无金属时，应插入惰性电极惰性电极。 Fe

3、3+(c1)，Fe2+(c2) | Pt (+) 如：如： Fe3+ + e- Fe2+ Sn4+(c1)，Sn2+(c2) | Pt (+) 高氧化态离子靠近盐桥，低氧化态离子靠近电极。高氧化态离子靠近盐桥，低氧化态离子靠近电极。 如：如： Sn4+ + 2e- Sn2+ 可逆电池和可逆电极表示方法可逆电池和可逆电极表示方法 若组成电极物质中无金属时，应插入若组成电极物质中无金属时，应插入惰性电极惰性电极。 高氧化态离子靠近盐桥，低氧化态离子靠近电极。高氧化态离子靠近盐桥，低氧化态离子靠近电极。 可逆电池和可逆电极表示可逆电池和可逆电极表示 气体物质应在导体这一边，并注明压力。气体物质应在导

4、体这一边，并注明压力。 H+(c1) | H2(p), Pt(+) 如：如： 2H+ +2e- H2 Sn4+(c1)，Sn2+(c2) | Pt (+) Fe3+(c1)，Fe2+(c2) | Pt (+) 可逆电池的表示方法可逆电池的表示方法 金属金属M与其盐与其盐M+溶液接触面之间的电势差。溶液接触面之间的电势差。 沉淀沉淀 neaqM sM n 溶解溶解 M活泼：溶解活泼：溶解 沉积沉积M不活泼：沉积不活泼：沉积 溶解溶解 n M 稀稀 + + + + + + + + - - - - - - - - n M + + + 浓浓 + + + + - - - - + + + + - - -

5、- + + + + - - - - 二、电极电势二、电极电势 (M+/M) 1. 电极电势的测定电极电势的测定 电极符号：电极符号： Pt，H2(1atm) H+(1molL-1) 电极反应：电极反应： 2H+ + 2e- H2 (H+/H2)= 0 V 标准氢电标准氢电 极极 电极电势的测定电极电势的测定 (-) Pt，H2(100kPa) H+(1molL-1) 待测电极待测电极（+ +） E = 待测 待测 - 氢电极氢电极 = 待测待测 E = + - - E = + - - 电对电对电极反应电极反应 /V Li+/LiLi+ + e- Li-3.040 K+/KK+ + e- K-2

6、.924 Zn2+/ZnZn2+ + 2e- Zn-0.7626 H+/H22H+ + 2e- 2H20 Cu2+/CuCu2+ + 2e- Cu0.340 O2/H2OO2+4H+ + 4e- 2H2O1.229 Cl2/Cl-Cl2 + 2e- 2Cl-1.229 F2/HF(aq) F2+2H+ + 2e- 2HF(aq)3.053 XeF/Xe(g) XeF + e- Xe(g) + F-3.4 常用电对的标准电极电势常用电对的标准电极电势(298K) 常用甘汞电极作为常用甘汞电极作为“二级标准二级标准” Hg2Cl2(s)/Hg(l) = +0.2628 V Hg2Cl2(s)/Hg

7、(l) ,饱和饱和 = +0.2415 V 电极符号电极符号: (Pt),Hg2Cl2(s) Hg(l) 电极反应电极反应 : Hg2Cl2(s) + 2e- = Hg(l) +2Cl- (KCl) 3 3 参比电极参比电极 参比电极参比电极 常用参比电极的电势与温度系数常用参比电极的电势与温度系数 名称名称体系体系E/V*(dE/dT)/mVK-1 氢电极氢电极 饱和甘汞电极饱和甘汞电极 标准甘汞电极标准甘汞电极 甘汞电极甘汞电极 银银-氯化银电极氯化银电极 氧化汞电极氧化汞电极 硫酸亚汞电极硫酸亚汞电极 硫酸铜电极硫酸铜电极 Pt，H2|H+(aH+=1) Hg，Hg2Cl2|饱和KCl

8、Hg，Hg2Cl2|1molL-1KCl Hg，Hg2Cl2|0.1molL-1KCl Ag，AgCl|0.1molL-1KCl Hg，HgO|0.1molL-1KOH Hg，Hg2SO4|1molL-1H2SO4 Cu|饱和CuSO4 0.0000 0.2415 0.2800 0.3337 0.290 0.165 0.6758 0.316 -0.761 -0.275 -0.875 -0.3 -0.7 * 25；相对于标准氢电极(NCE) 三、影响电极电势的因素三、影响电极电势的因素 1.1.电极的本性电极的本性 不同电对有不同的不同电对有不同的 数值数值. . nF STH nFG STHG

9、 2.2.电极体系的浓度和温度电极体系的浓度和温度 ln mrmr 氧化型 还原型 RTGG ln 氧氧化化型型 还还原原型型 RTnFnF 还还原原型型氧氧化化型型电电极极反反应应： e n ln n 还还原原型型 氧氧化化型型 F RT 根据范特霍夫等温方程：根据范特霍夫等温方程： mol96485C Kmol8.314J,298.15K 1 11 代代入入得得 将将时时当当 F RT 能斯特方程能斯特方程 lg 05920 还还原原型型 氧氧化化型型 n . 能斯特方程能斯特方程 气体用分压气体用分压(Pa)(Pa)表示并除以表示并除以 p p ， ，溶液用浓度 溶液用浓度(mol(mo

10、l L L-1 -1) ) 表示并除以表示并除以c c 纯固体或纯液体不写入。纯固体或纯液体不写入。 参与电极反应的其它物质也应写入。参与电极反应的其它物质也应写入。 注意注意 lg 05920 还还原原型型 氧氧化化型型 n . ，则则 还还原原型型 氧氧化化型型 ，或或还还原原型型，氧氧化化型型 c c c c 利用电能发生氧化还原反应，将电能转化为化学能利用电能发生氧化还原反应，将电能转化为化学能 的装置。的装置。 正极正极：Cl2 + 2e- 2Cl- 负极负极：NiNi2+ + 2e- Cl2 + Ni = 2Cl- +Ni2+ 阳极阳极：2Cl- Cl2 +2e- 阴极阴极：Ni2

11、+ +2e- Ni Ni2+ + 2Cl- = Ni + Cl2 四、电解池四、电解池 F = 9.648531104 C mol-1 = 26.8 Ah mol-1 五五 法拉第定律法拉第定律 1 在电解过程中，两极发生电解消耗或生成的物质的量与在电解过程中，两极发生电解消耗或生成的物质的量与 通过电池的电量成正比。通过电池的电量成正比。 2 通过相同的电量时，通过相同的电量时，两极发生电解消耗或生成的物质的两极发生电解消耗或生成的物质的 量与电化当量成正比。量与电化当量成正比。 F为为Faraday常数常数It zF M W 化学电源概论化学电源概论 化学电源原理和性能基础化学电源原理和性

12、能基础 教学要求教学要求 了解化学电源的应用和分类， 了解新型电池的新发展； 1 掌握化学电源的工作原理，掌握化学电源的工作原理， 了解化学电源的组成和结构；了解化学电源的组成和结构； 2 掌握化学电源的性能，包括电池的比掌握化学电源的性能，包括电池的比 容量、比能量、比功率、自放电等。容量、比能量、比功率、自放电等。 3 3.2 化学电源概论化学电源概论 3.1.1 化学电源的分类化学电源的分类 化学电源化学电源 电池分类 常用设备常用设备 常用电池常用电池 一次一次/二次电池二次电池 酸性酸性/碱性碱性/有机有机 类类 常见尺寸常见尺寸 汽车用启动电源汽车用启动电源 铅酸电池铅酸电池 二次

13、电池二次电池 酸性酸性 方型方型 普通摄像机电池普通摄像机电池 铅酸电池铅酸电池 二次电池二次电池 酸性酸性 方型方型 火车启动电源、电动火车启动电源、电动 车车 镍镉镍镉/镍氢镍氢 电池电池 二次电池二次电池 碱性碱性 方性、圆方性、圆 柱型柱型 手机电池手机电池 镍氢镍氢/锂电锂电 池池 二次电池二次电池 碱性碱性/有机介质有机介质 方型方型 手电筒手电筒 锌锰电池锌锰电池 一次电池一次电池 酸性酸性/中性中性/碱性碱性 1号号/2号号/5 号号 传呼机传呼机 锌锰电池锌锰电池 一次电池一次电池 碱性碱性 5号号/7号号 高档模拟相机高档模拟相机 锂电池锂电池 一次电池一次电池 有机介质有

14、机介质 圆柱型圆柱型 一、一次电池 一次电池一次电池：又称为干电池，电：又称为干电池，电 池反应不可逆，放电后不能充池反应不可逆，放电后不能充 电在利用。电在利用。 特点：电动势高、内阻小、比特点：电动势高、内阻小、比 能量高；价格低、携带方便；能量高；价格低、携带方便； 放电电流小等特点。放电电流小等特点。 锌锌-锰干电池；碱性锌锰干电池；碱性锌- 锰干电池；银锰干电池；银-锌电池；锌电池； 锂电池；锌锂电池；锌-汞电池，汞电池， 锌锌-空气电池等。空气电池等。 二 二次电池 二次电池二次电池：又称蓄：又称蓄 电池，即可以充电电池，即可以充电 和放电反复多次使和放电反复多次使 用的一类电池。

15、用的一类电池。 铅酸电池铅酸电池；氢镍；氢镍 电池；锂离子电电池；锂离子电 池，镉镍电池等。池，镉镍电池等。 三、贮备电池 贮备电池贮备电池：又称为激活电池，：又称为激活电池， 贮备期间活性物质不与电解贮备期间活性物质不与电解 质直接接触，使用时注入电质直接接触，使用时注入电 解液或电解质熔化，从而使解液或电解质熔化，从而使 电池处于待放电状态而具有电池处于待放电状态而具有 活性活性 的电池。的电池。 锌锌-银电池，镁激活电池，锌激活电池，海水银电池，镁激活电池，锌激活电池，海水 激活电池等。激活电池等。 四、燃料电池 燃料电池燃料电池：又称为连续：又称为连续 电池，即将活性物质连电池，即将活

16、性物质连 续注入电池，实现连续续注入电池，实现连续 放电的电池。放电的电池。 甲醇燃料电池；氢甲醇燃料电池；氢- 氧燃料电池等。氧燃料电池等。 甲醇燃料电池甲醇燃料电池 3.1.2 化学电源的应用化学电源的应用 化学电源化学电源 10001000多种不同型号的电池多种不同型号的电池 仪器仪表仪器仪表 日用品日用品 玩具玩具 通讯设备通讯设备 航空航天航空航天 武器装备武器装备 民用民用 军用军用 正极和负极正极和负极 电解质及溶剂电解质及溶剂 隔膜隔膜 外壳外壳 3.1.3 化学电源的结构化学电源的结构 干电池干电池 锂离子电池锂离子电池 一、电极类型和结构一、电极类型和结构 电极组成电极组成

17、： 反应活性物质，导电载反应活性物质，导电载 流体，电解质，辅助添流体，电解质，辅助添 加剂。加剂。 电极类型电极类型： 管式或盒式电极；压成式管式或盒式电极；压成式 电极；涂膏式电极；烧结电极；涂膏式电极；烧结 式；发泡式电极；粘结式；式；发泡式电极；粘结式； 气体扩散电极等。气体扩散电极等。 二、电极活性物质二、电极活性物质 v电极活性物质：电极活性物质：由活性物质和导电骨架组成。活由活性物质和导电骨架组成。活 性物质指正极和负极参加成流反应的物质，该材性物质指正极和负极参加成流反应的物质，该材 料的特性决定电池的基本特性。料的特性决定电池的基本特性。 v活性物质要求：活性物质要求：组成电

18、池的电动势高；电化学活组成电池的电动势高；电化学活 性高即自发反应的能力强；质量比容量和体积比性高即自发反应的能力强；质量比容量和体积比 容量大；在电解液中化学稳定性高；具有较高的容量大；在电解液中化学稳定性高；具有较高的 电子导电性；资源丰富，价格低。电子导电性；资源丰富，价格低。 v活性物质利用率：活性物质利用率：实际放出的容量和理论容量的实际放出的容量和理论容量的 百分率。百分率。 三、电解质溶液三、电解质溶液 v电解质：电解质：在电池内部担负着在电池内部担负着 正负之间传递电荷作用，部正负之间传递电荷作用，部 分电解质参加电极反应而被分电解质参加电极反应而被 消耗。消耗。 v电解质要求

19、：电解质要求：稳定性强，与稳定性强，与 活性物质化学反应小；电导活性物质化学反应小；电导 率高，溶液欧姆电阻小，固率高，溶液欧姆电阻小，固 体电解质只具有离子导电性，体电解质只具有离子导电性， 具有电子导电性。具有电子导电性。 水溶液电解质水溶液电解质 有机非质子性电解液有机非质子性电解液 固体电解质固体电解质 熔盐电解质熔盐电解质 四、电池隔膜材料四、电池隔膜材料 隔膜隔膜 半透膜半透膜微孔膜微孔膜 天然高天然高 分子膜分子膜 合成高合成高 分子膜分子膜 水化纤维水化纤维 素，玻璃纸素，玻璃纸 聚乙烯膜，聚乙烯膜， 聚乙烯醇膜聚乙烯醇膜 有机材料有机材料无机材料无机材料 尼龙布，尼龙布， P

20、P微孔膜微孔膜 浆粕纸，浆粕纸， 橡胶板橡胶板 陶瓷，石棉陶瓷，石棉 玻璃纤维等玻璃纤维等 v 隔膜隔膜：防止正负活性：防止正负活性 物质直接接触导致电物质直接接触导致电 池短路。并使电池正池短路。并使电池正 负极尽可能保持小的负极尽可能保持小的 距离，具有较小的内距离，具有较小的内 阻。阻。 v 要求要求：良好的化学稳：良好的化学稳 定性和机械强度，耐定性和机械强度，耐 电极活性物质氧化和电极活性物质氧化和 还原；足够的孔隙率还原；足够的孔隙率 和吸液率；电子良好和吸液率；电子良好 的绝缘体；材料丰富，的绝缘体；材料丰富， 价格低廉。价格低廉。 电池隔膜材料电池隔膜材料 v隔膜材料的性能隔膜

21、材料的性能： 紧度；抗拉强度；孔径；电阻；吸液率；紧度；抗拉强度；孔径；电阻；吸液率； 耐电耐电 解液腐蚀能力；缩胀率等。解液腐蚀能力；缩胀率等。 %100 1 12 m mm m1 干隔膜质量；干隔膜质量；m2-湿隔膜质量湿隔膜质量 电池隔膜材料电池隔膜材料 v吸液率吸液率 五、电极粘结剂、封口剂、外壳五、电极粘结剂、封口剂、外壳 v 电极粘结剂电极粘结剂 一般是一些高分子化合物，常用的有聚乙烯醇（一般是一些高分子化合物，常用的有聚乙烯醇（PVA），）， 聚四氟乙烯（聚四氟乙烯（PTFE)和羧甲基纤维素（和羧甲基纤维素（PVA）等。）等。 v 封口剂封口剂 环氧树脂，沥青和松香等。环氧树脂，

22、沥青和松香等。 v 外壳外壳 电池的容器，要求良好的机械强度，抗震动，耐冲击，电池的容器，要求良好的机械强度，抗震动，耐冲击， 耐温度变化和电解液腐蚀等。耐温度变化和电解液腐蚀等。 3.2 3.2 化学电源工作原理化学电源工作原理 电能化学能 充电充电 放电放电 CueCu 2 2 正极正极: 负极负极: 2 2ZneZn Zn|ZnSO4|CuSO4|Cu 不可逆电池不可逆电池 v 电池放电时，负极发生氧化反应，向外电路释放电子，电池放电时，负极发生氧化反应，向外电路释放电子， 而正极从外电路获得电子，发生还原反应，将化学能而正极从外电路获得电子，发生还原反应，将化学能 转化为电能。转化为电

23、能。 铅酸蓄电池工作原理铅酸蓄电池工作原理 Pb, pbSO4|H2SO4|PbSO4, PbSO4 铅酸蓄电池铅酸蓄电池 3.3 化学电源的基本性能化学电源的基本性能 一、电池电动势一、电池电动势 电池在断路条件下，正极和负极之间的平衡电位差，电池在断路条件下，正极和负极之间的平衡电位差， 即为电池的电动势。即为电池的电动势。 若电池中所有物质都处于标准状态，则为标准电动若电池中所有物质都处于标准状态，则为标准电动 势，其数值等于正、负电极标准电极电势之差。势，其数值等于正、负电极标准电极电势之差。 v热力学关系：热力学关系：-G=zEF -G0=zE0F 电动势的热力学关系电动势的热力学关

24、系 b B a A d D c C b B a A d D c C aa aaC Ln ZF RT EE zEF aa aaC RTLnGG dDcCbBaA 0 0 Re 0 a a Ln nF RT E OX e v 若电池热力学可逆，若电池热力学可逆， 则可逆电池热效应则可逆电池热效应 和电池电动势温度和电池电动势温度 系数关系。系数关系。 p T E nFTQ v 若电池热效应大，若电池热效应大， 散热不良，会导散热不良，会导 致电池过热。致电池过热。 电池电动势计算电池电动势计算 v 碱性锌锰电池碱性锌锰电池 电池正负极反应为：电池正负极反应为： V nF G E lKJG OZnM

25、nMnOZn OHZnOeOHZn OHOZnMneZnOOHMnO 58. 1 965002 100074.304 mo/74.307 2 2 2222 0 0 0 422 2 4222 标准吉布斯自由能： 电池反应： 负极： 正极： v 若最终产物为若最终产物为ZnO 和和Mn2O3, 则标准电动势为则标准电动势为1.44V 开路电压和工作电压开路电压和工作电压 v 开路电压：在外电路没有电流通过时两极间的电位差。开路电压：在外电路没有电流通过时两极间的电位差。 电池在电解质溶液的电极电位，通常为非平衡电位，而是稳定电极电电池在电解质溶液的电极电位，通常为非平衡电位，而是稳定电极电 位。位

26、。 开路电压取决于正极和负极材料的本性，和电解质和温度等条件有关。开路电压取决于正极和负极材料的本性，和电解质和温度等条件有关。 开路电压的测量一般要用高内阻的电压表来测量。开路电压的测量一般要用高内阻的电压表来测量。 v 工作电压：也称为放电电压、负荷电压，外电路有电流工作电压：也称为放电电压、负荷电压，外电路有电流 时的电压。时的电压。 U工作 工作=E-IR内内=E-I(R欧姆欧姆+R极化极化） ） v U工作 工作U开路开路U电动势电动势 IRV 额定电压和终止电压额定电压和终止电压 额定电压额定电压：也称公称电压，是某电池开路电压的最：也称公称电压，是某电池开路电压的最 低值（保证值

27、），或在规定条件下电池工作的标低值（保证值），或在规定条件下电池工作的标 准电压。如锌锰干电池为准电压。如锌锰干电池为1.5V，铅酸蓄电池为，铅酸蓄电池为 2.0V，氢镍电池为，氢镍电池为1.2V。 终止电压终止电压：电池放电时，电压下降到不宜再继续放：电池放电时，电压下降到不宜再继续放 电的最低工作电压。电的最低工作电压。 低温和大电流放电时，终止电压规定的低些；低温和大电流放电时，终止电压规定的低些； 小电流放电时，终止电压规定的高些。小电流放电时，终止电压规定的高些。 常用电池的终止电压常用电池的终止电压 10小时率小时率 0.1C 5小时率小时率 0.2 1小时率小时率 1C 镍镉电池

28、镍镉电池1.11.11.0 铅酸蓄电池铅酸蓄电池1.751.751.8 碱性锌锰碱性锌锰1.2 锌锌-银电池银电池1.2-1.31.2-1.30.9-1.0 常温下常用电池放电的终止电压常温下常用电池放电的终止电压 电池内阻电池内阻 v 电池内阻电池内阻：电流通过时电池内部受到的阻力，使电池的电压降低，此阻力称：电流通过时电池内部受到的阻力，使电池的电压降低，此阻力称 为内阻。为内阻。 电池不是常数，在放电过程中不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度电池不是常数，在放电过程中不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度 和温度等在不断改变。和温度等在不断改变。 R内 内=Rf+Rn v 欧姆电阻

29、欧姆电阻：主要由电极材料电阻：主要由电极材料电阻+电解液电阻电解液电阻+隔膜电阻隔膜电阻+接触电阻组成。接触电阻组成。 它与电池的尺寸、结构、成型方式以及装配等有关，遵守欧姆定律。它与电池的尺寸、结构、成型方式以及装配等有关，遵守欧姆定律。 其中隔膜电阻和电解液以及隔膜材料有关。其中隔膜电阻和电解液以及隔膜材料有关。 v 极化电阻极化电阻：电化学反应引起电化学极化和浓差极化所产生的电阻。包括电化：电化学反应引起电化学极化和浓差极化所产生的电阻。包括电化 学极化和浓差极化引起的电阻之和。学极化和浓差极化引起的电阻之和。 极化电阻随电流的增大而增大，提高电极活性和降低真是电流密度可以减小极化电阻随

30、电流的增大而增大，提高电极活性和降低真是电流密度可以减小 极化内阻，通常采用多孔电极增大电极面积，降低电流密度。极化内阻，通常采用多孔电极增大电极面积，降低电流密度。 v 比电阻比电阻：单位容量下电池的电阻，：单位容量下电池的电阻， C R R i i 电池放电方式电池放电方式 v 放电方式：恒流放放电方式：恒流放 电，恒阻放电，连电，恒阻放电，连 续放电，间隙放电续放电，间隙放电 等。等。 v 恒流放电：放电过恒流放电：放电过 程中保持电流为一程中保持电流为一 定值。定值。 v 恒阻放电：放电过恒阻放电：放电过 程中保持负载电阻程中保持负载电阻 为一定值。为一定值。 -20020406080

31、100120140160180 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 0.1C charge 0.1C discharge Volgate/V Capacity/mAh/g 4001h ,6006h烧结的 LiFePO4 0.1C 首次充放电曲线 放电电流放电电流 v放电时率：以一定的放电电流放完额定容量所需要放电时率：以一定的放电电流放完额定容量所需要 的小时数，称为放电时率。的小时数，称为放电时率。 v放电倍率：在规定的时间内额定容量所输出的电流放电倍率：在规定的时间内额定容量所输出的电流 值，数值上等于额定容量的倍数。值，数值上等

32、于额定容量的倍数。 v例电池的额定容量为例电池的额定容量为4Ah，以，以2A的电流放电。的电流放电。 放电时率：放电时率：4Ah/2A=2h，称电池以，称电池以2小时率放电。小时率放电。 放电倍率：放电倍率：2A/4Ah=0.5，称为，称为0.5倍率放电。倍率放电。 放电电流放电电流 020406080100120140160 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 4.4 4.6 0.25C charge 0.25C discharge Volgate/V Capacity/mAh/g 4001h ,6006h烧结的 LiFePO4 0.25C 首次充

33、放电曲线 放电电流放电电流 0102030405060708090100110120130 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4.0 Voltage / V Specific capacity / mAh g -1 y=0 2C 1C0.5C 0.25C LiFePO4-yFy/C（y=0.03）电极不同倍率的放电）电极不同倍率的放电 曲线曲线 电池的容量电池的容量 v 理论容量：假定活性物质全部参加电池的成流反应所提供理论容量：假定活性物质全部参加电池的成流反应所提供 的电量。可以按法拉第定律计算得到。的电

34、量。可以按法拉第定律计算得到。 Ah molAh molg ZF M W C23.41 /8 .262 /65 g50 0 例：锌银电池电池的负极活性物质分别为锌，例：锌银电池电池的负极活性物质分别为锌， 如取锌如取锌50.0g， 则锌负极理论容量为：则锌负极理论容量为： ZF M W C 0 电化当量越小，理论越大电化当量越小，理论越大 实际容量实际容量 v实际容量：在一定条件下实际放的电量。实际容量：在一定条件下实际放的电量。 Vdt R IdtC tIC tt 00 1 活性物质利用率：活性物质利用率：=m1/m100% m1指放出实际容量时所消耗的活性物质的质量指放出实际容量时所消耗的

35、活性物质的质量 m为活性物质质量为活性物质质量 恒流放电恒流放电 恒阻放电恒阻放电TV R C 平 1 v 实际容量低于理论容量，由于内阻等原因，活性物质实际容量低于理论容量，由于内阻等原因，活性物质 不可能完全被利用不可能完全被利用 v 额定容量额定容量 ：在电池设计和制造时，规定电池在一定条件：在电池设计和制造时，规定电池在一定条件 下应该放出的最低限度的电量下应该放出的最低限度的电量。 影响实际容量的因素影响实际容量的因素 v电池实际容量主要和电池正、负极活性物质的数电池实际容量主要和电池正、负极活性物质的数 量和利用率有关。而活性物质利用率和放电制度、量和利用率有关。而活性物质利用率和

36、放电制度、 电极结构和制造工艺等有关。电极结构和制造工艺等有关。 v放电形式的影响放电形式的影响 v放电电流的影响放电电流的影响 v终止电压的影响终止电压的影响 比容量比容量：单位体积或单位质量电池所放出的容量：单位体积或单位质量电池所放出的容量 m C C= m v C C v -1 AhKg -1 AhL 电池的能量电池的能量 电池能量：电池在一定条件下对外做功所能输出的电能。电池能量：电池在一定条件下对外做功所能输出的电能。 WoCoE 理论能量：假设电池在放电过程中始终出于平衡状态，而 且活性物质利用率为100%，即放电容量为理论容量，则 WC UavUav 实际能量：电池放电时实际输

37、出的能量，数值上等于实 际电池的容量和平均工作电压的乘积 为平均工作电压 比能量比能量 v比能量：单位质量或单位体积的电池所给出的能 量。 v理论比能量：1kg电池反应物质完全放电时理论 上所输出的能量。 10001000 i WoEE qqq iq 1 ()gAh 为正、负极所有活性物质的电化学当量。 比能量计算比能量计算 v 例如：铅酸蓄电池例如：铅酸蓄电池。 22442222PbPbOH SOPbSOH O 电化容量 1 3.866 ()Pbqg Ah 24.463 /PbOqg Ah 243.671 /HSOqg Ah2.044 o EV 1000 2.044170.5/ 3.8664

38、.4633.671 WoWh Kg 实际比能量实际比能量 v实际比能量是实际比能量是1kg电池反应物质所电池反应物质所 能输出的实际能量，由电池实际能输出的实际能量，由电池实际 输出的能量和电池质量（体积）输出的能量和电池质量（体积） 比来表征。比来表征。 M CV W 平 v电池实际比能量远小于理论比能量电池实际比能量远小于理论比能量 KmKrKeWW 0 电压效率、反应效率和质量效率电压效率、反应效率和质量效率 实际比能量实际比能量 v电压效率：电池工作电压和电池电动势的比值。电压效率：电池工作电压和电池电动势的比值。 改进电极结构和加入添加剂等是提高电压效率的改进电极结构和加入添加剂等是

39、提高电压效率的 重量途径。重量途径。 v反应效率：即活性物质利用率反应效率：即活性物质利用率 v质量效率：电池中包含一些不参加成流反应但又质量效率：电池中包含一些不参加成流反应但又 必要的物质，使实际比能量减小。必要的物质，使实际比能量减小。 过剩活性物质：如镉镍电池通常过剩过剩活性物质：如镉镍电池通常过剩25%- 75%； 电解质溶液；电极添加剂；电池外壳。电解质溶液；电极添加剂；电池外壳。 电池比能量电池比能量 电池体系电池体系 实际比能量（实际比能量（A） wh/kg 理论比能量（理论比能量（A） wh/kg B/A 铅酸蓄电池铅酸蓄电池10-50170.417.0-3.4 镉镍电池镉镍

40、电池15-40214.314.3-5.4 锌银电池锌银电池60-160487.527.3-10.9 碱性锌锰电池碱性锌锰电池30-100274.09.1-2.7 镁氯化银镁氯化银40-10044611.3-4.5 电池的自放电电池的自放电 自放电：电池在开路时，在一定条件下由于负极腐蚀和正自放电：电池在开路时，在一定条件下由于负极腐蚀和正 极反应等导致电池容量下降的现象。极反应等导致电池容量下降的现象。 负极自放电负极自放电：负极多为合金金属，当极片存在杂质时， 杂质与电极构成微电池腐蚀。 正极自放电正极自放电：正极上的各种副反应，如反歧化反应，杂 质在正极上氧化，正极活性物质溶解等。 224

41、42222PbOPbH SOPbSOH O 降低自放电：采用高纯度原料，采用氧过电位高的金属 （Cd、Hg、Pb）,缓蚀剂等。 铅酸蓄电池正极PbO与板栅之间的反应。 电池循环寿命电池循环寿命 循环寿命：在一定的放电制度下，二次电池容量循环寿命：在一定的放电制度下，二次电池容量 降低至某一规定值之前，电池所能耐受的充放电降低至某一规定值之前，电池所能耐受的充放电 次数。次数。 电池的寿命影响因素：电池的寿命影响因素： 1 电极表面活性物质减少；电极表面活性物质减少； 2 活性物质脱落或转移；活性物质脱落或转移； 3 电极材料发生腐蚀；电极材料发生腐蚀； 4 电极上长枝晶，造成电池内部短路；电极

42、上长枝晶，造成电池内部短路； 5 隔离物被破坏隔离物被破坏 6 活性物质晶形改变，活性降低等等。活性物质晶形改变，活性降低等等。 新能源电池性能比较新能源电池性能比较 电池的使用电池的使用 v电池的充电电池的充电 v电池的放电电池的放电 3.5 电池的充电电池的充电 v1、电池常见的充电方式、电池常见的充电方式 v2、镍氢电池的标准充电、镍氢电池的标准充电 v3、急速充电对电池性能影响、急速充电对电池性能影响 v4、脉冲充电及对其电池性能影响、脉冲充电及对其电池性能影响 v5、涓流充电、涓流充电 v6、充电效率、充电效率 1、电池常见的充电方式、电池常见的充电方式 v1、恒流充电、恒流充电 整

43、个充电过程中充电电流为一定值，属镍氢电池整个充电过程中充电电流为一定值，属镍氢电池 的常用充电方式；的常用充电方式； v2、恒压充电、恒压充电 充电过程中充电电源两端保持一恒定值，电路中充电过程中充电电源两端保持一恒定值，电路中 的电流随电池电压升高而逐渐减小，有时镍氢电的电流随电池电压升高而逐渐减小，有时镍氢电 池也用此方法进行充电；池也用此方法进行充电； v3、恒流恒压充电、恒流恒压充电 电池首先以恒流充电电池首先以恒流充电CC，当电池电压升高至一定，当电池电压升高至一定 值时，电压保持不变值时，电压保持不变CV，电路中电流降至很小，电路中电流降至很小， 最终趋于最终趋于0。 锂离子电池用

44、此充电方式。锂离子电池用此充电方式。 2、电池的标准充电、电池的标准充电 vIEC国际标准规定的镍氢电池的标准充放电为：国际标准规定的镍氢电池的标准充放电为： 首先将电池以首先将电池以0.2C放电至放电至1.0V/支，然后以支，然后以 0.1C充电充电16小时，搁置小时，搁置1小时后，以小时后，以0.2C放至放至 1.0V/支，即为对电池标准充放电。支，即为对电池标准充放电。 优点是：充电电路简单优点是：充电电路简单 缺点是：充电时间长缺点是：充电时间长 3、快速充电、急速充电对电池性能影响、快速充电、急速充电对电池性能影响 v一般镍氢电池行业将一般镍氢电池行业将0.2C/0.3C充电，称为快

45、速充充电，称为快速充 电；将电；将0.5C1.0C充电，称为急速充电；充电，称为急速充电； 此充电方法必须设置合适的充电截止条件，否则，此充电方法必须设置合适的充电截止条件，否则， 易形成过充。易形成过充。 因充电电流较大，过充后，产生的氧气来不及被因充电电流较大，过充后，产生的氧气来不及被 消耗，就可能造成内压升高，电池变形，漏液等消耗，就可能造成内压升高，电池变形，漏液等 不良现象。同时，其电性能也会显著降低。不良现象。同时，其电性能也会显著降低。 其优点是：充电时间短。其优点是：充电时间短。 4、脉冲充电及对其电池性能影响、脉冲充电及对其电池性能影响 v脉冲充电一般采用充与放的方法，如充

46、脉冲充电一般采用充与放的方法，如充5秒钟，秒钟， 就放就放1秒钟。这样充电过程产生的氧气在放电脉秒钟。这样充电过程产生的氧气在放电脉 冲下将大部分被还原成电解液。不仅限制了内部冲下将大部分被还原成电解液。不仅限制了内部 电解液的气化量，而且对那些已经严重极化的旧电解液的气化量，而且对那些已经严重极化的旧 电池，在使用本充电方法充放电电池，在使用本充电方法充放电5-10次后，会次后，会 逐渐恢复或接近原有容量逐渐恢复或接近原有容量. 从电化学角度讲，脉冲充电对电池最好。从电化学角度讲，脉冲充电对电池最好。 5、涓流充电、涓流充电 v涓流充电一般用于后备电源，使用涓流充电一般用于后备电源，使用1/

47、50 1/20C持续充电。此充电方法对电池性能无影响。持续充电。此充电方法对电池性能无影响。 6、充电效率、充电效率 v指电池在一定放电条件下放至某一截止电压时放指电池在一定放电条件下放至某一截止电压时放 出的容量与输入的电池容量的比值，它可按照以出的容量与输入的电池容量的比值，它可按照以 下公式计算：下公式计算： 充电效率充电效率=（放电电流（放电电流* 放电至放电至 截止电压的时间截止电压的时间/充电电流充电电流* 充电时间）充电时间） * 100% v充电效率受到充电速率和环境温度的影响，充电充电效率受到充电速率和环境温度的影响，充电 时充电电流必须在一定范围内，电流太小或太大时充电电流

48、必须在一定范围内，电流太小或太大 充电效率都很低，由于电池还存在自放电，致使充电效率都很低，由于电池还存在自放电，致使 电池无法充满电。电池无法充满电。 3.6 电池常见问题与分析电池常见问题与分析 v 1、电池使用时注意事项？、电池使用时注意事项？ v 2、电池的储存条件、电池的储存条件 v 3、什么是过充电？对电池性能有何影响？、什么是过充电？对电池性能有何影响？ v 4、什么是过放电？对电池性能有何影响？、什么是过放电？对电池性能有何影响？ v 5、电池放电时间短的可能原因有哪些？、电池放电时间短的可能原因有哪些？ v 6、电池出现零电压或低电压的原因、电池出现零电压或低电压的原因 v

49、7、电池组零电压或低电压的原因、电池组零电压或低电压的原因 v 8、电池与电池组充不进电的原因、电池与电池组充不进电的原因 v 9、电池电池组无法放电的原因、电池电池组无法放电的原因 v 10、充电发热、充电发热 v 11、电池鼓底、漏液的原因、电池鼓底、漏液的原因 v 12、电池能储存多久、电池能储存多久 特别提示特别提示 v不同电池不可以混用不同电池不可以混用 v过充电会造成内压升高，电池变形，漏液等不良过充电会造成内压升高，电池变形，漏液等不良 现象现象 v过放电会使内压升高，正负极活性物质可逆性受过放电会使内压升高，正负极活性物质可逆性受 到破坏，容量衰减。到破坏，容量衰减。 2、电池

50、储存条件、电池储存条件 v根据根据IEC标准规定，电池应在温度为标准规定，电池应在温度为205，湿，湿 度为（度为（6520）%的条件下储存。的条件下储存。 环境温度对电池性能的影响？环境温度对电池性能的影响？ v在所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能在所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能 影响最大，因为在电极影响最大，因为在电极/电解液界面上的电化学电解液界面上的电化学 反应与环境温度有关，电极反应与环境温度有关，电极/电解液界面被视为电解液界面被视为 电池的心脏。如果温度下降，电极的反应率也下电池的心脏。如果温度下降，电极的反应率也下 降。降。 v一般，温度越高，充电电压越低、自放

51、电越大；一般，温度越高，充电电压越低、自放电越大； 相反，温度越低，充电电压越高、自放电越小。相反，温度越低，充电电压越高、自放电越小。 v当温度过高或过低时，对电池容量和内阻也有一当温度过高或过低时，对电池容量和内阻也有一 定影响，特别在低温下，容量偏低、内阻增高。定影响，特别在低温下，容量偏低、内阻增高。 3、什么是过充电？对电池性能有何影响？、什么是过充电？对电池性能有何影响？ v过充电是指电池经一定充电过程充满电后，再继过充电是指电池经一定充电过程充满电后，再继 续充电的行为。续充电的行为。 v如果充电电流过大，或充电时间过长，产生的氧如果充电电流过大，或充电时间过长，产生的氧 气来不

52、及被消耗，就可能造成内压升高，电池变气来不及被消耗，就可能造成内压升高，电池变 形，漏液等不良现象。同时，其电性能也会显著形，漏液等不良现象。同时，其电性能也会显著 降低。降低。 4、什么是过放电？对电池性能有何影响？、什么是过放电？对电池性能有何影响？ v电池放完内部储存的电量，电压达到一定值后，电池放完内部储存的电量，电压达到一定值后， 继续放电就会造成过放电。继续放电就会造成过放电。 v一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活 性物质可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢性物质可逆性受到破坏，即使充电也只能部分恢 复，容量也会有明显衰减。复，容量也会有明显衰减。 5、电池放电时间短的可能原因有哪些？、电池放电时间短的可能原因有哪些？ v1、电池未被充满电，如充电时间不够，充电效、电池未被充满电，如充电时间不够，充电效 率较低等率较低等 v2. 放电电流过大，致使放电效率降低从而使放电放电电流过大，致使放电效率降低从而使放电 时间缩短时间缩短 v3.电池放电时环境温度过低，放电效率下降电池放电时环境温度过低，放电效率下降; 6、电池出现零电压或低电压的原因、电池出现零电压或低电压的原因 1. 电池遭受外部短路或过充电池遭受外部短路或过充,反充反充(强制过放强制过放) 2. 电池受高倍率大电流连续过充