单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第七章 化学电源,第七章 化学电源,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,7.1 基本概念7.1.1 化学电源的分类与组成,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,电池是储存电能并可输出电能的装置。将化,（,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。,（1）化学电源的分类 化学电源通常分为以下4类：,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。,b) 蓄电池：又称二次电池，充电后可使之复原。能多次充放电，,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。,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,（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。,（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,（,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,。,（3）化学电源（简称电池）的基本组成1、正极和负极：由活性物,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。,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二,3、,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,。,3、隔膜：又叫隔离物，防止正、负极短路，但允许离子顺利通过。,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,实用的电池对电性能、贮存性能、机械性能、,（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。,（1）开路电压和工作电压：,（2）,内阻,：包括,欧姆内阻,R,和,极化电阻,R,r,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,+ R,r,),（2）内阻：包括欧姆内阻R和极化电阻Rr,前者由电解质、电,（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,0.9 V,。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。,（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,几种一次电池在,250 mA,电流下的放电曲线,几种一次电池在250 mA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,30 min。,锌锰电池不同条件下的放电曲线：,（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) = 26.8,nw / 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,（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,（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=EI,E=E,开,-,I(R,+R,r,) P=IE,开,-,I,2,(R,+R,r,),（6）能量与比能量：在一定条件下电池输出的能量（电能）单位W,（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。,Q,a,：,电池放置前的容量；,Q,b,：,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。,（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,（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。,（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,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,为了确保不同厂家的电池产品在电器上与,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,120 Ah。,根据我国颁布标准，铅酸蓄电池的产品型号分三段,7.2.1,锌锰电池,7.2.2,碱性锌锰电池,7.2,一次电池,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）,原电池生产主要有几个系列:普通锌锰；,高中化学-化学电源课件,一次电池的种类及结构,电池,种类,负极活性物质,电解质,正极活性,物质,电压,锰干电池,Zn,NH,4,Cl+ZnCl,2,MnO,2,1.5,碱性锰干电池,Zn,KOH/NaOH,MnO,2,1.5,镍-锌电池,Zn,KOH/NaOH,NiOOH,1.6,氧化银电池,Zn,KOH/NaOH,Ag,2,O,1.5,空气电池,Zn,KOH/NaOH,NH,4,Cl+ZnCl,2,O,2,1.3-1.4,锂电池,Li,Li,盐+非水溶液,MnO,2,/(CF),n,3.0,一次电池的种类及结构电池负极活性物质电解质正极活性电压锰干电,糊式电池：,以锌筒为负极，天然,MnO,2,和活性炭粉混合物作正极，用,NH,4,Cl（20%）、ZnCl,2,（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,MnO,2,或电解,MnO,2,，,用浆层纸（厚0.1,0.2,mm,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,糊式电池：以锌筒为负极，天然MnO2和活性炭粉混合物,(-)Zn,| ZnCl,2,10%, NH,4,Cl 20%(,糊状,) | MnO,2,|,C(+),负极：,Zn(s) = Zn,2+,(aq) + 2e,正极：,2 MnO,2,(s),+ 2NH,4,+,(aq) + 2e = Mn,2,O,3,(s) + 2NH,3,(aq) + H,2,O,电池反应：2,MnO,2,(s) + 2NH,4,+,(aq) + Zn(s) = Zn,2+,(aq) + Mn,2,O,3,(s) + 2NH,3,(aq) + H,2,O,糊式电池,开路电位,1.5 V,，放电电压稳定；低温性能差，防漏性欠佳（,NH,4,+,H,2,O,）；,NH,3,被石墨吸附，引起极化，导致电池电位降低。,(-)Zn | ZnCl2 10%, NH4Cl 20%(糊,(-)Zn,| ZnCl,2,(aq, 20%,35%) | MnO,2,|,C(+),负极：,4Zn(s) + ZnCl,2,(aq),+ 8OH,-,(aq) = ZnCl,2,.,4Zn(OH),2,+ 8e,正极：,8MnO,2,(s),+ 8H,2,O(aq) + 8e = 8MnOOH + 8OH,-,(aq),电池反应：,8 MnO,2,(s) + ZnCl,2,(aq) + 4Zn + 8H,2,O = ZnCl,2,.,4Zn(OH),2,+ 8MnOOH ZnCl,2,.,4ZnO,.,5H,2,O,氯化锌作电解液电池的锌锰电池,开路电位,1.5 V,，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。,(-)Zn | ZnCl2 (aq, 20%35%) |,纸板式锌锰电池的结构特点,电解液,：,20%,35% ZnCl,2,，,添加,NH,4,Cl,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。,纸板式锌锰电池的结构特点 电解液：20%35% ZnCl,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,3,5 m,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,60,70,o,C,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。,正极集流体：碳棒，由石墨和沥青（酚醛树脂）制成。为防止碳,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。,圆筒式锌锰电池的结构迭层式锌锰电池的结构,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。,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,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,NH,4,Cl、ZnCl,2,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,碱性锌锰电池与锌锰干电池相比，放电性能和,(-)Zn,| KOH,（,aq) | MnO,2,|,C(+),负极：,Zn(s) + 2OH,-,(aq) = ZnO (s) + H,2,O,+ 2e,正极：,MnO,2,(,s)+ 2H,2,O(aq) + 2e = Mn(OH),2,+ 2OH,-,(aq),电池反应：,MnO,2,(,s) + Zn,(,s) + H,2,O = 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。,(-)Zn | KOH（ aq) | MnO2 | C(+),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。,圆筒形碱锰电池的结构R20型锌锰电池外接2.25 电阻时的,碱锰电池的开路电压约为1.52，工作电压约为1.25,V。,电池内阻小，在快速放电时能提供足够的容量，而且在低温（-21,C,）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（0.9,V,）时，放电量明显高于其他锌锰电池。,贮存性能相当好， 20,C,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。,碱锰电池的开路电压约为1.52，工作电压约为1.25 V。,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,7.3.1 铅酸蓄电池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）。,二次电池综述 二次电池放电后，可以反向充电，使活性,铅蓄电池（1859年问世）是工业用蓄电池的一种，已有15,2,年的历史。由于它的原材料来源丰富，价格低廉，可循环使用，被作为各种仪器设备及计算机等的电源；还可作为开关电源、储能电源、启动电源、照明电源以及应急电源等，应用于各种不同的环境和领域。应用十分广泛，而且用量巨大。,7.3.1,铅酸蓄电池,铅蓄电池（1859年问世）是工业用蓄电池的一种,人们常常把铅酸蓄电池看成一种落后、没有发展前途的技术。事实上，铅酸蓄电池的产品技术和制造技术都取得了巨大的进步，铅酸蓄电池比以前更可靠、更便宜,而且不需要维护,。,由于环境保护的要求，提高了铅的回收率。蓄电池可得到有效的回收，而且不会散逸到环境中。工厂的有害物质的散逸已得到了完全的控制，工人的健康也得到严格措施的保护。,铅酸蓄电池在未来还是有相当的发展前途的。,人们常常把铅酸蓄电池看成一种落后、没有发展前,铅酸蓄电池,结构,铅酸蓄电池一般由正极板组、负极板组、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成。,正极板由板栅和活性物质二氧化铅板,(,PbO,2,),构成，负极板由板栅和活性物质铅,(,Pb,),构成。板栅一般使用铅锑合金，有时也用纯铅或铅钙合金。,铅酸蓄电池结构,汽车用铅酸蓄电池,汽车用铅酸蓄电池,高中化学-化学电源课件,铅酸蓄电池原理,蓄电池的原理是通过将化学能和直流电能相互转化，在放电后经充电后能复原，从而达到重复使用效果。铅蓄电池的电压为,2,的倍数,铅酸电池（硫酸电解液型）的两极反应如下 ：,阴极（负极）,铅酸蓄电池原理阴极（负极）,阳极（正极）,总反应,阳极（正极）总反应,铅酸电池的自放电反应：,负极自放电反应：,Pb(s) + HSO,4,-,(aq) = PbSO,4,(s) + H,+,+2e,2H,+,+ 2e = H,2,正极自放电反应：,2,H,2,O = O,2,+ 4H,+,+4e,PbO,2,(s) + HSO,4,-,(aq) + 3H,+,+2e = PbSO,4,(s) + 2H,2,O,铅酸电池的自放电反应：,铅酸蓄电池的优点,据统计，目前世界电池产品中，近一半是铅酸蓄电池。由于它具有,较高的工作电压、较好的大电流和高低温放电性能，而且适合于循环使用，,因此被广泛地用于备用电源、能量储备和动力电源等领域。,铅酸蓄电池的优点,缺点,铅酸电池的致命弱点是，电极上的活性物质,PbSO,4,会逐渐污染极板，使之不能发生正常的化学反应，导致蓄电池无法再次充电而报废，缩短了铅酸蓄电池的使用寿命。,缺点,铅酸电池充电时变成,PbSO,4,的阴阳两极的海绵状,Pb,把固定在其中的,H,2,SO,4,成分释放到电解液中，分别变成海绵状,Pb,和,PbO,2,，电解液中的,H,2,SO,4,浓度不断变大；反之放电时阳极板上的,PbO,2,和阴极板上的海绵状,Pb,与电解液中的,H,2,SO,4,发生反应变成,PbSO,4,，而电解液中的,H,2,SO,4,浓度不断降低。,问题产生的原因,铅酸电池充电时变成 PbSO4 的阴阳两,当铅酸电池充电不足时，阴阳两极板的,PbSO,4,不能完全转化变成海绵状,Pb,和,PbO,2,。如果长期充电不足，则会造成,PbSO,4,结晶，使极板硫化，电池性能严重下降；反之如果电池过度充电阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力， 使得蓄电池内压增大，导致气体外溢。电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。,当铅酸电池充电不足时，阴阳两极板的 P,目前常用的铅酸电池的平均寿命,用途,寿命/年,电动车（12,V，17 Ah）,出租车（12,V, 50,60 Ah,）,私家车（12,V, 35,55 Ah,）,铲车（48,V，250,540 Ah）,大型工程机械（ 48,V，250,540 Ah,）,1,1.2,1.5,3 4,3 4,5 8,目前常用的铅酸电池的平均寿命用途寿命/年电动车（12 V，1,铅酸电池污染的危害性,铅酸电池造成污染的主要物质,PbO,2,、Pb、PbSO,4,、H,2,SO,4,。其中，,Pb,造成的污染最为严重 。铅酸电池不仅在生产过程中产生,Pb,蒸汽污染空气，而且在使用和回收处理过程中产生的废酸液和铅尘将污染水体和土壤。,铅酸电池污染的危害性,电动自行车使用后产生的废旧铅酸电池一般含有,20%,25%,的电解液其中含有,15%,25 %,的硫酸以及悬浮的含铅化合物经过静置澄清的废电解液含,Pb,的质量浓度达,7,10 g,/,L,。据粗略统计，若废旧电池得不到妥善的处置每年约有,5,万吨含铅废酸溶液流入土壤和地下水中，对生态环境和人的健康所造成的危害是极其严重的 。,电动自行车使用后产生的废旧铅酸电池一,应对措施,设计与制造绿色的铅酸电池,材料的选择：,即少用有害的、难回收的材料，优先采用相容性好的、可再利用的绿色环保材料；,拆卸设计与制造：,一方面从产品或部件上有规律地拆下可用的零部件过程同时保证不因拆卸过程造成该零部件的损伤从而提高零件的重复回收利用率；另一方面在拆卸过程中不因零部件的损伤而导致有害物质的外泄；,回收设计与制造：,即在产品设计与制造时充分考虑产品零部件及材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法以及与回收有关的系列问题。,应对措施 设计与制造绿色的铅酸电池,同时，应该建立废旧电动自行车用铅酸电池的回收处理体系，控制其污染。,发达和中等发达国家再生铅金属产量超过原生铅金属产量。再生铅产量占总产量的比值：美国在,70%,以上，欧洲占,78%,，全球平均为,50%,。我国仅占,25.30%,，低于世界平均水平。我国的再生铅冶炼技术落后，回收工作不完善，造成废铅对环境的严重污染。,同时，应该建立废旧电动自行车用铅酸电池的回收处理体系，控制其,铅酸蓄电池尽管有其缺点与不足，但也有成熟、廉价、安全的优点。,目前新型的铅酸电池，如阀控式铅酸蓄电池（,VRLA）、,采用吸附式玻璃纤维棉作膈膜的,AGM-VRLA,以及采用,SiO,2,作凝固剂的,GEL-VRLA,已经广泛应用。,未来应致力于设计出具有高比能量，高比功率，循环寿命更长的超级铅酸电池，使其在大型纯电动车、增程式电动车、混合电动车、短程车等方面的应用有更广阔的前景。,铅酸蓄电池尽管有其缺点与不足，但也有成熟,镍镉电池（,Ni-Cd,，,Nickel-Cadmiun Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery,）是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。,7.3.2,镍镉电池,镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cad,位于负极的镉,(Cd),和氢氧化钾,(KOH),中的氢氧根离子,(OH,-,),化合成氢氧化镉，并附着在阳极上，同时放出电子。电子沿着电线至阴极，和阴极的二氧化镍与氢氧化钠溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子，氢氧化镍会附着在阴极上，氢氧根离子则又回到氢氧化钠溶液中，故氢氧化钠溶液浓度不会随着时间而下降。电解液是比重为1.16,1.19的,KOH,溶液。,电池原理,位于负极的镉(Cd)和氢氧化钾(KOH)中的氢,放电反应式：,负极反应：,Cd + 2OH,-, Cd(OH),2,+ 2e,-,正极反应： 2,NiOOH,+2H,2,O + 2e,-, 2Ni(OH),2,+ 2OH,-,总反应：,Cd + 2NiOOH,+ 2H,2,O Cd(OH),2,+ 2Ni(OH),2,充电反应式：,阳极反应：2,Ni(OH),2,+ 2OH,-,2NiOOH,+ 2H,2,O + 2e,-,阴极反应：,Cd(OH),2,+ 2e,-, Cd + 2OH,-,总反应：,Cd(OH),2,+ 2Ni(OH),2, Cd + 2NiOOH,+ 2H,2,O,放电反应式：,电池结构,正极板上的活性物质由羟基氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。,负极板上的活性物质由氧化镉、海绵镉、氢氧化镉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。,活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。,电池结构正极板上的活性物质由羟基氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不,优点：,循环寿命长，一般寿命为500,1000次，有的甚至达到2000次以上；,自放电较小，镉的析氢过电位较高，在碱性溶液中不发生自溶解，因此自放电率较小；,性能稳定，并可以大电流放电；,使用温度范围宽，可在-40,C40,C,范围内使用；,良好的力学性能，牢固、耐冲击和振动；,结构紧凑等。,优点：循环寿命长，一般寿命为5001000次，有的甚至达到,缺点：,活性物质利用率低；,电压低，开路电压为1.38,V，,工作电压为1.25,V,左右，充电到1.40,1.45,V,截止。,电流效率和能量效率低；,价格较高；,存在二次污染。,缺点：活性物质利用率低；,特别注意：,1、镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的 “,记忆效应,” ，使得服务寿命大大缩短。,所谓 “,记忆效应,” ：就是电池在充电前，电池的电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低，在电池充放电的过程中（放电较为明显），会在电池极板上产生些许的小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。,2、镉是有毒的，镍镉电池不利于生态环境的保护。为此，镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。,特别注意：1、镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理,7.3.3,镍氢电池,金属氢化物镍电池,(,简称,MH,Ni,电池,),系二十世纪八十年代末快速发展起来的高新技术产品，是一种很有发展潜力的化学电源系列。镍氢电池（,Ni/MH,）是由镍镉电池（,Ni/Cd battery,）改良而来的，其以储氢金属代替镉。,7.3.3 镍氢电池金属氢化物镍电池(简称MHNi电池),电池原理,电池原理,特点：,1、以相同的价格提供比镍镉电池更高的电容量、比较不明显的记忆效应、以及比较低的环境污染,(,不含有毒的镉,),。它被称为是最环保的电池。,2、电压等性能和镉镍电池相近，可以与镉镍电池互换。,MH/Ni,电池作为一种绿色能源，由于具有高比能量、能快速充放电、无污染等特性，正吸引着越来越多的目光。,特点：1、以相同的价格提供比镍镉电池更高的电容量、比较不明显,低压镍-氢电池与镉-镍电池相比的优点：,能量密度高，是镉-镍电池的1.5,2.0倍；,电池电压为,1.2,1.3,V，,与,镉-镍电池相当；,可以快速充放电；,低温特性较好；,可密封，耐过充放电性能好；,无毒和无环境污染，是“绿色环保电池”；,不使用贵金属催化剂；,记忆效应不显著。,低压镍-氢电池与镉-镍电池相比的优点：能量密度高，是镉-镍电,低压镍-氢电池与锂离子电池相比的不足：,相对高的记忆效应，,较高的自身放电反应。,镍氢电池比碱性电池有更大的输出电流，相对地更适合用于高耗电产品，某些型号甚至比镍镉电池有更大输出电流。,镍-氢电池适用对象：,低压镍-氢电池与锂离子电池相比的不足：相对高的记忆效应，,几种常用二次电池的性能比较,几种常用二次电池的性能比较,金属锂二次电池,锂离子电池,锂聚合物电池,锂电池,锂一次电池（又名锂原电池，,Primary LB,）,锂二次电池,(,又称锂可充电电池,Rechargeable LB),7.3.4,锂电池与锂离子电池,金属锂二次电池 锂离子电池锂聚合物电池锂电池锂一次,锂原电池,锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。由于金属锂在所有金属中最轻、氧化还原电位最低、质量能量密度最大，因此锂电池成为理想的替代能源之一。,锂原电池 锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用,最早出现的锂电池来自爱迪生的研究，使用以下反应：,Li+MnO,2,=LiMnO,2,。,20,世纪,70,年代锂原电池实现了商业化生产。常见的锂原电池主要有,Li/MnO,2,、,Li/CF,x,(x50%,，热电联产 可达,80%,，不需要昂贵的白金作催化剂，结构简单，制作成本低，可以用,CO,作燃料。采用腐蚀性电解液，对材料的要求也高。,（3.2）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）(第二代),负极（阳极）：,2H,2,+2CO,3,2-,-4e,2H,2,O+2CO,2,正极（阴极）：,O,2,+2CO,2,+4e,2CO,3,2-,总反应式：,2H,2,+O,2,2H,2,O,熔融碳酸盐燃料电池（,MCFC,）,MCFC,电池隔膜 隔膜剖面的微观形貌,高中化学-化学电源课件,110 cm,2,电池试验,110 cm2电池试验,（,3.3,）固体氧化物燃料电池（,SOFC,）,(,第三代,),燃料：煤气、天然气、甲醇等,电解质：,ZrO,2,-Y,2,O,3,(8YSZ),阳极：,Ni-ZrO,2,金属陶瓷（不要,Pt,催化剂）,阴极：掺镧锰酸盐,工作温度：,900-1050,特点：,有效利用能源，效率,50%-65%,，电池本体的构成材料全部是固体，所以没有电解质的蒸发、流淌。另外，燃料极空气极也没有腐蚀。,（3.3）固体氧化物燃料电池（SOFC）(第三代),负极（阳极）：,2H,2,+2O,2-,-4e,2H,2,O,或,CH,4,+O,2-,CO,CO,2,C,2,H,4,C,2,H,6,正极（阴极）：,O,2,+4e,2O,2-,总反应式：,2H,2,+O,2,2H,2,O,固体氧化物燃料电池（,SOFC,）,（3.,4,）质子交换膜燃料电池（,PEMFC,）,负极（阳极）：,2H,2,-4e,4H,+,正极（阴极）：,O,2,+,2H,2,O,+,4e,4OH,-,总反应式：,2H,2,+O,2,2H,2,O,质子交换膜燃料电池（,PEMFC,）示意图,（3.4）质子交换膜燃料电池（PEMFC）,2 kW,电池组,5 kW,电池组,2 kW电池组,（4）FC,的现状与发展趋势,磷酸盐型燃料电池（,PAFC,）是研究最成熟的一种燃料电池。目前已进入商品化阶段。最初开发,PAFC,是为了控制发电厂的峰谷用电平衡，近来则侧重于作为向公寓、购物中心、医院、宾馆等地方,提供电和热的现场集中电力系统,。,PAFC,发电厂包括两种：分散型，容量在,10-20 MW,之间，安装在配电站；中心电站型，容量在,100 MW,以上，可以作为中等规模热电厂。,（4）FC的现状与发展趋势,ONSI,公司,PC25C,型,PAFC,输出,发电效率,燃料,质量,排热利用,NO,x,体积,200 kw,40%,煤气,27.3t,42%,10,-5,335.5,PAFC,目前价格已降低至,1500,美元,/kW,，美日欧等国投入运行的,PAFC,型电站已超过百座，最大容量者为东京电力公司的五井电厂（,11MW,）,.,以汽油为能源的家庭发电机，,每,6,千瓦功率的费用为,1400,美元,，鉴于天然气的成本效益比汽油高，燃料电池的提取技术也更有效率，专家预言，燃料电池将在降至,每千瓦,1000,美元,时产生吸引力。（还有体积与维护问题）,PAFC目前价格已降低至1500美元/kW，美,目前，,Siemens Westinghouse,宣布有两座,250 kW SOFC,示范电厂很快将在挪威和加拿大的多伦多附近建成。,图为西屋公司在荷兰,安装的,SOFC,示范电,厂，它可以提供,110 kW,的电力和,64 kW,的热，发电效,率达到,46%,，运行,14000 h.,目前，Siemens Westinghouse宣,PEMFC,是一种新型、有远大前途的燃料电池，经过从,80,年代初到现在的近,30,年的发展，质子交换膜燃料电池起了翻天覆地的变化。,著名的加拿大,Ballard,公司在,PEMFC,技术上全球领先，现在它的应用领域涉及交通工具和固定电站。目前在美国、德国、瑞士、日本等国都安装有该公司的,250 kW,级的示范电站。,PEMFC是一种新型、有远大前途的燃料电池,安装在柏林的,250 kW PEMFC,燃料电池电站,安装在柏林的250 kW PEMFC燃料电池电站,在,Ballard,公司的带动下，许多汽车制造商参加了燃料电池车辆的研制。美国至今已开发的具有代表性的运输用的燃料电池公共客车、轿车已达,30,多种。,虽然现在燃料电池汽车商业化的时机还未成熟，但几家公司已确定了开始批量生产的时间表。,Daimler-Benz,公司宣布，到,2004,年将年产,40000,辆燃料电池汽车。因而未来十年，极有可能达到,100000,辆燃料电池汽车。,在Ballard公司的带动下，许多汽车制造商参加,近年因环境保护要求而新兴起的生物电池，用生物原料（包括临场杂木、稻草、麦秆、玉米杆、青草、草垃圾、含能源的植物、动物粪便等）生产电能。即将生物原料通过反应器转换成燃料气体（主要是,H,2,、,CO,、,CH,4,），经加工处理后作为燃料电池的原料用于建立分散电站，供家庭或城市用电；也可转换成,H,2,，用于电动汽车。,美国已有这种电厂运行，而德国正在建造一个生物能源,-,氢气工程。,近年因环境保护要求而新兴起的生物电池，用生物原,燃料电池中另一亮点是,细菌电池,。其基本原理是通过细菌发酵，把酸或糖类转化为氢气，在将氢导入磷酸燃料电池后发电。美国,1984,年设计出一种供遨游太空用的细菌电池，原料是宇航员的尿液和活细菌。日本也研制过用特制糖浆做原料的细菌电池。,燃料电池今后的发展方向除了,电动车辆,和,热电站,外，另一方向是,使燃料电池小型化,。从而替代普通电池在手提电脑、便携式电子器件等方面的应用。,燃料电池中另一亮点是细菌电池。其基本原理是通过,美国已研制成功微型燃料电池，其电池尺寸和价格可与传统的镍镉电池相比，重量仅为镍镉电池的一半，但供电能力为镍镉电池的,50,倍。预期这种微型燃料电池用于移动电话，可连续待机,40,天，而仅消耗不到,2,盎司的甲醇。,目前正把微电子技术引入微型燃料电池制作中，准备制作,25,m,厚的微型电池,美国已研制成功微型燃料电池，其电池尺寸和价格可与传统,（,5,）燃料电池汽车,近年来的燃料电池汽车开发则越来越多得融入企业行为，世界各主要汽车制造厂家及燃料电池公司几乎无不卷入这场竞争中。,美国,巴拉德动力系统公司,于,1993,年首次研制出概念车，,1995,年又推出新款，,1997,年该公司的,16,辆燃料电池公共汽车在美国的芝加哥和加拿大的温哥华试运行。先后与,戴姆勒,-,奔驰、福特,组成合资公司。,（5）燃料电池汽车,德国戴姆勒,-,奔驰公司：,1994,年，,NeCar,NeCar,，多用途车，采用,25,千瓦的,质子交换膜燃料电池组,，最高时速,110,英里。,1997,年,5,月，燃料电池公共汽车，,34,座位,24,站位，采用,1025,千瓦,质子交换膜燃料电池,，以氢为燃料，行程,250,公里，计划,2005,年进行规模化生产，产量最少可达,10,万辆。,1997,年,9,月，推出,NeCar,，,A,级轿车，装有燃料转化装置，可以使用,甲醇为燃料,。,德国戴姆勒-奔驰公司：,戴姆勒,-,克莱斯勒,公司,2000,年，已经开发出以甲醇为燃料的燃料电池汽车“,NECAR5”,和“,Jeep Commander 2”,。,NECAR5,是,1997,年开发,NECAR3,的后续产品。,戴姆勒-克莱斯勒公司2000年，已经开发出以甲醇为燃料的燃料,通用汽车公司,已推出样车（面包车），装,50,千瓦甲醇燃料电池系统,。公司将在,2004,年之前开发出可投入生产的燃料电池汽车。,通用氢燃料电池车,Sequel(2005),通用汽车公司已推出样车（面包车），装50千瓦甲,目前大多数燃料电池汽车开发商的注意力比较集中在甲醇上。使用甲醇需安装转化装置，会增加成本，但好处不少。,首先，甲醇液体燃料使用方便，能利用现有的基础设施，如现在美国加州已经有用于内燃机的,M100,（,100%,甲醇），,M85,和,M75,甲醇燃料供应；,其次，甲醇含碳比汽油和柴油少，更易于转化，效率更高，约为,80%,。,目前大多数燃料电池汽车开发商的注意力比较集中,第三，使用甲醇二氧化碳排放较少，甲醇的生产可来自再生能源（如生物质能），这更有利于环保。,与甲醇相比，汽油的转化工艺比较复杂，且效率较低，但它在现有基础设施利用和生产上具有一定优势，因此仍有公司在研究，如美国的,Arthur D. Little,就在,1997,年开发出使用汽油的燃料电池。,第三，使用