第三章 化学电源

1、课堂作业 描述甲醇阳极氧化的机理。 基本概念基本概念 一次电池一次电池 二次电池二次电池 燃料电池燃料电池第三章第三章 化学电源化学电源电池的发展史电池的发展史1791年的一天，意大利解剖学家伽伐尼年的一天，意大利解剖学家伽伐尼 “生物电生物电”。1799年，伏打年，伏打 “伏打堆伏打堆”1836年，英国的丹尼尔对年，英国的丹尼尔对“伏打电堆伏打电堆”进行了改良。他使用稀硫酸作电进行了改良。他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌锌铜电池，又称铜电池，又称“丹尼尔电池丹尼尔电池”。1860年，

2、法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处年，法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是，当电池使用一段使电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电是，当电池使用一段使电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为压回升。因为这种电池能充电，可以反复使用，所以称它为“蓄电池蓄电池”。1860年，法国的雷克兰士年，法国的雷克兰士(GeorgeLeclanche)还发明了世界广受使用的电还发明了世界广受使用的电池（碳锌电池）的前身。它的负极是锌和汞的合金棒池（碳锌电池）的前身。它的负极是锌和汞的合金棒(锌伏特原型电锌伏特原型

3、电池的负极，经证明是作为负极材料的最佳金属之一池的负极，经证明是作为负极材料的最佳金属之一)，而它的正极是以，而它的正极是以一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混合物。在此混合物中插一个多孔的杯子盛装着碾碎的二氧化锰和碳的混合物。在此混合物中插有一根碳棒作为电流收集器。负极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯有一根碳棒作为电流收集器。负极棒和正极杯都被浸在作为电解液的氯化铵溶液中。此系统被称为化铵溶液中。此系统被称为“湿电池湿电池”。雷克兰士制造的电池虽然简陋。雷克兰士制造的电池虽然简陋但却便宜，所以一直到但却便宜，所以一直到1880年才被改进的年才被改进的“干电池干电池”取代。负极被改进取代

4、。负极被改进成锌罐（即电池的外壳），电解液变为糊状而非液体，基本上这就是现成锌罐（即电池的外壳），电解液变为糊状而非液体，基本上这就是现在我们所熟知的碳锌电池。在我们所熟知的碳锌电池。1887年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状，年，英国人赫勒森发明了最早的干电池。干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。 1890年年Thomas Edison 发明可充电的铁镍电池。发明可充电的铁镍电池。1896年在美国批量生产干电池年在美国批量生产干电池1896年发明年发明D型电池。型电池。1899年年Waldmar Jung

5、ner 发明镍镉电池发明镍镉电池.1910年可充电的铁镍电池商业化生产。年可充电的铁镍电池商业化生产。1911年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂）。年我国建厂生产干电池和铅酸蓄电池（上海交通部电池厂）。1914年年Thomas Edison 发明碱性电池。发明碱性电池。1934年年Schlecht and Akermann 发明镍镉电池烧结极板。发明镍镉电池烧结极板。1947年年Neumann 开发出密封镍镉电池。开发出密封镍镉电池。1949年年Lew Urry (Energizer) 开发出小型碱性电池。开发出小型碱性电池。1954年年Gerald Pearson, Calv

6、in Fuller and Daryl Chapin 开发出太阳能开发出太阳能电池。电池。1956年年Energizer.制造第一个制造第一个9伏电池。伏电池。1956年我国建设第一个镍镉电池工厂（风云器材厂（年我国建设第一个镍镉电池工厂（风云器材厂（755厂）。厂）。1960前后前后Union Carbide.商业化生产碱性电池，我国开始研究碱性电商业化生产碱性电池，我国开始研究碱性电池（西安庆华厂等三池（西安庆华厂等三 家合作研发）家合作研发）。1970前后出现免维护铅酸电池。前后出现免维护铅酸电池。1970前后一次锂电池实用化前后一次锂电池实用化.1976年年Philips Resear

7、ch的科学家发明镍氢电池。的科学家发明镍氢电池。1980前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金。前后开发出稳定的用于镍氢电池的合金。1983年我国开始研究镍氢电池（南开大学）。年我国开始研究镍氢电池（南开大学）。1987年我国改进镍镉电池工艺，采用发泡镍，电池容量提升年我国改进镍镉电池工艺，采用发泡镍，电池容量提升40。1987前我国商业化生产一次锂电池。前我国商业化生产一次锂电池。1989年我国镍氢电池研究列入国家计划。年我国镍氢电池研究列入国家计划。1990前出现角型（口香糖型）电池。前出现角型（口香糖型）电池。1990前后镍氢电池商业化生产。前后镍氢电池商业化生产。1991年年Sony.可充

8、电锂离子电池商业化生产。可充电锂离子电池商业化生产。1992年年Karl Kordesch, Josef Gsellmann and Klaus Tomantschger 取得取得碱性充电电池专利。碱性充电电池专利。 1992年年Battery Technologies, Inc.生产碱性充电电池。生产碱性充电电池。1995年我国镍氢电池商业化生产初具规模。年我国镍氢电池商业化生产初具规模。1999年可充电锂聚合物电池商业化生产。年可充电锂聚合物电池商业化生产。2000年我国锂离子电池商业化生产。年我国锂离子电池商业化生产。2000后燃料电池，太阳能电池成为全世界瞩目的新能源发展问题的焦后燃料

9、电池，太阳能电池成为全世界瞩目的新能源发展问题的焦点点化学化学按照使用性质按照使用性质（1 1）一次电池）一次电池 （2 2）二次电池）二次电池 （3 3）储备电池）储备电池 （4 4）燃料电池）燃料电池 按照电解质性质按照电解质性质（1 1）碱性电池）碱性电池（2 2）中性电池）中性电池（3 3）酸性电池）酸性电池一次电池一次电池一次电池也称干电池，即电池中的反应物质一次电池也称干电池，即电池中的反应物质在进行一次电化学反应放电之后就不能再次在进行一次电化学反应放电之后就不能再次使用了。常用的有锌锰干电池、锌汞电池、使用了。常用的有锌锰干电池、锌汞电池、镁锰干电池等。镁锰干电池等。 一次电池

10、的主要优点：方便、简单、容易使一次电池的主要优点：方便、简单、容易使用，维修工作量极少。大小和形状可根据用用，维修工作量极少。大小和形状可根据用途来设计。贮存寿命长，适当的比能量和比途来设计。贮存寿命长，适当的比能量和比功率，可靠，成本低。功率，可靠，成本低。一、锌锰电池一、锌锰电池 锌锌-二氧化锰干电池（二氧化锰干电池（zinc-manganese dry battery）简称锌锰电池，是采用二氧化锰作正极活性物质，简称锌锰电池，是采用二氧化锰作正极活性物质，锌作负极活性物质的原电池。锌作负极活性物质的原电池。 电池采用氯化铵和氯化锌或氢氧化钾的水溶液作电池采用氯化铵和氯化锌或氢氧化钾的水溶

11、液作电解质，面淀粉、浆层纸或专用膜纸作隔离层，电解质，面淀粉、浆层纸或专用膜纸作隔离层，电解质溶液通常制成凝胶状或被吸收在隔离层等电解质溶液通常制成凝胶状或被吸收在隔离层等载体上，呈不流动状态，所以又称干电池。载体上，呈不流动状态，所以又称干电池。 锌锰电池的标称电压为锌锰电池的标称电压为1.5伏。按使用电解质溶液伏。按使用电解质溶液的不同分为的不同分为氯化铵型、氯化锌型和碱性氯化铵型、氯化锌型和碱性3种种。氯化。氯化铵和氯化锌型锌锰电池又称中性锌锰电池（或碳铵和氯化锌型锌锰电池又称中性锌锰电池（或碳性电池、碳锌电池）。性电池、碳锌电池）。1.中性锌锰电池中性锌锰电池中央的顶盖上有铜帽的炭中央

12、的顶盖上有铜帽的炭棒是正极板，其周围有碳棒是正极板，其周围有碳与与MnO2混合物混合物 , 锌皮是锌皮是负极。两极间有负极。两极间有 NH4Cl , ZnCl2 和淀粉，呈糊状，和淀粉，呈糊状，作为电解质。作为电解质。 中性锌锰电池按隔离层的区别可分为糊式电池和纸板电池；按中性锌锰电池按隔离层的区别可分为糊式电池和纸板电池；按电池容量的高低可分为普通品（电池容量的高低可分为普通品（S）、高容量（）、高容量（C）和高功率（）和高功率（P）3个等级，但近期在个等级，但近期在IEC电池标准中已取消电池标准中已取消C型，中性锌锰电池无电型，中性锌锰电池无电化学体系代号。化学体系代号。盐类电解质：盐类电

13、解质： ZnCl2+ NH4Cl(糊糊)电池符号：（）电池符号：（）Zn ZnCl2+ NH4Cl(糊糊) MnO2，C（）（）电极反应：电极反应：（）（）Zn(s) Zn2+ + 2e （）（）2MnO2(s) + 2H2O+2e MnOOH+2OH-该电池放电电压较稳，但自放电现象较明显。为防止锌在电该电池放电电压较稳，但自放电现象较明显。为防止锌在电解液中的腐蚀，必须在电池隔离层中加入缓蚀剂。最常用的解液中的腐蚀，必须在电池隔离层中加入缓蚀剂。最常用的缓蚀剂是氯化汞，通常加在糊式电池的浆糊中或纸板电池的缓蚀剂是氯化汞，通常加在糊式电池的浆糊中或纸板电池的浆层纸中，这也使汞成为电池中污染环

14、境的主要有害元素。浆层纸中，这也使汞成为电池中污染环境的主要有害元素。 2.2.碱性锌锰电池碱性锌锰电池碱性锌锰电池在外形代号前加上电化学体系代号碱性锌锰电池在外形代号前加上电化学体系代号“L”表示。表示。碱性电解质：浓碱性电解质：浓KOH电池符号：（）电池符号：（）Zn 浓浓KOH MnO2，C（）（）电极反应：电极反应：（）（）Zn(s)+2OH- Zn(OH)2+ 2e Zn(OH)2+2OH- Zn(OH)42-（）（）MnO2(s) + H2O+e MnOOH+OH- MnOOH + H2O+e Mn(OH)2+OH-碱性锌锰电池性能特征碱性锌锰电池性能特征 碱锰电池的标称电压为碱锰

15、电池的标称电压为1.5V,最高电压为最高电压为1.65V,其放电性其放电性能与普通锌锰电池相比有下列特点：能与普通锌锰电池相比有下列特点：内阻小，能在重负荷下连续工作的同时维持较高的稳定电内阻小，能在重负荷下连续工作的同时维持较高的稳定电压；压；MnO2利用率高，同体积相比较，其电荷量比纸板电池大利用率高，同体积相比较，其电荷量比纸板电池大一倍左右；一倍左右；储存期内自放电率小，一般储存储存期内自放电率小，一般储存3年仍能保持原有电荷量年仍能保持原有电荷量的的85,寿命较长；寿命较长；低温性能好，在低温性能好，在-20能输出常温电荷量的能输出常温电荷量的25,轻负荷下轻负荷下还能在更低的温度下

16、工作；还能在更低的温度下工作；在特定的设计和严格控制的使用条件下，可作为廉价的蓄在特定的设计和严格控制的使用条件下，可作为廉价的蓄电池多次充电反复使用。电池多次充电反复使用。MnO2掺杂钛或其他一些金属氧掺杂钛或其他一些金属氧化物，可提高化物，可提高MnO2的充电性能。的充电性能。 二、高铁电池二、高铁电池 K2FeO4锌锌 （KOH为电解质为电解质） 高铁电池是正在研制中的高铁电池是正在研制中的可充电电池可充电电池,其负极材料是其负极材料是Zn,氧化产物是氧化产物是Zn(OH)2,正正极材料是极材料是K2FeO4（易溶盐（易溶盐),还原产物是还原产物是Fe(OH)3，电解，电解质溶液是质溶液

17、是KOH水溶液水溶液. .电池反应电池反应:2FeO:2FeO4 42-2-+ 3Zn+8H+ 3Zn+8H2 2O 2Fe(OH)O 2Fe(OH)3 3+3Zn(OH)+3Zn(OH)2 2 +4OH+4OH- - 优点：电势高、无污染、放电平稳等优点：电势高、无污染、放电平稳等 三、锌三、锌- -氧化银电池氧化银电池电池符号电池符号（）（） ZnKOHAgO2(AgO)，C（）（）（）极（）极Zn+2OH-2enZn(OH)2或或ZnO+H2O（）极（）极2AgO+H2O+2eAg2O Ag2OH2O2e2Ag2OH总反应总反应 Zn2AgOZnO+Ag2O Zn+Ag2OZnO+2Ag

18、 在一定条件下可以开发为二次电池在一定条件下可以开发为二次电池优点：体积比能量高，高速度放电，放电平稳充电效率高优点：体积比能量高，高速度放电，放电平稳充电效率高缺点缺点: 高低温性能不好高低温性能不好 电池寿命短价格贵电池寿命短价格贵四、锌四、锌- -氧化汞电池氧化汞电池 以锌为负极，氧化汞为正极，氢氧化钾溶液为电解液的原电池。以锌为负极，氧化汞为正极，氢氧化钾溶液为电解液的原电池。简称汞电池。简称汞电池。 第二次世界大战初，在美国由第二次世界大战初，在美国由S.鲁宾开发成功锌汞干电池，并鲁宾开发成功锌汞干电池，并由麦洛莱公司大量生产，作为主要的军用通信电源（用于步话由麦洛莱公司大量生产，作

19、为主要的军用通信电源（用于步话机）。由于这种电池有很高的电荷体积密度和稳定的电压，很机）。由于这种电池有很高的电荷体积密度和稳定的电压，很快在民用电子器具上得到广泛应用，形成了多种形状和尺寸系快在民用电子器具上得到广泛应用，形成了多种形状和尺寸系列的电池。列的电池。 结构：市场上销售的锌汞电池多为纽扣形，其构成基本上与结构：市场上销售的锌汞电池多为纽扣形，其构成基本上与锌银扣式电池相同，只是以锌银扣式电池相同，只是以HgO代替代替Ag2O作为正极材料，正极作为正极材料，正极中还加入中还加入515石墨以降低内阻。为了提高电池电压，在有的石墨以降低内阻。为了提高电池电压，在有的产品中还掺加一些二氧

20、化锰。做为锌电极（负极），现在已多产品中还掺加一些二氧化锰。做为锌电极（负极），现在已多数采用汞齐锌粉拌以凝胶材料以代替早期所用的带状锌箔。数采用汞齐锌粉拌以凝胶材料以代替早期所用的带状锌箔。 原理原理 锌汞电池的电化学反应如下：锌汞电池的电化学反应如下：正极：正极：HgO+H2O+2eHg+2OH-负极：负极：Zn+2OH-ZnO+H2O+2e 总反应式：总反应式： Zn+HgOZnO+Hg 优点：电动势和电压稳定；比能量高，自放电小；活优点：电动势和电压稳定；比能量高，自放电小；活性物质利用率高；可在较高温度下工作，密封性好。性物质利用率高；可在较高温度下工作，密封性好。缺点：正极材料较昂

21、贵，且有污染的危险，低温下的缺点：正极材料较昂贵，且有污染的危险，低温下的工作性能差。工作性能差。五、锂一次电池五、锂一次电池 锂一次电池是锂一次电池是(primary lithium battery)一一类以使用金属锂为负极材料的化学电源系列类以使用金属锂为负极材料的化学电源系列的总称。的总称。 锂一次电池：一种高能化学原电池。以金锂一次电池：一种高能化学原电池。以金属锂为负极活性物质，金属氧化物或其它氧属锂为负极活性物质，金属氧化物或其它氧化剂作正极活性物质，固体盐类或溶解于有化剂作正极活性物质，固体盐类或溶解于有机溶剂的盐类作电解质的原电池，有些溶剂机溶剂的盐类作电解质的原电池，有些溶剂

22、如亚硫酰氯等还兼作正极活性物质。如亚硫酰氯等还兼作正极活性物质。1 1、锂一次电池组成、锂一次电池组成 锂电池的主要材料一般用金属锂或锂合金为负极材料。锂电池的主要材料一般用金属锂或锂合金为负极材料。 非水电解质，它们通常由有机溶剂和无机盐组成，以不与锂和电池其非水电解质，它们通常由有机溶剂和无机盐组成，以不与锂和电池其他材料发生持续的化学反应为原则。他材料发生持续的化学反应为原则。 锂电池的正极活性物质常用的有：锂电池的正极活性物质常用的有：固态卤化物固态卤化物如氟化铜（如氟化铜（CuF2）、氯）、氯化铜（化铜（CuCl2），），固态硫化物固态硫化物如硫化铜如硫化铜(CuS)、硫化铁、硫化铁

23、(FeS),固态氧化物固态氧化物如二如二氧化锰（氧化锰（MnO2）、氧化铜）、氧化铜(CuO)、三氧化钼、三氧化钼(MoO3) ，固态含氧酸盐固态含氧酸盐如铬如铬酸银（酸银（Ag2CrO4）、铋酸铅（）、铋酸铅（Pb2Bi2O5），），固态卤素固态卤素如碘（如碘（I2），），液态氧化液态氧化物物如二氧化硫（如二氧化硫（SO2），），液态卤氧化物液态卤氧化物如亚硫酰氯（如亚硫酰氯（SOCl2）。因此）。因此,锂一次锂一次电池有很多系列，常见的有锂电池有很多系列，常见的有锂-二氧化锰、锂二氧化锰、锂-硫化铜、锂硫化铜、锂-氟化碳、锂氟化碳、锂-二氧二氧化硫和锂化硫和锂-亚硫酰氯等。亚硫酰氯等。2

24、2、锂一次电池分类及应用范围、锂一次电池分类及应用范围 所选电解质的性质来分类，可分为以下四类：所选电解质的性质来分类，可分为以下四类：锂有机电锂有机电解质电池、锂无机电解质电池、锂固体电解质电池、锂熔盐解质电池、锂无机电解质电池、锂固体电解质电池、锂熔盐电池。电池。 锂电池的型号和种类繁多，它们各自有其特点和应用范锂电池的型号和种类繁多，它们各自有其特点和应用范围，不能互相取代，如锂碘围，不能互相取代，如锂碘Li/I2电池主要应用于心脏起搏器电池主要应用于心脏起搏器的电源，锂二氧化锰的电源，锂二氧化锰Li/MnO2电池主要应用于照相机以及电电池主要应用于照相机以及电子仪器设备的记忆电源，锂二

25、氧化硫子仪器设备的记忆电源，锂二氧化硫Li/SO2电池或锂亚硫酰电池或锂亚硫酰氯氯Li/SOCl2电池主要应用于需要较大功率的无绳电动工具的电池主要应用于需要较大功率的无绳电动工具的电源，锂氧化铜电源，锂氧化铜Li/CuO电池、锂二硫化铁电池、锂二硫化铁Li/FeS2电池可与电池可与常规电池互换使用，应用领域非常广泛。常规电池互换使用，应用领域非常广泛。3 3、锂一次电池的结构、锂一次电池的结构 锂一次电池的标称电压有锂一次电池的标称电压有1.5V级和级和3.0V级两种。级两种。 锂电池的结构形式常见的有圆柱碳包式、方型叠片式、锂电池的结构形式常见的有圆柱碳包式、方型叠片式、圆柱叠片式、圆柱卷

26、绕式、方型卷绕式等。圆柱叠片式、圆柱卷绕式、方型卷绕式等。二次电池二次电池二次电池又称二次电池又称充电电池充电电池 ，可逆，可循环。，可逆，可循环。一、评价二次电池性能的指标一、评价二次电池性能的指标电池的容量、放电倍率、比能量、比功率、寿命电池的容量、放电倍率、比能量、比功率、寿命容量效率：容量效率：在一定条件下一个蓄电池放电时输出的电量和电在一定条件下一个蓄电池放电时输出的电量和电池充电至原始状态时所需电量的比。如果容量效率接近池充电至原始状态时所需电量的比。如果容量效率接近1 1，表示电池充放电期间能量损失很小。表示电池充放电期间能量损失很小。伏特效率：伏特效率：蓄电池放电和充电过程的工

27、作电压之比，它反映蓄电池放电和充电过程的工作电压之比，它反映了放电和充电过程极化的大小，伏特效率接近了放电和充电过程极化的大小，伏特效率接近1 1，表示电池，表示电池的可逆性好。的可逆性好。能量效率：能量效率：容量效率和伏特效率的乘积，是评价电池能量容量效率和伏特效率的乘积，是评价电池能量损失和极化行为的综合指标。损失和极化行为的综合指标。充放电行为：充放电行为：评价二次电池优劣的重要指标之一，对于实评价二次电池优劣的重要指标之一，对于实用电池，希望充放电曲线（特别是放电曲线）平坦，初始用电池，希望充放电曲线（特别是放电曲线）平坦，初始电压和截止电压的差值小。电压和截止电压的差值小。1. 1.

28、最早使用的充电电池是最早使用的充电电池是 ，它的，它的负极负极是是PbPb，正极正极是是PbOPbO2 2，电解质溶液电解质溶液是是H H2 2SOSO4 4。（汽车电瓶）。（汽车电瓶）铅蓄电池铅蓄电池2.2.新型封闭式新型封闭式镍镉电池镍镉电池，体积小，便于携带；，体积小，便于携带；CdCd是是负极负极，NiONiO（OHOH）是）是正极正极，KOHKOH作作电解质电解质；镉有致癌作用，有被镉有致癌作用，有被镍氢电池镍氢电池取代的趋势。取代的趋势。3. 3. 是新一代可充电的绿色电池，质量轻、是新一代可充电的绿色电池，质量轻、 高能量、无污染。高能量、无污染。锂离子电池锂离子电池二、常见的二

29、次电池二、常见的二次电池（-）Pb（s) H2SO4(相对密度相对密度1.20-1.31）PbO2(s)（+）铅蓄电池的特点：铅蓄电池的特点：铅蓄电池的优点是放电时铅蓄电池的优点是放电时电动势较稳定，工作电压平稳、电动势较稳定，工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广存）、造价较低，因而应用广泛。泛。 缺点是比能量（单位重量缺点是比能量（单位重量所蓄电能）小，对环境腐蚀性所蓄电能）小，对环境腐蚀性强、污染严重。强、污染严重。三、铅蓄电池三、铅蓄

30、电池充电后的正极板是棕褐色的二氧化铅，负极板是灰色的绒状铅。充电后的正极板是棕褐色的二氧化铅，负极板是灰色的绒状铅。 铅蓄电池的工作原理：铅蓄电池的工作原理： 当两极板放置在硫酸水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反应，当两极板放置在硫酸水溶液中时，极板的铅和硫酸发生化学反应，Pb2+转转移到电解液中，在负极板上留下两个电子。由于正负电荷的引力，铅正离子移到电解液中，在负极板上留下两个电子。由于正负电荷的引力，铅正离子聚集在负极板的周围。聚集在负极板的周围。而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅（而正极板在电解液中水分子作用下有少量的二氧化铅（PbO2）渗入电解液，）渗入电解液，其中两价

31、的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物其中两价的氧离子和水化合，使二氧化铅分子变成可离解的一种不稳定的物质质-氢氧化铅。氢氧化铅由氢氧化铅。氢氧化铅由Pb4+和和4个氢氧根组成。个氢氧根组成。Pb4+留在正极板上，使正留在正极板上，使正极板带正电。极板带正电。两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电当接通外电路，电流即由正极流向负极。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成子不断经外电路流向正极板，这时在电解液

32、内部因硫酸分子电离成H+与与SO42-，在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动， SO42-到达负极板后到达负极板后与与Pb2+结合成结合成PbSO4。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与。在正极板上，由于电子自外电路流入，而与Pb4+化合化合成成Pb2+，并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。，并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。 负极：Pb+SO42- PbSO4+2e正极：PbO2+SO42-+4H+2e PbSO4+ 2H2O 电池总反应：Pb+ PbO2+2SO42- +4H+ 2PbSO

33、4+2H2O阴极： PbSO4 +2e Pb+SO42- 阳极： PbSO4+ 2H2O PbO2+SO42-+4H+2e 电池总反应：2PbSO4+2H2O Pb+ PbO2+2SO42- +4H+ 铅蓄电池的放电过程：铅蓄电池的放电过程：铅蓄电池的充电过程：铅蓄电池的充电过程：9.5 化学电源四、镍镉电池四、镍镉电池镍镉蓄电池的正极材料为镍镉蓄电池的正极材料为氢氢氧化亚镍氧化亚镍和石墨粉的混合物，和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状负极材料为海绵状镉粉镉粉和氧和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。化钠或氢氧化钾溶液。（-）Cd KOH NiOOH（+）放电过

34、程放电过程负极：负极：Cd + 2OH- Cd(OH)2 + 2e正极：正极：NiOOH + H2O + e Ni(OH)2 + OH- 总反应：总反应： Cd + 2NiOOH +2H2O Cd(OH)2+ 2Ni(OH)2 充电过程充电过程正极：正极： Ni(OH)2 + OH- NiOOH + H2O +e 负极：负极： Cd(OH)2 + 2e Cd + 2OH- 总反应：总反应：2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 2NiOOH+ Cd+ 2H2O 氢氧化钠或氢氧化钾并不直接参与反应，只起导电作用氢氧化钠或氢氧化钾并不直接参与反应，只起导电作用 （-）Cd KOH 或或NaOHNiO

35、OH（+） 镍镉电池是最早应用于手机、笔记本电脑等的电池种类。镍镉电池是最早应用于手机、笔记本电脑等的电池种类。 它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。在使用上适合大电流放电，适用温度范围广护简单。在使用上适合大电流放电，适用温度范围广,零下零下40度到零上度到零上60度。度。 镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的当，会出现严重的“记忆效应记忆效应”。所谓。所谓“记忆效应记忆效应”就是电池在就是电池在充电前，电池的电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电充

36、电前，电池的电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低，在电池充放电的过程中，会在电池极板上产池容量的降低，在电池充放电的过程中，会在电池极板上产生些许的小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积生些许的小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。此外，镉是有毒的，因而镍镉电也间接影响了电池的容量。此外，镉是有毒的，因而镍镉电池不利于生态环境的保护。众多的缺点使得镍镉电池已基本池不利于生态环境的保护。众多的缺点使得镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。被淘汰出数码设备电池的应用范围。镍镉电池的特点镍镉电池的特点 早在早在20世纪六十年代末，人们就发现了

37、一种新型功能材世纪六十年代末，人们就发现了一种新型功能材料料储氢合金储氢合金，储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大，储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢，因此被人们形象地称为量的氢，因此被人们形象地称为“吸氢海绵吸氢海绵”。 其中有些储其中有些储氢氢合金可以在强碱性电解质溶液中，反复冲放电并长期稳定存合金可以在强碱性电解质溶液中，反复冲放电并长期稳定存在，从而为我们提供了一种新型负极材料，并在此基础上发在，从而为我们提供了一种新型负极材料，并在此基础上发明了明了镍氢电池问题：是否存在一种新的电池，既拥有镍镉电池的优点，又能克服其缺点？问题：是否存在一种新的电池，既拥有镍镉电池的优

38、点，又能克服其缺点？ 镍氢电池的外形规格指标和镍镉电池大体一致。在性能镍氢电池的外形规格指标和镍镉电池大体一致。在性能指标上比较来看也有不少一样的地方，但是镍氢电池有自指标上比较来看也有不少一样的地方，但是镍氢电池有自己一些独特的优势，最主要的体现是镍氢电池的己一些独特的优势，最主要的体现是镍氢电池的比能量密比能量密度高度高（就是同等体积的电池，镍氢电池比镍镉电池容量更（就是同等体积的电池，镍氢电池比镍镉电池容量更大），理论上，镍氢电池是镍镉电池能量密度的大），理论上，镍氢电池是镍镉电池能量密度的1.5-21.5-2倍多；倍多；还有镍氢电池环保性好，镍氢电池不使用金属还有镍氢电池环保性好，镍氢

39、电池不使用金属“镉镉”，也，也不采用有毒物质，不采用有毒物质，不会污染环境；不会污染环境；还有还有镍氢电池基本上消镍氢电池基本上消除了除了“记忆效应记忆效应”。 镍氢电池发展非常迅猛，尤其是近几年来电子工业的镍氢电池发展非常迅猛，尤其是近几年来电子工业的飞速发展，移动电话，便携式计算机等通信工具的巨增，飞速发展，移动电话，便携式计算机等通信工具的巨增，迫切需要高容量、小体积的可充电池与之配套，极大地刺迫切需要高容量、小体积的可充电池与之配套，极大地刺激了镍氢电池的发展。而环境的保护的呼声越来越高，容激了镍氢电池的发展。而环境的保护的呼声越来越高，容量高污染小的镍氢电池无疑是人们期待的理想替代电

40、源，量高污染小的镍氢电池无疑是人们期待的理想替代电源，因此镍氢电池已成为近几年来蓄电池领域的研究热点。因此镍氢电池已成为近几年来蓄电池领域的研究热点。五、镍氢电池镍氢电池由镍氢电池由氢氧化镍氢氧化镍正极，正极，储氢合储氢合金金负极，氢氧化钾溶液做电解液负极，氢氧化钾溶液做电解液（-）MHx KOH NiOOH（+）放电过程放电过程正极：正极：NiOOH + H2O + e Ni(OH)2 + OH-负极：负极：MHx + xOH- M + xH2O + xe总反应：总反应： MHx + x NiOOH x Ni(OH)2 + M充电过程充电过程正极：正极：Ni(OH)2 + OH- NiOOH

41、 + H2O +e 负极：负极： M + xH2O + xe MHx + xOH- 总反应：总反应：x Ni(OH)2 + M MHx + x NiOOH 充电时氢由正极到负极，放电时，氢由负极到正极，电解充电时氢由正极到负极，放电时，氢由负极到正极，电解液没有增减现象。液没有增减现象。储氢合金材料储氢合金材料AB5: LiNi5, MnNi5, CaNi5AB2: ZrMn2, TiCr2, ZrV2, ZrMn2AB: TiFe,TiCo, TiNi A2B: Mg2Ni, Mg2Cu 储氢合金应具备的特点：储氢合金应具备的特点：（1 1）高的储氢容量）高的储氢容量（2 2）在碱液中稳定，

42、耐氧化性好，具有良好的循）在碱液中稳定，耐氧化性好，具有良好的循环寿命环寿命（3 3）资源丰富，价格低廉，且对环境无害。）资源丰富，价格低廉，且对环境无害。长期不用的电池保存和恢复方法长期不用的电池保存和恢复方法 镍镉电池和镍氢电池特性不同，保存方法不同。镍镉电池和镍氢电池特性不同，保存方法不同。镍镉电池应将电用完保存，所以一般新镍镉电池是基镍镉电池应将电用完保存，所以一般新镍镉电池是基本没有电的，需要自己来充。采用正确的充电方法，本没有电的，需要自己来充。采用正确的充电方法，大概需要充放大概需要充放3 35 5次才能将电池恢复到最佳状态。次才能将电池恢复到最佳状态。镍氢电池要长期保存前，应该

43、充电到镍氢电池要长期保存前，应该充电到8080左右保存。左右保存。因此新的镍氢电池有一些电，因为厂家已经预充电，因此新的镍氢电池有一些电，因为厂家已经预充电，防止运输周转时间太长，而电池没电受到影响。长期防止运输周转时间太长，而电池没电受到影响。长期保存的镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用正确保存的镍氢电池用的时候，先将余电用完，再用正确方法充放方法充放2 23 3次就可以恢复到最佳状态次就可以恢复到最佳状态。六、锂离子电池六、锂离子电池v锂是锂离子电池的核心，它是最轻的金属元素，金属锂的锂是锂离子电池的核心，它是最轻的金属元素，金属锂的比重只有水的一半，铝是较轻的金属，锂的比重只有铝的五比

44、重只有水的一半，铝是较轻的金属，锂的比重只有铝的五分之一。分之一。v锂的电负性是所有金属中最负的，锂离子的还原电位高达锂的电负性是所有金属中最负的，锂离子的还原电位高达- -3V3V。根据计算，。根据计算，1 1克锂转化为锂离子时所能得到的能量为克锂转化为锂离子时所能得到的能量为3860mAh3860mAh，加之它的大于，加之它的大于3V3V的工作电压，锂作为电池的负极的工作电压，锂作为电池的负极材料当之无愧轻量级的大力士。材料当之无愧轻量级的大力士。v锂二次电池是本世纪锂二次电池是本世纪9090年代新发展起来的绿色能源。也是年代新发展起来的绿色能源。也是我国能源领域重点支持的高新技术产业，以

45、其高可逆容量、我国能源领域重点支持的高新技术产业，以其高可逆容量、高电压、高循环性能和高能量密度等优异性能而备受世人青高电压、高循环性能和高能量密度等优异性能而备受世人青睐，被称为睐，被称为2020世纪的主导电源。世纪的主导电源。 锂离子电池的起源锂离子电池的起源 早期负极为金属锂的早期负极为金属锂的“锂电池锂电池”，但金属锂的化学活性太，但金属锂的化学活性太大，充电时产生的枝晶会使电池短路，目前尚未真正解决其大，充电时产生的枝晶会使电池短路，目前尚未真正解决其安全问题。经过长期的探索、研究，发现锂可与许多金属形安全问题。经过长期的探索、研究，发现锂可与许多金属形成合金，其活性要小许多，更奇妙

46、的是锂可以在许多层状结成合金，其活性要小许多，更奇妙的是锂可以在许多层状结构的物质中可逆地嵌入和脱出。锂以这些材料为载体就安全构的物质中可逆地嵌入和脱出。锂以这些材料为载体就安全多了。嵌锂化合物的发现和应用奠定了锂离子电池的技术基多了。嵌锂化合物的发现和应用奠定了锂离子电池的技术基础。础。锂离子电池的现状锂离子电池的现状 由正极、负极、电解质、隔膜组成。由正极、负极、电解质、隔膜组成。正极：含锂的金属氧化物正极：含锂的金属氧化物负极：人造石墨或天然石墨负极：人造石墨或天然石墨电解质：电解质：LiPF6(氟磷酸锂）氟磷酸锂）+EC(碳酸乙烯酯）碳酸乙烯酯） +DMC(碳酸二甲酯碳酸二甲酯)充电时

47、锂离子从正极层状物的充电时锂离子从正极层状物的晶格间脱出，通过电解液迁移晶格间脱出，通过电解液迁移到层状负极表面后嵌入到石墨到层状负极表面后嵌入到石墨材料晶格中，同时剩余电子从材料晶格中，同时剩余电子从外电路到达负极。放电则相反，外电路到达负极。放电则相反，锂离子从石墨晶格中脱出回到锂离子从石墨晶格中脱出回到正极氧化物晶格中。正极氧化物晶格中。在充放电时锂离子在电池正负极中往返的嵌在充放电时锂离子在电池正负极中往返的嵌入入 脱出，正像摇椅子一样在正负极中脱出，正像摇椅子一样在正负极中摇来摇去，故有人将锂离子电池形象的称摇来摇去，故有人将锂离子电池形象的称为为“摇椅电池摇椅电池”。由于由于Lix

48、CLixC非常活泼，可以和水发生反应。故非常活泼，可以和水发生反应。故电解质选用可溶于有机溶剂的锂盐，但这电解质选用可溶于有机溶剂的锂盐，但这也留下一个缺点：内阻相对于镍镉、镍氢也留下一个缺点：内阻相对于镍镉、镍氢电池要大的多。电池要大的多。 锂离子电池的锂离子电池的发展发展 发展新的正负极材料，发展新的正负极材料， 如部分动力电池：负极如部分动力电池：负极LiCLiC+ +正极正极LiMnLiMn2 2OO。 锂聚合物电池：在正、负电极粘结剂、电解质三锂聚合物电池：在正、负电极粘结剂、电解质三者中任何一种使用高分子聚合物的锂离子电池就者中任何一种使用高分子聚合物的锂离子电池就可以成为锂聚合物

49、电池。现在常见的是使用高分可以成为锂聚合物电池。现在常见的是使用高分子胶体取代常规液体电解质的锂聚合物电池。子胶体取代常规液体电解质的锂聚合物电池。从最初的伏达电池到形成干电池再到铅蓄电从最初的伏达电池到形成干电池再到铅蓄电池，电池将向着高容量，无污染的方向池，电池将向着高容量，无污染的方向燃料电池燃料电池发展。发展。燃料电池燃料电池一、燃料电池的发明一、燃料电池的发明 早在年，英国科学家威廉早在年，英国科学家威廉格罗夫就提出了格罗夫就提出了氢氧燃料电池的原理。这是一种将化学能直接转换为电氢氧燃料电池的原理。这是一种将化学能直接转换为电能的化学系统，它的主要部件为两个电极和电解液。在能的化学系

50、统，它的主要部件为两个电极和电解液。在负极（燃料电极），氢气在催化剂作用下被拆开成为质负极（燃料电极），氢气在催化剂作用下被拆开成为质子（氢离子）和电子，其中氢离子通过电解液流到正极子（氢离子）和电子，其中氢离子通过电解液流到正极（氧气电极），而电子不能通过电解液，留在负极，这（氧气电极），而电子不能通过电解液，留在负极，这样就在两极之间形成了电位差。如果接通两极，氢原子样就在两极之间形成了电位差。如果接通两极，氢原子分拆出的电子就会沿电路从负极流到正极，在那里同氢分拆出的电子就会沿电路从负极流到正极，在那里同氢离子结合后，与氧气发生反应，生成水并释放出热量。离子结合后，与氧气发生反应，生成水

51、并释放出热量。 虽然称为燃料电池，其运作过程中并不会产生明火。虽然称为燃料电池，其运作过程中并不会产生明火。产生电能的过程也不需要旋转式发动机等运动部件。因产生电能的过程也不需要旋转式发动机等运动部件。因此燃料电池构造简单，能量利用率高，噪音小而且稳定。此燃料电池构造简单，能量利用率高，噪音小而且稳定。理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的理论上，应用于汽车的燃料电池可以把氢燃料能量的转化为动能，而内燃机只能达到转化为动能，而内燃机只能达到。 构成构成 （）燃料（）燃料电解质电解质氧化剂（）氧化剂（）负极负极 以氢为燃料以氢为燃料 以甲烷为燃料以甲烷为燃料 以甲醇为燃料以甲醇为燃料正极

52、正极 氧化剂（以氧为正极氧化剂（以氧为正极）二、燃料电池的构成二、燃料电池的构成燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，燃烧放出的燃料燃烧是一种剧烈的氧化还原反应，燃烧放出的化学能直接转化为电能，可以提高燃料的利用率。化学能直接转化为电能，可以提高燃料的利用率。燃料电池是一种燃料电池是一种高效高效、环境友好环境友好的发电装置。的发电装置。如，如，H H2 2燃烧生成物是燃烧生成物是H H2 2OO；CHCH4 4燃烧生成物是燃烧生成物是COCO2 2和和H H2 2OO。燃料电池燃料电池与与干电池或蓄电池干电池或蓄电池的主要差别在于：的主要差别在于：反应物不是储存在电池内部，而是用外加的设备，反应物

53、不是储存在电池内部，而是用外加的设备，源源不断的提供燃料和氧化剂等，使反应能连续源源不断的提供燃料和氧化剂等，使反应能连续进行。进行。三、燃料电池的三、燃料电池的优优点点 由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因由于燃料电池能将燃料的化学能直接转化为电能，因此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、此，它没有像通常的火力发电机那样通过锅炉、汽轮机、发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达发电机的能量形态变化，可以避免中间的转换的损失，达到很高的发电效率。同时还有以下一些特点：到很高的发电效率。同时还有以下一些特点： 不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率；不管是满负

54、荷还是部分负荷均能保持高发电效率； 不管装置规模大小均能保持高发电效率；不管装置规模大小均能保持高发电效率； 具有很强的过负载能力；具有很强的过负载能力； 通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛；通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛； 用天然气和煤气等为燃料时，用天然气和煤气等为燃料时，NOXNOX及及SOXSOX等排出量少，等排出量少， 环境相容性优。环境相容性优。 四、燃料电池的种类四、燃料电池的种类 直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池 氢氧燃料电池氢氧燃料电池 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 1.直接甲醇燃料电池 直接甲醇燃料电池直接甲醇燃料电池简称简称DMFC（Direc

55、tMethanolFuelCell）。它）。它是以甲醇为燃料，通过与氧结合是以甲醇为燃料，通过与氧结合产生电流的，优点是直接使用甲产生电流的，优点是直接使用甲醇，省去了氢的生产与存储。醇，省去了氢的生产与存储。 其电化学转化过程又可分为两种其电化学转化过程又可分为两种方式，一种是直接燃料电池，另方式，一种是直接燃料电池，另一种是间接燃料电池。直接燃料一种是间接燃料电池。直接燃料电池主要是甲醇在阳极被电解为电池主要是甲醇在阳极被电解为氢和二氧化碳，氢通过质子膜到氢和二氧化碳，氢通过质子膜到阴极与氧气反应并同时产生电流。阴极与氧气反应并同时产生电流。间接燃料电池是先将甲醇进行炼间接燃料电池是先将甲

56、醇进行炼解或重整得到氢，然后再由氢和解或重整得到氢，然后再由氢和氧通过质子膜电解槽反应而获得氧通过质子膜电解槽反应而获得供给汽车动力的电能。供给汽车动力的电能。世界最小的甲醇燃料电池世界最小的甲醇燃料电池 日本则武公司的产品在改进后，达到了日本则武公司的产品在改进后，达到了160mW/cm2的高功率的高功率密度，性能约为原来的密度，性能约为原来的1.5倍。据分析，之所以能达到如此高的倍。据分析，之所以能达到如此高的性能，主要原因在于使用了有机物和无机物的混合技术来制作性能，主要原因在于使用了有机物和无机物的混合技术来制作电解质材料，从而大大减少了甲醇透过电解质膜的电解质材料，从而大大减少了甲醇

57、透过电解质膜的“甲醇渗透甲醇渗透”现象，并提高了电解质膜的形状稳定性。则武公司从事燃料直现象，并提高了电解质膜的形状稳定性。则武公司从事燃料直接使用液态甲醇的接使用液态甲醇的DMFC电解质膜的开发，由于电解质膜的开发，由于DMFC具有无具有无需燃料改质器、可在低温下工作等优点需燃料改质器、可在低温下工作等优点这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，这种燃料电池以甲醇为能量来源，手机，笔记本电脑将不再用充电。笔记本电脑将不再用充电。 2. 2.氢氧燃料电池氢氧燃料电池在酸性溶液中在酸性溶液中负极：负极：H2+2H2O-2e2H3O+ 在碱性溶液中在碱性溶液中负极：负极：H2+2OH-2e2H2O 因

58、此，无论采用酸性还是碱性电解液，氢因此，无论采用酸性还是碱性电解液，氢氧燃料电池的总反应可表示为：氧燃料电池的总反应可表示为： 2H2+O2-2H2O这一反应的实质是氢的燃烧反应，这一反应的实质是氢的燃烧反应，氢是一种燃料，而氧则是一种氧化氢是一种燃料，而氧则是一种氧化剂。所以，在燃料电池中，负极上剂。所以，在燃料电池中，负极上进行燃料的氧化过程，常常又被称进行燃料的氧化过程，常常又被称作作“燃料电极燃料电极”，而正极上进行氧而正极上进行氧化剂的还原过程，又被称作化剂的还原过程，又被称作“氧化氧化剂电极剂电极”，燃料电池中常用的氧化燃料电池中常用的氧化剂是空气中的氧。剂是空气中的氧。 在燃料极

59、中，供给的燃料气体中在燃料极中，供给的燃料气体中的的H2 分解成分解成H+ 和和e ，H+ 移动到电解移动到电解质中与空气极侧供给的质中与空气极侧供给的O2发生反应。发生反应。e-经由外部的负荷回路，再反回到空经由外部的负荷回路，再反回到空气极侧，参与空气极侧的反应。一系气极侧，参与空气极侧的反应。一系例的反应促成了例的反应促成了e不间断地经由外部不间断地经由外部回路，因而就构成了发电。整个反应回路，因而就构成了发电。整个反应来看，由来看，由H2 和和O2 生成的生成的H2O ，除此，除此以外没有其他的反应，以外没有其他的反应，H2 所具有的所具有的化学能转变成了电能。化学能转变成了电能。3.

60、3. 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池采用固体氧化固体氧化物燃料电池采用固体氧化物作为电解质，除了高效，环境友物作为电解质，除了高效，环境友好的特点外，它无材料腐蚀和电解好的特点外，它无材料腐蚀和电解液腐蚀等问题；在高的工作温度下液腐蚀等问题；在高的工作温度下电池排出的高质量余热可以充分利电池排出的高质量余热可以充分利用，使其综合效率可由用，使其综合效率可由50%提高到提高到70%以上；以上； 它的燃料适用范围广，它的燃料适用范围广，不仅能用不仅能用H2，还可直接用，还可直接用CO、天、天然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化然气（甲烷）、煤汽化气，碳氢化合物、合物、NH3、H2