电池基础知识

电池基础知识内容安排电化学常识电化学应用电池的基础知识锂电池基础知识分类历史研究内容基本理论原电池原理电池第一部分电化学基础知识化学分类无机化学有机化学物理化学→分析化学高分子化学核化学生物化学电化学－－－－－→化学热力学结构化学量子化学化学动力学光化学溶液、胶体和表面化学电池电解池电化学名词1电化学→研究电现象与化学现象之间内在联系的学科电化学系统→电极＋电解质电化学名词2电极学→电极的平衡性质和通电后的极化性质，即电极和电解质界面上的电化学行为电解质学→电解质的导电性质、离子的传输性质、参与反应离子的平衡性质电化学起源1791年意大利的伽伐尼发现以金属片接触青蛙腿部肌肉时，有收缩的现象发生。伏打电池上述现象1799年被意大利的伏打捕捉到并加以研究，发明了世界上第一个电池----伏打电池，即原电池。原电池原理及应用原电池的原理较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金属（负极）流向较不活泼的金属（正极）化学能转变为电能的装置电极电极材料电极反应反应类型得失电子的粒子电子流动方向负极锌片Zn－2e－==Zn2+氧化反应Zn原子Zn片→Cu片正极铜片2H++2e－==H2↑还原反应H+离子组成原电池的条件有两种活动性不同的金属（或一种是非金属导体）作电极电极材料均插入电解质溶液中两极相连形成闭合电路正负极与阴阳极阴极：发生还原反应的电极，得电子阳极：发生氧化反应的电极，失电子正极：电势较高的电极负极：电势较低的电极电池：正极→阴极负极→阳极电解池：正极→阳极负极→阴极电流与离子的流向当电池中有电流通过时，电解质中的离子在电场的作用下作定向移动阴离子总是移向阳极阳离子总是移向阴极整个电流在溶液中的传导是由阴、阳离子的移动共同承担的电子流动电流电化学应用化学电源金属防腐蚀：大部分金属腐蚀是电化学腐蚀机械工业：电镀、电抛光、电泳涂漆环境保护：电渗析除去氰、铬离子等污染物电解、电冶炼工业生命科学：如肌肉运动、神经的信息传递都涉及到电化学机理第二部分电池的基本知识电池分类依据电解质种类电池所用正负极材料工作特性和储存方式以电解质种类分类：碱性电池→电解质以KOH溶液為主，如碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱性电池）、镍镉电池和镍氢电池等酸性电池→电解质以硫酸水溶液为主，如铅酸电池中性電池→电解质为盐溶液，如锌锰电池和海水电池有机电解质电池→电解质为有机溶液，如锂电池、锂离子电池以电池所用正负极材料分类：锌系列电池→锌锰电池和锌银电池等镍系列電池→镍镉电池和镍氢电池等铅系列電池→铅酸电池等锂系列電池→锂离子电池和锂锰电池等二氧化锰系列電池→锌锰电池和碱锰电池空气（氧气）系列電池→锌空气电池以工作特性和储存方式分类：一次电池→又称原电池，即不能再次充电的电池，如锌锰电池和锂电池等二次电池→又称蓄电池，即可充电电池，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等燃料電池→正、负极本身不包含活性物质，活性材料连续不断从外部加入的电池储备电池→电池储备时不直接接触电解质，直到电池使用时，才加入电解液，如镁氯化银（海水电池）。一次电池：锌锰电池：Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2(C)碱性锌锰电池：Zn|KOH,K2[Zn(OH)4|MnO2(C)锌银电池：Zn|KOH|Ag2O锂锰电池：Li|LiClO4(PC,DME)|MnO2(C)锌空气电池:Zn(Hg)|NH4Cl,ZnO|O2(C)二次电池蓄电池（二次电池）：电极反应可逆特点：可循环使用例：铅酸电池Pb∣H2SO4∣PbO2镉镍电池Cd∣KOH∣NiOOH铁镍电池Fe∣KOH∣NiOOH氢化物镍电池MH/∣KOH∣NiOOH四种主要的二次电池二次電池正電極負電極電壓充放電反應鉛酸電池氧化鉛鉛2.0V鎳鎘電池氧化鎳鎘1.2V鎳氫電池氧化鎳儲氫1.2V鋰電池鋰鈷碳4.0V镍镉、镍氢、锂离子电池性能对比技术参数镍镉电池镍氢电池锂离子电池工作电压（V）1.21.23.6重量比能量(Wh/Kg)5065105-140体积比能量(Wh/l)150200300充放电寿命(次)5005001000自放电率（%/月）25-3030-356-9有无记忆效应有有无有无污染有无无电池组成11）电极：电池的核心部分，由活性物质添加剂和导电骨架组成活性物质要求：比容量高；电化学活性高；在电解液中化学稳定性好；导电骨架要求：集流性能好，分布均匀，柔软性好．集电体活性物质电池组成22）电解质：主要组成之一，传递正、负极之间电荷稳定性强；比电导高，欧姆压降小；化学稳定性高。电解液电池组成33）隔膜：正、负电极之间，避免正、负极活性物质直接接触在电解液中稳定性好；电子缘绝体，离子导体；常用PP、尼龙；强度高，透气性好，耐氧化能力强,耐高、低温能力强隔膜电池组成44）外壳（case）：要求：机械强度、耐振动、耐冲击、能耐高、低温变化和电解液的腐蚀。电池原理例：镉—镍电池工作原理化学能电能成流反应2NiOOH+Cd+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2NiOOH+2H2O+e-Ni(OH)2+OH-Cd+2OH-–2e-Cd(OH)2充电放电电池基本概念1短路：电流不经负载而由电源一端直接回到另一端，导致电路中电流猛烈加大，这就叫短路。断路：电路中电流不通叫断路。电流强度：单位时间内通过导体某一截面，电荷量的代数和，常用字母“A”表示。电压：水要有水位差才能流动，同样的，要使电荷作有规则的移动，必须在电路两端有一个电势差，这个电势差叫电压。常用字母“V”表示。电池基本概念2电流：在电场力的作用下，自由电子或离子所发生的有规则地运动称为电流。电阻：电子在物体内移动所遇到的阻力叫电阻。电阻单位是欧姆，常用字母“Ω”表示。电池的性能11、电动势：两电极电势之差（平衡电极电法）电池的性能22、内阻：R=RΩ+Rf电池的内阻：是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。RΩ：电极材料、电解液、隔膜及各部分零件的接触内阻；Rf：正、负极活性物质进行电化学反应时所引起的内阻，包括电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和；Rf与活性物质本身、电极结构、制造工艺、电池工作条件等因素相关。电池性能33、开路电压、工作电压1开路电压：是指电池在非工作状态下，即电路中无电流流过时，电池正负极之间的电势差。工作电压：又称端电压，是指电池的工作状态下，即电路中有电流，流过时电池正负极之间的电势差。V=V开—IR电池性能33、开路电压、工作电压终点电压：电池在放电过程中，电压下降到不宜再继续放电的工作电压为终点电压。如再继续使电池放电则称之为过放。过放对电池性能会产生破坏性影响，是导致电池零电压及综合性能下降的主要原因，在电池的检测和使用过程中，应尽量避免过放。中点电压：是指电池以一定的倍率放电至终点电压的时间之中点的电池电压。开路电压标称电压电池电压放电终止电压电池性能44、容量、比容量：理论容量(Co)（活性物质100%利用）：Co=26.8n=1/kmo（Ah）mo为活性物质的质量；M为活性物质分子量；n为成流反应得失电子数；26.8为常数1克当量活性物质反应时所放出电量；实际容量（C）：C=∫0TIdT恒流：IT恒阻：∫0TVdT额定容量（C额）：设计和制造电池时，规定或保证电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的容量。容量电池能量放电深度电池性能55、能量,比能量：理论能量（a、活性物质100%利用；b、电极反应处于平衡状态）：Wo=Co·E实际能量：W=∫0TIVdT比能量：体积比能量：W体=（Wh/L）重量比能量：W重=（Wh/l）电池性能66、贮存性能和循环寿命：贮存性能：（自放电）电池的贮存性能是衡量电池综合性能稳定程度的一个重要参数，电池经过一定时间的贮存后，允许电池的容量及内阻有一定程度的变化。电池自放电与活性物质本身、电极结构、制造工艺、电池工作条件等因素相关。循环寿命：充、放电循环的数目。电池性能77、充放电效率和充放电倍率充电效率：指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程序的量度。放电效率：指电池在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比。充放电倍率：是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数，通常的字母是用C表示。时率：又称小时率：是指电池以一定的电流放完其额定容量所需要的小时数。电池性能88、内压内压：指电池的内部气压，是密封电池在充放电过程中，产生的气体所致，主要受电池材料制造工艺、电池结构等因素影响。第三部分锂离子电池基本知识锂离子电池结构锂离子聚合物电池方形锂离子电池三种锂电池结构比较软包装锂离子电池硬包装锂离子电池锂聚合物电池外壳铝塑复合膜外壳铝壳或钢壳方型和钢壳圆柱型铝塑复合膜外壳电芯卷绕式电芯卷绕式电芯叠片式或卷绕式电芯电解质含锂盐的液态电解质含锂盐的液态电解质含锂盐的凝胶态电解质特点轻巧，电池尺寸可根据实际应用需要灵活改变，厚度可薄至1.0mm以下，长度可达到100mm以上电池较重；在制造薄型大面积电池方面受到限制轻巧，电池尺寸可根据实际应用需要灵活改变，厚度可薄至1.0mm以下，长度可达到100mm以上性能比较软包装锂离子电池硬包装锂离子电池锂聚合物电池体积能量密度优良差重量能量密度优良良大电流放电性能优优良低温放电性能优优差安全性能良差优注：优、良、差的比较是相对该三种电池而言，不涉及其它种类电池锂离子电池的特点锂离子蓄电池的一般特性：1、体积及质量的能量密度高；其能量密度大于300Wh/L，比能量达110～120Wh/kg，分别是Ni/Cd、Ni/MeH电池的2．5和1．5倍2、寿命长（大于1200次充、放电），3、单电池的输出电压高，为4.2V；3、自放电率小，可实现快速充放电，也可做成大容量的电池组。4、在60℃左右的高温下也可以使用；5、无记忆效应6、不含有毒物质等。锂离子电池的性能锂离子电池与其它二次电池性能比较性能阶段Li-IonNi/CdNi/MH电池能量密度现在240～260134～155190～197(Wh/L)将来400240280比能量(Wh/kg)现在100～11449～6059～70将来1507080平均电压（V）3.61.21.2电压范围（V）4.2～3.51.4～1.01.4～1.0使用寿命现在500～1200500500（次）将来150010001000优点高电压，高比能，自放电小，污染小高功率，快充，成本低高功率，高比能，污染小缺点成本高记忆效应，Cd污染成本高，自放电大锂离子电池的市场1全世界锂离子电池应用分析(单位：百万颗)应用别2019201920192000201920192019所占比例(%)笔记型计算机74.8105.9155.1191.8241.4296.1367.447.7数字调制解调器0.91.82.85.28.81116.92.2行动电话93.7124.4167.9143.1188.9238285.637.1摄录像机1822.327.235.444.253.655.17.2数字式相机0.71.61.72.93.54.250.7迷你光驱3.65.78.613.417.32227.43.6掌上型终端机3.34.867.78.611.212.51.6合计195266.5369.3399.5512.7636.1769.9100锂离子电池的市场2全世界小型二次电池长期需求量年代2019201920192000201920192019镍镉电池(亿颗)1098.27.67.26.86.6镍氢电池(亿颗)6.16.46.56.56.66.66.7锂离子电池(亿颗)1.92.63.745.17.79.7锂离子电池占有率(%)11152022273642BYD的电池的市场Li-ionNi-CdNi-MH2019SANYOSONYB