化学电源复Z习重点)

新能源技术概论期末复习1．化学电源的定义。化学电源：是一种将物质的化学能通过电化学氧化还原反应直接转换成电能的装置或系统，具有储存电能的功能。2．化学电源的主要种类与特点。一次电池：放电后不能用充电的方法使之复原，两电极的活性物质只利用一次。小型、携带方便，放电电流不大。二次电池：充电后可使之复原。能多次充放电，循环利用。燃料电池：连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化成电能的化学电源。正负极本身不包含活性物质，将燃料（电极活性物质）输入电池就能长期放电。储备电池：储存期内电极活性物质和电解质不接触，或电解质处于固态；使用时借助动力源或水作用于电解质使电池激活。3．化学电源的主要组成部分与作用。正极和负极：参与电极反应和导电，决定电池的电性能。电解质：保证正负极之间离子导电作用，有的参与成流反应或二次反应，或只起导电作用。隔膜：防止正、负极短路，允许离子通过。外壳：起保护作用。4．化学电源的主要参数：电动势：电池在断路条件下正负极间的平衡电势之差。开路电压：没有通电时电池的两电极之间的电压，小于电池电动势。额定电压：电池在规定的标准条件下工作时应达到的电压。工作电压：在电池两段接上负载R后，在放电过程中显示出来的电压。终止电压：电池在一定标准条件下放电时，电压逐渐降低，当电池不宜继续放电时，电池的最低工作电压。放电曲线：电池工作电压随时间变化的曲线。时率：以一定的放电电流放完额定容量所需要的小时数。内阻：电流流过电池内部使电池电压降低的阻力。容量：一定放电条件下，可从电池获得的电量。比容量：单位质量或单位体积的电池所能给出的电量。倍率：在规定时间内，电池放出其额定容量时所输出的电流值，数值上为额定容量的倍数,通常以字母C表示。自放电：电池在储存一段时间后，容量发生自动降低的现象。循环寿命：电池充电和放电一次称为一个周期或循环。电池容量降到某一规定值之前，能反复充、放电的次数称为循环寿命。5．什么是内阻？包括哪些类型，内阻过高对电池有何影响？内阻是电流流过电池内部使电池电压降低的阻力。包括欧姆内阻和极化内阻。电池内阻大，会产生大量焦耳热引起电池温度升高，导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短，对电池性能、寿命等造成严重的影响。6．镍氢电池工作原理、镍氢电池充放电时的电极反应过程、镍氢电池如何避免过充过放过程中产生的气体使电池内压升高。相应机理。（掌握）镍氢电池工作原理：充电的时候，正极发生Ni(OH)2→NiOOH转变，负极则发生水分解反应，合金表面吸附氢，生成氢化物。放电过程是上述反应的逆反应，即正极发生NiOOH转变为Ni(OH)2，负极储氢合金脱氢，在表面生成水。（1）充电反应过程MH-Ni电池充电时，正极上的Ni(OH)2转变为NiOOH，水分子在储氢合金负极M上放电，分解出氢原子吸附在电极表面上形成吸附态的MHab，再扩散到储氢合金内部而被吸收形成氢化物MHab。(2)放电反应过程MH-Ni电池放电时，NiOOH得到电子转变为Ni(OH)2，金属氢化物(MH)内部的氢原子扩散到表面而形成吸附态的氢原子，发生电化学反应生成储氢合金和水。过放电时，正极上可被还原的NiOOH已经被消耗完，这时H2O在镍电极上被还原。正极：（镍电极）：2H2O+2e→H2+2OH−负极：（储氢合金电极）：H2+2OH−→2H2O+2e镍氢电池如何避免过充过放过程中产生的气体使电池内压升高。储氢合金的催化作用，可消除正极产生的O2和H2，从而使MH-Ni电池具有耐过充过放电能力。在电池设计的时候，采用正极限容的方法，负极的容量大于正极容量。过充电时：正极上析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合，还原为H2O和OH-进入电解液，避免电池内压升高。过放电时：正极上析出的氢气通过隔膜扩散到负极表面可以被储氢合金迅速吸收，否则，在过放电时，MH电极上会析出氧，使MH合金氧化。7．用于Ni／MH电池负极材料的储氢合金应满足的条件。(a)储氢容量高；(b)热碱电解质溶液中合金组分的化学性质相对稳定；(c)反复充放电过程中合金不易粉化；(d)良好的电和热的传导性；(e)原材料成本低廉。8．镍氢电池优势和应用领域。（重点掌握）镍氢电池优势：(a)能量密度高；(b)无镉污染，是绿色电池；(c)大电流快速充放电；(d)与Ni／Cd电池具有互换性等独特优势。应用领域：小型便携式电子器件，电动工具、电动车。1.锂离子电池工作原理。充电时，正极上的电子通过外部电路到负极,锂离子Li+从正极经过电解液穿过隔膜到达负极，与电子结合在一起。放电时,电子从负极经过电子导体到达正极，锂离子Li+从负极经过电解液穿过隔膜到达正极，与电子结合在一起。无论充放电，电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同。2.锂离子电池正极材料要求。（掌握）正极材料要求：（1）相对锂的电极电位高，组成不随电位变化，粒子/电子导电率高，有利于降低电池内阻.（2）锂离子嵌入脱嵌可逆性好，反应的体积变化小，扩散速度快，良好的循环特性和大电流特性。（3）与有机电解质和粘结剂接触性能好，热稳性好，有利于延长电池寿命和提高安全性能。3.锂离子电池正极材料主要类型及特点。（重点掌握）(1)钴酸锂(LiCoO2)：层状结构，工艺简单，电化学性质稳定。优点：可逆性、放电容量、充放电效率、电压的稳定性等。缺点：钴为稀有金属,成本高，产地比较集中；存在供给不稳定问题。(2)镍酸锂(LiNiO2)：层状结构，优点：价格低廉、放电容量高；缺点：热稳定性差、放热量大，存在安全问题。定比组成在循环性能方面比较优越，但难以控制。(3)锰酸锂(LiMn2O4)：尖晶石结构,优点：Li的含量较少，充电后，大部分Li脱出，不易发生过充电现象，不用预防措施，降低成本，安全性高，Mn在自然界含量较多，资源丰富、成本低。缺点：放电容量小，Mn在电解液中容易溶出，使充放电特性劣化，高温充放电特性不好。（4）三元材料（LiNixMnyCol-x-yO2）镍系复合氧化物，LiNi1-xMxO2(M=Co,Mn)，镍和钴均匀分布的产物提高了初期充放电效率和放电容量等。均匀性低的，产生结晶格子膨胀、收缩等结构变化，使锂离子的插入、脱离反应的可逆性下降。LiNi0.6Co0.4O2与Mn复合得LiNi0.6Co0.3Mn0.1O2，Co、Mn均匀分布的产物，两者的放电容量几乎相同（160mAh/g），而且可以有效的提高充放电寿命。用LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2作正极材料，更的大容量和优异的充放电循环周期特性。(5)磷酸铁锂(LiFePO4)橄榄石结构,具安全性，尤其耐高温，耐过充电性能。优点：同属正交晶系，结构相似，嵌脱锂过程中晶胞参数和晶胞体积变化很小，优秀的循环稳定性。聚阴离子团提高了材料的释氧温度和热稳定性，使材料具有高的安全特性。原料资源丰富、价格便宜、环境友好的特点。缺点：锂离子的扩散系数小，电子导电率低，导致其室温下的循环性能以及高倍充放电性能不是很好.（6）复合正极材料两种电极材料复合可以用来增强其性能，可以增加电池的循环性能。4.锂离子电池负极材料要求。（掌握）（1）锂储存量高。（2）锂离子嵌入脱嵌反应快，固相中扩散系数大，电极－电解液界面的移动阻抗小。（3）锂离子在电极材料中的存在状态稳定。（4）在电池的充放电循环中，碳负极材料体积变化小。（5）电子导电性高。（6）碳材料在电解液中不溶解5.锂离子电池碳负极材料的特点。碳负极材料：嵌锂容量高。嵌锂电位低且平坦，提供高而平稳的工作电压。容量受溶剂的影响程度较大，与有机溶剂的相容能力差。与锂电位相近，在使用过程中石墨层之间形易成金属锂枝晶。6.锂离子电池优势和应用领域（重点掌握）优势：比能量高、充放电寿命长、安全可靠、无记忆效应、无污染、可快速充电、内阻小、自放电率低等优点。工作电压高不仅节约了空间，又降低了成本。可消除电池组合时容量不匹配造成的问题。无记忆效应，不会产生容量或电压迅速衰减的问题。可随时充放电。放电过程平稳，易于准确识别电池中存余电量。应用领域：移动电话、笔记本电脑、小型摄像机、电动自行车、摩托车、电动汽车、军事用途。1.碱性燃料电池的特点AFC的特点优点：①效率高②可用非铂催化剂③可以采用镍板做双极板。缺点：①电解质为碱性，易生成沉淀，影响电池性能②水平衡问题影响电池的稳定性。2.磷酸型燃料电池的定义及特点磷酸型燃料电池（PAFC）：以浓磷酸为电解质，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。PAFC的优点：①发电效率在35%-43%之间，热电联供时，总效率为71%-85%；②洁净、对环境污染小，没有(或很小)转动部件，振动和噪声污染也很小；③适应多样燃料。PAFC的缺点：需要贵重金属铂做催化剂,需要外部的燃料处理器来重整燃料提高含氢量,降低了电池的效率增加了费用。3.熔融碳酸盐燃料电池的组成及特点熔融碳酸盐燃料电池的组成：MCFC主要由燃料电极(阳极)、空气电极(阴极)、熔融碳酸盐电解质及隔板等组成。优点：1、本体发电效率较高，不需要贵金属作催化剂；2、可使用的燃料范围广；3、排出的废热可以直接驱动燃气轮机/蒸汽机进行复合发电，进一步提高系统的发电效率。缺点：要较长的时间方能达到工作温度，不能用于交通运输，电解质的温度和腐蚀特性用于家庭发电不太安全。4.质子交换膜型燃料电池的定义及工作原理（掌握）质子交换膜型燃料电池(PEMFC)：以全氟磺酸型固体聚合物为电解质的一类燃料电池，以铂/炭或铂-钌/炭为电催化剂，氢或净化重整气为燃料，空气或纯氧为氧化剂，带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板。工作原理：（以氢气为燃料，以氧气为氧化剂）：增湿后的氢气通过双极板上的气体通道穿过阳极扩散层，到达电池的阳极催化剂层，并吸附于催化剂层中。1.吸附于阳极催化剂层中的氢气在铂催化剂的作用下，发生阳极反应，在阳极上产生电子。2.H2→2H++2e-或：nH2O+1/2H2→H+·nH2O+e-3.随后，H+或H+·nH2O进入质子交换膜，通过与膜中磺酸基上的H+进行质子交换到达电池阴极。同时，增湿的氧气也穿过双极板上的气体通道和扩散层，吸附于阴极电催化剂层中。4.吸附于阴极催化剂中的氧气与交换而来的H+在铂催化剂的作用下，发生阴极反应：1/2O2+2H++2e→H2O在阴极上电子被吸收，阳极氢在较低电位下氧化，阴极氧在较高电位下还原，两极间产生电位差，将外电路连接就会形成电流，向外电路输出电能。理论上PEMFC的转化率可超过80%。5.固体氧化物燃料电池优缺点。（掌握）SOFC优点：(1)单电池可以由传统的陶瓷工艺制成，电解质和电极的厚度小，缩短了离子和电子的传输距离，降低了电池中的内耗；（2）全固态，无液态电极腐蚀和电解质液渗漏等问题（3)工作温度在600-800℃之间，金属可以作为其连接体材料，改善了电池的导电、导热性能，并使得生产成本降低缺点：在高温下才具有良好的电导率，存在着许多的缺点，如封装困难、稳定性能差、电极和连接材料的腐蚀，影响燃料电池的使用寿命，也使得电池的制作成本与运行成本高。6.微生物燃料电池的定义。微生物燃料电池（MFC)：利用微生物的作用进行能量转换(如碳水化合物的代谢或光合作用等)，把呼吸作用产生的电子传递到电极上的装置。7.燃料电池优势和应用领域（重点掌握）燃料电池具有高效率、无污染、无噪声、功率密度高、工作温度低、启动快、使用寿命长等优点。在固定电站、电动车、军用特种电源、可移动电源等方面都有广阔的应用前景。1.全钒液流电池（VRB）的工作原理及特点。（掌握）全钒液电池将具有不同价态的钒离子溶液分别作为正极和负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中。在对电池进行充放电时，电解液通过泵的作用，由外部储液罐分别循环流经电池的正极室和负极室，并在电极表面发生氧化和还原反应，实现电池的充放电。充电时，负极电解液V3+在电极表面得到电子变为V2+，正极电解液V4+失去电子变为V5+；放电时，负极表面V2+失去电子变为V3+，电子通过电极传递流向负载而达到正极，在正极表面V5+失去电子变为V4+。优点：1）循环寿命