化学电源工艺学-笔记

化学电源：物质化学反应所产生的能量直接转变为电能的一种装置。锌锰电池原理：质子－电子机理MnO2+H++e-→MnOOH；2MnOOH+2H+→MnO2+Mn2++2H2O；MnO2+4H++2e-→Mn2++2H2O一次电池：即原电池，只能放电一次，不能充电再用；二次电池：即蓄电池，电池放电后可充电使活性物质复原而能再放电，且充放电过程能反复进行；储备电池：正负活性物质和电解质在储存期间彼此不直接接触，使用前注入电解液或利用其他方法使电池工作；燃料电池：正负极活性物质储存在电池体外，将其注入电池内可在惰性材料上进行电化学反应放电。化学电源组成：电极、电解液、隔膜、外壳。活性物质概念：电池放电时，通过化学反应能产生电能的电极材料。要求：1.电负性,正极越正，负极越负；2.原子量和密度；3.电极反应极化率；4.活性物质在电解液中要稳定，自溶速度要小；5.活性物质要有良好的导电性能，电阻小。化学能→电能的两个必要条件：1.充电时，氧化、还原反应分室发生（意义：）；2.电极反应发生时，电子交换必须由外电路传递（意义：）。电池工作特点：能量转换效率高、使用方便、安全、容易小型化与环境友好化学电源的工作原理：放电时,化学能转变为电能;充电时,电能转换为化学能贮存起来。电动势：无电流通过时，正负电极间平衡电极电势之差。开路电压：外线路断路时，正负极间的电势差。工作电压：有电流通过外电路时，两极间的电势差。截止电压：电压下降到不宜再继续放电时的最低工作电压。理论容量/能量/功率：活性物质利用率为100%时的…/…/…；C=z*F*m/M实际容量：一定放电条件下，电池所能输出的电量；C=I*t；W=W0urm（电压、反应、质量效率）额定容量：制造电池时，一定放电条件下，电池应该放出的最低容量。比容量：单位质量或体积的电池给出的容量称质量比容量或体积比容量。活性物质利用率：1.活性物质的活性；2.电极和电池结构；3.电解液的组成、浓度和纯度；4.制造工艺；5.放电制度。提高方法：1.极板尽量薄；2.孔径、孔率适当高；3.电极真实表面积增大；4.不引起短路下，极板间距尽量小。电池容量的影响因素：活性物质的质量和利用率。自放电影响因素：储存温度、环境的相对湿度、活性物质、电解液、隔板和外壳带人的有害杂质；抑制方法：1.采用纯度较高的原材料；2.在负极材料加入H过电势较高的金属；3.在电极或电解液加入缓蚀剂，抑制H的析出。二次电池循环次数的影响因素：1.活性表面积减小、极化增大；2.活性物质脱落或转移；3.电极材料发生腐蚀；4.短路；5.隔膜破损；5.活性物质晶型转变。锌锰电池MnO2填充机理：……。锌阳极自放电原因：H+的阴极还原、氧的阴极还原、电解液中的杂质；抑制方法：提高H析出的过电位、保证材料质量、净化电解液、储存温度低于25℃、电池严格密封。影响锌锰电池容量的因素：1.放电制度；2.锰粉质量；3.锰粉颗粒度；4.制造工艺。可充碱锰电池对MnO2的改性方法：将某些金属氧化物或氢氧化物加入到电解MnO2中去。主要改善MnO2的哪些方面？锌-空气电池工作原理：……。被称作“半燃料电池”的原因：……。锂电池对有机溶剂的要求：不与锂电极反应、较高的介电常数、较小的粘度、沸点高、熔点低；对有机电解质的要求：不与活性物质和两极反应、溶解度高。工作原理：锂亚硫酰氯储备电池电压滞后：由于锂电极表面形成了保护膜，虽能防止电池自放电，但会导致电压滞后且放电率较大时电压滞后明显；电压安全：1.2Li+S→Li2S+433.0，Li2S与SOCl2发生剧烈放热反应；这两个反应可能在短路条件下爆炸的触发反应；2.Li的欠电压电沉积，即电压不足形成嵌入物，这种嵌入物与S发生反应引起爆炸；3.过电位铅酸电池的技术发展趋势:不可逆硫酸盐化根本原因：PbSO4的重结晶。消除方法：及时充电，不可过充；产生后，以蒸馏水代替硫酸电解液，小电流充至硫酸密度为1.1g/cm3停止，重复至酸度不增加。放电深度：电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比。“化成”放电深度：终止电压对容量的影响：放电倍率越大，工作电压下降越快，即很大达到放电终止电压，电池放出容量相对就小。高电位终止对容量的影响：……。碱式氧化镍工作原理：开口式电池密封需解决的关键问题：1.负极在电解液中稳定，不能自动溶解而析出氢气；负极上不会由于过充电而析出氢气；正极上产生的氧气易于在负极上还原。2.有一定的气室，便于氧气迁移。3.采用合适隔膜便于氧气通过，促进氧气快速向负极扩散。采取的措施：1.负极的容量大于正极的容量；2.控制电解液用量；3.采用微孔隔膜；4.采用多孔薄型镍电极和镉电极，实现紧密装配；5.采用反极保护；6使用密封安全阀；7.正确使用和维护电池。反极保护落后电池过放电初期：负极Cd+2OH-→Cd(OH)2+2e正极2H2O+2e→2OH-+H2过放电继续下去：负极4OH-+2e→2H2O+4e+O2氧的气体流动图：保水作用：。过量用到。记忆效应：当Cd/NiOOH蓄电池长期进行浅充放电循环后再进行深放电时,表现出明显的容量损失和放电电压的下降,经数次全充放电循环后,电池性能可得到恢复。容量损失可能与镉电极有关泡沫镍制作工艺：多孔镍基体(烧结镍基体)制备→基板浸渍→碱化→化成正极制备注意事项：高压氢-镍电池工作寿命长；失效的因素：1.捏电极膨胀；2.密封壳体泄露；3.电解液再分配。氢-镍电池工作原理：负极1/2H2+OH-→H2O+e正极NiOOH+H2O+e→Ni(OH)2+OH-电池NiOOH+1/2H2→Ni(OH)2与镍镉电池比较的特点：储氢合金的电化学容量：储氢合金电极充电时，储氢材料M每吸收一个氢原子，相当于得到一个电子，因此金属氢化物电极的电化学容量取决于金属氢化物MHx中含氢量x；表达式：Ct=xF/3.6M。贮氢合金满足的基本条件：1.碱性电解溶液中良好的化学稳定性；2.高的阴极贮氢容量；3.合适的室温平台压力；4.良好的电催化活性和抗阳极氧化能力；5.良好的电极反应动力学特征。性能衰减主要模式：1.合金的微粉化及表面氧化扩展到合金内部；2.贮氢合金电极的自放电。表面处理技术：化学处理法、微包覆处理法、热处理。锂离子电池工作原理：……。发展趋势：动力电池、小型电池。对锂离子正负极材料的要求：1.具有层状或隧道的晶体结构；2.较高的电化学容量；3.较平稳的充放电电压；4.较好的快充放电性能。5.分子质量、摩尔体积小。LiFePO4正极材料优点：实际放电容量160mAh/g，3C大电流下放电比容量130mAh/g，原料来源广、成本低、环保，化学稳定性高。缺点：室温下，电导率低。克服方法：石墨负电极的改性方法：机械研磨，表面氧化，形成金属层，形成核-壳结构，掺杂型石墨。钛酸锂材料优点：1.循环性能好；2.放电电压平衡，安全性能佳；3.具有高的锂离子扩山系数，可高倍率的充放电4.电势比纯金属锂的高，不易产生锂晶枝，提高了安全性能。缺点：1.比容量比其他的金属基材料低；2.导电性差，大电流放电极化比较严重；3.单位体积的容量较小对溶剂要求：1.非质子溶剂，不与金属锂发生反应；2.介电常数大，粘度低；3.溶点低，沸点高，蒸汽压低，工作温度范围宽。（采用混合溶剂）对电解质盐的要求：1.锂离子电导率高；2.较宽范围内不发生分解反应；3.可用液态温度范围宽；4.热性能好。电解质盐对电导率的影响：改善锂离子电池低温性能的方法：过充电保护添加剂：烷基苯及其衍生物与联苯及其衍生物等均可用作过充电保护添加剂；保护机理：这些添加剂在电池工作超过一定电压时发生聚合，聚合产物附着在电池电极表面增大电池内阻，从而限制充电电流保护电池。阻燃剂：阻燃剂多是一些含磷的化合物，如TMP；阻燃机理：加入TMP后，TMP受热由液相转化为气相，气相TMP分解成含磷自由基，与氢自由基发生反应，这样由于氢自由基的减少可以抑制燃烧反应。聚合物锂离子电池的研发主要集中在哪个方面？氢氧燃料电池工作原理：燃料极供给的H2分解成H+和e，H+移动到电解质中与空气极供给的O2发生反应，e经外电路到达空气极，参与空气极侧的反应。一系列的反应促成e不间断的经由外部回路，因而构成了发电。降低催化剂载Pt量的方法：…；提高催化剂循环稳定性的方法：…。燃料电池突出优点：1.发电效率高；2.过负载能力强；3.可用燃料广泛；4.环境相容性优。超级电容器：1.在电极/溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列产生双电层电容量，基于双电层电容得到双电层电容器；2.在电极表面或体相中的二维或准二维空间电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的吸附、脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的法拉第准（赝）电容量，此为基于法拉第准（赝）电容的超电容器。四类超级电容器：1.碳电极电容器；原理：……。2.金属氧化物电极电容器；原理：……。3.导电聚合物电极电容器；原理：…。4.全固态电解质电容器；原理：…。超级电容器发展趋势：发展高比功率。全钒液流电池流动过程中发生的氧化还原反应：……。可大规模蓄能原因：功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保。限制其发展的影响因素：光伏发电的基本原理：光子把电子从价带激发到导带上，价带上因而产生空穴，形成了自由电子-空穴对。自由电子和空穴扩散进入p-n结，并分别在n区和p区形成电子和空穴的积累。染料敏化太阳能电池的基本原理：