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“电池原理,构件运用”讲授提纲该讲授题目是公司拟定的,按个人理解草拟讲授题纲如下:1化学电源的基本原理(1)化学电源的基本组成及其作用化学电源(与物理电源不同)又称化学电池,简称为电池,一般有四种部件:电极,电解质,隔离物,包装壳或包装袋。电极分正极和负极,正极主要为或可以变为高电位物质(氧化剂),负极主要为或可似变为低电位物质(还原剂),这两个电位值相差越大,电池的工作电压越高。当电池正负极同外电路构成回路时,电流从正极经外电路流向负极而作功,发挥它的能源作用。电解质和隔离物(也可统一称为电解质)构成电子绝缘体和离子良导体,使正负极同其密切接触而正负极间却严格分离,当电池在外电路作功时电池内部电流从负极流向正极,构成整体回路。包装壳或包装袋,作容器用,把正负极、隔膜构成的电极芯及其浸透的电解质包容或密封在其内部。(2)化学电源的基本性能化学电源的基本性能构成化学电源的基本概念,例如电功势、开路电压、工作电压,电极电位、过电位,极化,活性物质利用率,充放电曲线,电池的容量…,是电池理论的组成部分。将安排一节专门讲解这些概念。2常用化学电源简介对几种重要的电池作简单介绍,重点是环宇公司目前生产的三种主要产品。(1)Zn-MnO2电池主要介绍几种产品类型和最新发展;(2)铅酸电池主要介绍其基本原理(3)密封Cd/NiOOH电池主要介绍电池中电化学反应原理和密封的设计要求,初步了解产品质量和技术水平密切相关。(4)MH/NiOOH电池介绍的内容与Cd/NiOOH电池类同,并通过对比说明MH/NiOOH电池可作为Cd/NiOOH电池替代产品的环保意义。(5)锂离子电池是环宇公司的新产品,也是国际上正在产业化、商品化的产品,简单介绍一下基本原理和研发过程,使大家了解高新技术产品不仅要有理论研究结论作指导,同时要了解技术水平的高低能决定产品质量的高低。3简单介绍一个大学毕业生在环宇公司的前途及如何发挥作用的问题。2001.7.12化学电源(电池)的基本原理和制作(结合环宇主要讲二次电池)1.引言1.1化学电源(电池)的定义化学电源是一种直接把化学能转变成电能(直流)的装置。它实际上是一个小的直流发电器,或称能量转换器。化学电源利用能量是氧化还原反应电子转移的能量,其基本原理则是:让氧化、还原反应分别在两处进行,使还原剂的电子通过外电路交给氧化剂,电池内部离子进行相应的流动形成回路:隔膜电解质阴极(正)阳极(负)(氧化剂)(还原剂)-+e-x-M+e-I图1-1电池结构原理示意图1.2物理电源的意义物理电源概括了把其它形式的电能(如热能、光能(太阳能)、风能、核能等)转变电能的装置,其中有些也冠以电池的名称。例如太阳能电池。化学电源和物理电源关系密切,原理上“分工”明确,使用时互相帮助:如卫星电池及储能电池,电池充电。1.3化学电源的分类化学电源按工作性质可分为四类:原电池(又称一次电池):电池放电后,不能用简单的充电方法使活性物质复原而继续使用的电池。如Zn-MnO2干电池,Zn-HgO电池,碱性Zn-MnO2电池,一次Zn-AgO电池等。蓄电池(又称二次电池):指电池在放电后,可以通过充电方法使活性物质复原,可以继续使用,这种放电和随后充电可以成百、上千次循环使用,例如Pb-PbO2电池,Cd-NiOOH电池,MH-NiOOH电池,Li离子电池等。储备电池(又称激活电池):指电池的正负极与电解质在储存期间不直接接触,使用前临时注入电解液或使用其它方法使电解液与正负极接触,这时电池具有活性处于待放电状态,因此使电解液与正负极接触称为“激活”,故也称激活电池,如Mg-AgCl电池(海水电池、救生电池),Zn-AgO电池,Pb-PbO2构成的高氯酸电池,热电池等。燃料电池(又称连续电池):指参加反应的活性物,从电池外部连续不断地输入电池,电池就能连续不断地工作而提供电池,这实际上是一个连续工作的换能装置,只要输入燃料就有电能输出,这种电池可建造成发电厂:图1-2燃料电池示意图如H2-O2燃料电池,甲醇-空气,肼-空气燃料电池等。另外按电解性质,可分为酸性电池、碱性电池、中性电池、有机电解质电池和固体电解质电池等。1.4环宇公司生产何种电池目前环宇公司生产如下三类电池,都是二次电池(蓄电池):Cd-NiOOH电池,是目前的支柱,工作电压1.2伏。MH-NiOOH电池,是无毒可和Cd-NiOOH电池实现互换的电池,工作电压1.2伏。Li+离子电池,是高比能电池,平均工作电压3.6伏,又分液态电解质Li+电池和胶态电解质Li+电池,后者也称聚合物Li+电池,而聚合物Li+电池范围更广。2.化学电源的基本概念2.1化学电源(电池)的组成和电流化学化学电池由四个基本部件{正负极、电解质、隔离物、外壳(容器)}和附件(极耳、接线柱、过流保护或防爆装置等)组成。化学电源向用电设备提供电流,电子从电池负极流出,经过用电设备(即外电路)流向正极,电流的方向与此相反;在电池内部正离子从正极流向负极,与电流方向一致,负离子从负极流向正极与电流方向相反。我们规定对电池使用正负极概念,对电解、电镀的两极使用阳极和阴极的概念。但受英语文献的影响(以电极反应论正、负或阳、阴极,正负及阳阴的使用有时发生混乱。例如电池在充放电时极性:电池的电极放电时充电时负极失去电子发生氧化作用为阳极获得电子发生还原作用为阴极正极获得电子发生还原作用为阴极失去电子发生氧化作用为阳极所以正负极的活性物质,均是在不同条件下的既可被氧化又可被还原的物质,亦即均有氧化态和还原态。充电的作用是使负极活性物质处于还原态,使正极活性物质处于氧化态,这是电池待工作的状态。这是提一个中学的问题请思考,电流在导体中的速度是极大的,如果在空气中的电子流、或离子流有此速度,用电器肯定会被击穿,但电路里的电器是非常安全的,为什么?2.2电池的开路电压和电动势还原剂(H2)氧化剂(O2)电解质(KOH,固体)电能电池的开路电压是指电池在断路时(即没有电流从两极流过时)电池两极的电极电位之差:开V(2-1)、分别为电池正、负极的电极电位,电池的开路电压可以用高兆内阻电压表近似测量。如果电池两极在断路时处于热力学可逆平衡状态下,这时两极之间的平衡电极电位之差,为电池开路电压的极大值,称为电池的电动势:)(,)(,eeE(2-2)由于绝大多数电池、实用电池并非完全可逆,即电池有自放电和极化现象,使得实际电池的负极电极电位比平衡电极电位更正一些,或/和实际电池的正极的电极电位比平衡电极电位更负一些,因此电池的开路电压总是小于其电动势,开路电压的精确值要用电位差计测量。2.3电池的电动势可以通过热力学进行计算热力学告诉我们,在恒温恒压条件下,若反应可逆地进行,则体系自由焓的降低等于体系对外界所作的最大有用功即:WG如作功为电功则zFEG(2-3)z为转移电子数,F为法拉弟常数,E为电动势;例如下述化学反应,在恒温恒压条件可逆地发生时,自由焓变:mMlLbBaAbamlBAMLRTGG][][][][lnbamlBAMLRTGzFE][][][][ln∴bamlBAMLzFRTzFGE][][][][ln其中EzFG,)][][][][ln(平bamlBAMLRTG故bamlBAMLzFRTEE][][][][ln(2-4)利用(2-4)式可以根据电池反应,从理论上计算出电池电动势的大小,而电池电动势E值的大小是电池可能作出的最大电功的度量(zFE)。在恒温恒压下,当温度改变时将会引起自由焓的改变:PTGTHG))(((Gibbs-Helmhoils)将zFEG代入简化得PTEzFTzFEH)((2-5)PTE)(为电池电动势的温度系数,表示电池在恒温恒压条件电动势随温度变化的变化率。H为恒压下反应热。对(2-5)式讨论两种情况:(1)当电池在可逆条件下放电时∵PTEzFS)(及STQ可∴(2-5)式可化为可QHzFE(2-6)0)(PTE时,T升高,电池电动势必然增加;这时0可Q,HzFE说明电池作的功大于电池反应时的反应热,即电池反应时的反应热全部转变成电功外,电池还可以从环境中吸热来做功。如果电池在绝热环境中放电,则电池本身会逐渐变冷。当0)(PTE时,温度升高,电池电动势将降低,这时0可Q,HzFE表明电池所作的功小于电池反应时的反应热,表明电池反应时的反应热一部分转变为电功,一部分以热的形式传给环境,如果这种电池在绝热环境中放电,电池本身会逐渐变热。当0)(PTE时,0可Q,HzFE电池反应时释放的反应热全部转换成电功,电池与环境没有热交换。完全可逆的反应条件反应速度无限缓慢,仅有理论研究意义。(2)多数情况下电池是在不可逆条件下放电设此时电池工作时电压为V,必有ε>V热力学第一定律WUQzFVVPUzFVH将(2-5)式代入后化简得PTEzFTVEzFQ)()((2-7)电池工作时的电压V偏离电动势ε越远时,过程的不可逆程度就越大,电能转变为热的部分就越多,若电池短路,则V=0,这时电功全部变成热:HTEzFTzFEQP)(即电池反应时释放的化学能全部以热的形式放出。电池放电的电流越大,电池中的反应速度越快,则偏离平衡状态越远,极化越大,电池反应的反应热(即化学能)转变成电功的部分越少,以热的形式释放部分越多。2.4电池的内阻电池的输出功率为电池产生的电流I和正负极间电压的乘积IVP(瓦,千瓦)当EV开时,电池工作电压V等于开路电压减电池内压降IR内IRVV开电池的内压降是由于电池内阻R内(R内为全内阻)而在电池内部产生的电压降,由于内阻的存在,电池的工作电压总是小于电池的电动势,所以电池的生产工艺技术要求制出的电池内阻越小越好,以使电池的电能消耗于发热的部分尽量小。很差的电池内阻很大,使放电倍率不大时由于放热就使电池无法继续工作。电池的内阻可分欧姆内阻R和极化电阻fR:fRRR内fCCininelRNRPRNRPRR)]()()()([(2-9)电池欧姆内阻由两部分组成:(1)电解液的欧姆内阻elR与电解液的组成、浓度、温度及电解液在隔膜传递离子情况有关;(2)两个电极中活性物质与电解液界面的电阻)(PRin、)(NRin、正负极活性物质与集流体之间界面电阻)(PRC、)(NRC之和。通常在电极活性物质中掺合导电成分及改进电极制作和装配工艺来减小这部分固体内电阻。极化电阻fR包括电化学极化和浓差极化所产生的电阻。影响这两类极化的因素都将影响这部分电阻,分别用和表示正极负极的极化,总极化,令分别为由于电极极化偏离平衡的电极电位的值,、即前面所说的正极电位减小值和负极电极电位提高值,是工作电压由于电极极化而降低的值。所以极化电阻IRf或fRI(2-10)电池在工作状态,消耗于电池内阻上的电能全部变成焦耳热,通过的电流越大极化越严重,消耗于发热的电能就越大,不仅形成电能的浪费,还使电池发热、性能变坏。Zn-MnO2干电池内阻大,电池工作(放电时)电压下降快,所以手电筒开关要断续开,连续开时亮度逐渐降低,即由于极化逐渐加大。电池内阻由专用仪器可精确测定,对内阻较大的电池,可用下法(Cd-NiOOH,MH-NiOOH,Li+离子电池均不适用)估算:使电池短时间短路,测定短路电流(即R负载=0,负载电阻为0)I短,内短内负载RIIRIRIRVEf故短内IER2.5电池的放电电压和二次电池的充电电压(极化曲线)2.5.1电池的放电电压电池的放电电压指电池在放电(工作)时正负极间的电压,称工作电压或负荷电压(V):)(fRRIEIREV内fIRIRE)(IREIRee)()(,,
本文标题:电池基本知识)
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