七化学电源PPT课件.ppt
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7.1基本概念,7.1.1化学电源的分类与组成7.1.2化学电源的基本性能指标7.1.3电池的命名与型号,电池是储存电能并可输出电能的装置。
将化学能直接转变成直流电能的装置称为化学电池或化学电源。
把光能或热能转变为电能的装置称为物理电池,例如太阳能电池。
电池的突出优势在于:
能量转化率高,使用中无污染、无噪声、可做成任意大小、使用方便、易于控制。
7.1.1化学电源的分类与组成,
(1)化学电源的分类,化学电源通常分为以下4类:
a)原电池:
又称一次电池,放电后不能用充电的方法使之复原,因此两电极的活性物质只利用一次。
原电池的特点是小型、携带方便,但放电电流不大,一般用于仪器及各种电子器件。
常用的原电池如锌锰电池、锂电池。
b)蓄电池:
又称二次电池,充电后可使之复原。
能多次充放电,循环利用。
常见的蓄电池如铅酸蓄电池、锂离子电池、镉镍电池。
铅酸蓄电池的产量很大,而且多数用在汽车启动、照明和点火。
c)贮备电池:
在贮存期内电极活性物质和电解质不接触,或电解质处于固态;能贮存几年或十几年,使用时借助动力源或水作用于电解质使电池激活。
例如,镁氯化银电池,铅高氯酸电池。
d)燃料电池:
又称连续电池,其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。
例如,氢氧燃料电池、直接甲醇或甲酸燃料电池等。
目前,广泛使用或已投产的化学电源是锌锰电池、铅酸蓄电池、锂电池、锂离子电池、镉镍电池、镍氢电池、锌银电池、碱性锌锰电池、空气湿电池、镁氯化银贮备电池等。
(2)化学电源的研制发展方向,1、车辆动力电池及储备电池:
高比能量和长寿命;2、燃料电池:
高能量转换率,无污染、低成本;3、军用电池:
核武器、导弹、炮弹、坦克、鱼雷;4、用作空间探索和海洋开发的辅助电源:
例如空气飞行器的启动、回收,海洋探测器的照明等;5、小型及微型电池:
集成电路,携带式小型化仪器;近年来人体植入电池引人关注。
(3)化学电源(简称电池)的基本组成,1、正极和负极:
由活性物质和导电材料以及添加剂等组成,其主要作用是参与电极反应和导电,决定电池的电性能。
原则上正极和负极的电位相差越大越好,参加反应的物质的电化当量越小越好,(用很少的活性物质可得到更多的电量)。
除考虑电极电位和电化当量外,还要考虑活性物质的稳定性及材料来源。
2、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,有的只起导电作用。
电解质通常是水溶液,也有用有机溶剂、熔融盐和固体电解质。
要求电解质的化学性质稳定和电导率高。
3、隔膜:
又叫隔离物,防止正、负极短路,但允许离子顺利通过。
例如,石棉纸、微孔橡胶、微孔塑料、尼龙、玻璃纤维。
4、外壳:
起保护作用。
除干电池由锌极兼做容器外,其他均不用活性物质做容器。
要求外壳具有良好的机械强度、耐腐蚀、耐振动、抗冲击强度。
实用的电池对电性能、贮存性能、机械性能、密封性能、几何形状、工作条件、经济性等多方面都有一定的要求。
而首要的是具有良好的电性能和贮存性能。
下面介绍主要的电性能和贮存性能。
7.1.2化学电源的基本性能指标,
(1)开路电压和工作电压:
没有通电时电池的电压称为开路电压,等于两电极之间的电位差。
开路电压取决于正负极材料的本性、电解质和温度。
电池的额定电压或标称电压是指开路电压的最低值。
工作电压又称闭路电压,是指电池接通负荷时的电压。
欧姆电阻和过电位的存在使得工作电压低于开路电压。
工作电压的数值及稳定度依赖于放电条件。
(2)内阻:
包括欧姆内阻R和极化电阻Rr,前者由电解质、电极材料、隔膜的电阻及各部分零件的接触电阻组成,后者由极化引起。
为了减少极化,可提高电极的活性和增大电极的面积,例如,采用多孔电极。
内阻和开路电压E开、工作电压E的关系为:
E=E开-I(R+Rr),(3)放电曲线:
即电池的工作电压随时间变化的曲线。
评价电池的性能常采用放电曲线,放电曲线越平坦性能越好。
电压下降到不宜继续放电的最低工作电压称为终止电压,例如锌锰干电池的终止电压为0.9V。
放电方法主要有恒流放电和恒阻放电两种,还分为连续放电和间歇放电。
(4)放电速率:
一般以小时率和倍率来表示,小时率是以一定放电电流放完额定容量所需要的小时数,而倍率是指在规定时间内放完全部额定容量需要的电流值。
几种一次电池在250mA电流下的放电曲线,锌锰电池不同条件下的放电曲线:
(a)连续放电;(b)每日2次,每次30min。
(5)容量与比容量:
在一定放电条件下可从电池获得的电量,称为容量,以Q表示,单位为Ah或mAh。
Q理=nFw/M(C,库仑)=26.8nw/M(A.h,安时)额定容量:
全新的一次电池或刚完全充电的二次电池,以规定的温度和放电率放电到一定终止电压的容量称为额定容量,常用C来表示。
比容量:
电池单位重量或单位体积所输出的能量,Ah/kg,Ah/L,(6)能量与比能量:
在一定条件下电池输出的能量(电能)单位Wh。
比能量为单位重量或单位体积电池对外输出的能量,又叫能量密度,单位Wh/Kg和Wh/L。
W=EIt=EQ(7)比功率:
单位时间电池的比能量,单位W/Kg和W/L。
比功率与内阻有关。
P=EIE=E开-I(R+Rr)P=IE开-I2(R+Rr),(8)贮存性能:
主要针对一次电池,是指电池贮存期间容量的下降率。
Qa:
电池放置前的容量;Qb:
电池放置后的容量;T:
放置时间。
电池容量下降到某一规定容量所经过的时间,称为搁置寿命或贮存寿命。
放置期间电池容量下降是由于两个电极的自放电引起的。
(9)循环寿命:
蓄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。
蓄电池的循环寿命除取决于电池的本性外,还与使用和维护是否恰当有关。
为了确保不同厂家的电池产品在电器上与物理上的可互换性,以及确定质量标准,有必要定出一套有关电池的标准。
国际电工委员会制定的原电池的IEC标准已为许多国家所采用。
我国推行IEC标准。
用字母R、S、F分别表示为圆形、方形、扁平形电池,迭层电池也用F表示,字母后跟着的数字表示电池的大小。
例如R20(即1号电池)。
7.1.3电池的命名与型号,根据我国颁布标准,铅酸蓄电池的产品型号分三段:
1、串联单个电池数;2、电池的类型和特征;3、额定容量。
电池类型根据其主要用途划分,主要代号如下:
Q-启动用;G-固定用;D-蓄电池车用;N-内燃机车用;T-铁路客用;M-摩托车用。
电池特征代号为:
A-干荷电式;F-防酸式;M-密闭式。
例如6-QA-20:
6个单体电池;启动用,装有干式荷电极板;20小时额定容量为120Ah。
7.2.1锌锰电池7.2.2碱性锌锰电池,7.2一次电池,原电池生产主要有几个系列:
普通锌锰;碱性锌锰;锌汞;(汞有毒)锌空气;镁锰;(用于军事)锌银;(消耗银)锂电池(不是锂离子电池),一次电池的种类及结构,糊式电池:
以锌筒为负极,天然MnO2和活性炭粉混合物作正极,用NH4Cl(20%)、ZnCl2(20%)水溶液作电解液,加淀粉糊使电解液凝固而不流动。
这是第一代锌锰干电池。
纸板电池或氯化锌电池:
改用人工精制的化学MnO2或电解MnO2,用浆层纸(厚0.10.2mm的牛皮纸上涂以合成糊等物质)夹在正负极之间代替了淀粉糊,并且以氯化锌为主要成分。
7.2.1锌锰电池,(-)Zn|ZnCl210%,NH4Cl20%(糊状)|MnO2|C(+)负极:
Zn(s)=Zn2+(aq)+2e正极:
2MnO2(s)+2NH4+(aq)+2e=Mn2O3(s)+2NH3(aq)+H2O电池反应:
2MnO2(s)+2NH4+(aq)+Zn(s)=Zn2+(aq)+Mn2O3(s)+2NH3(aq)+H2O,糊式电池开路电位1.5V,放电电压稳定;低温性能差,防漏性欠佳(NH4+H2O);NH3被石墨吸附,引起极化,导致电池电位降低。
(-)Zn|ZnCl2(aq,20%35%)|MnO2|C(+)负极:
4Zn(s)+ZnCl2(aq)+8OH-(aq)=ZnCl2.4Zn(OH)2+8e正极:
8MnO2(s)+8H2O(aq)+8e=8MnOOH+8OH-(aq)电池反应:
8MnO2(s)+ZnCl2(aq)+4Zn+8H2O=ZnCl2.4Zn(OH)2+8MnOOHZnCl2.4ZnO.5H2O,氯化锌作电解液电池的锌锰电池开路电位1.5V,放电电压稳定;水作为反应物被消耗,并转化为结晶水,因此,大大地提高了电池的防漏性能。
这是目前使用最普遍的干电池。
纸板式锌锰电池的结构特点,电解液:
20%35%ZnCl2,添加NH4Cl以减少极化。
此外,还添加缓蚀剂,以抑制锌的腐蚀。
以往用面粉或玉米淀粉作糊层或浆层纸的浆料,现已使用变性淀粉改善防漏性能,提高放电性能。
负极:
锌含有少量铅(0.3%0.5%)和镉(0.2%0.3%),前者改善其延展性,后者可提高其强度,并可提高锌电极上的氢过电位。
为减少锌的腐蚀,常使锌表面汞齐化,并严格控制镍、铁、铜等杂质的含量。
正极集流体:
碳棒,由石墨和沥青(酚醛树脂)制成。
为防止碳棒孔滤过多,要把碳棒在真空中浸蜡碳棒的电阻一般在35m之间。
密封剂:
目前所用密封剂主要是沥青,加入少量石蜡与树脂,也有塑料封口的。
必须保证6070oC下保持不变形,而且有良好的气密性。
外壳:
纸壳、金属壳、塑料三种,但只有生产廉价电池才用纸壳。
结构形式:
常用的锌锰干电池有圆筒式和迭层式两种。
圆筒式锌锰电池的结构1-铜帽;2-垫圈;3-碳棒;4-锌筒;5-电解液淀粉;6-垫片;7-正极碳包;8-绵纸;9-硬壳纸;10-空气室;11-封口剂;12-胶纸盖。
迭层式锌锰电池的结构1-炭饼;2-浆纸层;3-锌片;4-导电膜;5-塑料套;6-导线。
干电池在高温及潮湿环境下贮存,自放电较为严重,主要是负极锌腐蚀引起。
在低温下贮存自放电较小,但如果密封不好使氧气进入电池,则自放电加剧。
因自放电而产生的氢气积累到一定程度会发生气胀或漏液,这是应该防止的。
碱性锌锰电池与锌锰干电池相比,放电性能和贮存性能都更好。
比能量高于锌锰干电池,价格虽然较贵,但可较好地满足使用要求。
因此20世纪60年代以来得到迅速发展,而且已大量生产。
碱性锌锰电池所使用电极活性物质与普通锌锰干电池相同,但其电解液则是KOH溶液。
KOH液较之NH4Cl、ZnCl2液有强得多的导电能力,反应机理也与干电池不同。
7.2.2碱性锌锰电池,(-)Zn|KOH(aq)|MnO2|C(+)负极:
Zn(s)+2OH-(aq)=ZnO(s)+H2O+2e正极:
MnO2(s)+2H2O(aq)+2e=Mn(OH)2+2OH-(aq)电池反应:
MnO2(s)+Zn(s)+H2O=ZnO+Mn(OH)2,由于锌箔在碱液中极易钝化,故不能像干电池那样采用锌筒作负极。
锌粉有足够大的表面积,在碱液中也不易钝化,是碱锰电池负极较为合适的材料。
负极这一差别使碱锰电池的结构与干电池大不相同。
圆筒形碱锰电池的结构,R20型锌锰电池外接2.25电阻时的放电曲线。
碱锰电池的开路电压约为1.52,工作电压约为1.25V。
电池内阻小,在快速放电时能提供足够的容量,而且在低温(-21C)下,其放电容量相当于干电池室温下的容量。
放电曲线相当平坦,放电到终止电压(0.9V)时,放电量明显高于其他锌锰电池。
贮存性能相当好,20C时自放电率低于0.8%,一年后还能保持90%以上的容量,甚至4年后仍有80%的容量。
7.3.1铅酸蓄电池7.3.2镉镍电池7.3.3镍氢电池7.3.4锂电池与锂离子电池,7.3二次电池,二次电池综述,二次电池放电后,可以反向充电,使活性物质再生,恢复到放电前的状态,故可以重复使用,所以它是一种电能储存器。
日常生活中常见的二次电池:
铅蓄电池;镍镉二次电池;镍氢二次电池;锂离子二次电池;导电聚合物二次电池等(如聚乙炔/Li电池,输出功率是铅酸电池的30倍,无酸雾和氢气,既安全又易操作)。
铅蓄电池(1859年问世)是工业用蓄电池的一种,已有152年的历史。
由于它的原材料来源丰富,价格低廉,可循
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