电池基础知识资料

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1、电池基础知识 内容安排 n电化学常识 n电化学应用 n电池的基础 知识 n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 n无机化学 n有机化学 n物理化学 n分析化学 n高分子化 学 n核化学 n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 n电化学研究电现象与化学现象之间内 在联系的学科 n电化学系统电极电解质 电化学名词2 n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 n电解质学电解质的导电性质、离子的 传输性质、参与反应离

2、子的 平衡性质 电化学起源 n1791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 n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 n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） n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Zn2e=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 n有两种活动性不同的

3、金属（或一种是非 金属导体）作电极 n电极材料均插入电解质溶液中 n两极相连形成闭合电路 正负极与阴阳极 n阴极：发生还原反应的电极，得电子 n阳极：发生氧化反应的电极，失电子 n正极：电势较高的电极 n负极：电势较低的电极 n电池：正极阴极 负极阳极 n电解池：正极阳极 负极阴极 电流与离子的流向 n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 n阴离子总是移向阳极 n阳离子总是移向阴极 n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 n化学电源 n金属防腐蚀：大部分金属腐蚀是电化学腐蚀 n机械工业：电镀、电抛光、电泳涂漆 n环境保护：

4、电渗析除去氰、铬离子等污染物 n电解、电冶炼工业 n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 n电解质种类 n电池所用正负极材料 n工作特性和储存方式 以电解质种类分类： n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 n酸性电池电解质以硫酸水溶液为主，如 铅 酸电池 n中性電池电解质为盐溶液，如锌锰电池 和 海水电池 n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： n锌系列电池锌锰电池和锌银电池等 n镍系列電池镍镉电池和镍氢电池等 n

5、铅系列電池铅酸电池等 n锂系列電池锂离子电池和锂锰电池等 n二氧化锰系列電池锌锰电池和碱锰电 池 n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： n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 n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 n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 n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： n锌锰电池：Zn|NH4Cl,ZnCl2|MnO2(C) n碱性锌锰电池： Zn|KOH,K2Zn(OH

6、)4|MnO2(C) n锌银电池：Zn|KOH|Ag2O n锂锰电池：Li|LiClO4(PC,DME)|MnO2(C) n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 n 特点：可循环使用 n 例：铅酸电池 PbH2SO4PbO2 n镉镍电池 CdKOHNiOOH n铁镍电池 FeKOHNiOOH n氢化物镍电池 MH/KOHNiOOH 四种主要的二次电池 镍镉、镍氢、锂离子电池性能对比 n技术参数 镍镉电池 镍氢电池 锂离子电池 n工作电压（V） 1.2 1.2 3.6 n重量比能量(Wh/Kg) 50 65 105-140 n体积

7、比能量(Wh/l) 150 200 300 n充放电寿命(次) 500 500 1000 n自放电率（%/月） 25-30 30-35 6-9 n有无记忆效应 有 有 无 n有无污染 有 无 无 电池组成1 1）电极：电池的核心部分，由活性物质添加剂 和 导电骨架组成 n活性物质要求： n比容量高； n电化学活性高； n在电解液中化学稳定性好； n导电骨架要求： n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 n2）电解质：主要组成之一， 传递正、负极之间电荷 n稳定性强； n比电导高，欧姆压降小； n化学稳定性高。 电解液 电池组成3 n3）隔膜：正、负电极之间，避免 正、负

8、极活性物质直接接触 n在电解液中稳定性好； n电子缘绝体，离子导体； n常用PP、尼龙； n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 n4）外壳（case）： n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 n例：镉镍电池工作原理 化学 能 电能 n成流反应 n2NiOOH + Cd + 2H2O 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 n NiOOH + 2H2O + e- Ni(OH)2 + OH- nCd + 2OH- 2e- Cd(OH)2 充电 放电 电池基本概念1 n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

9、中电流猛烈加大，这 就叫短路。 n断路：电路中电流不通叫断路。 n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。 n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 n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。 n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“”表示 。 电池的性能1 1、电动势：两电极电势之差（平衡 电极电法） 电池的性能2 2、内阻：R=R + Rf 电池的内阻：是指电池在工作时，电流流过 电池

10、内部所受到的阻力。 nR：电极材料、电解液、隔膜及各部分 零件的接触内阻； nRf ：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； nRf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3 3、开路电压、工作电压1 n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。 n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3 3、开路电压、工作电压 n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

11、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。 n 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4 4、容量、比容量： n理论容量(Co)（活性物质100%利用）： nCo=26.8n=1/kmo（Ah） nmo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； n实际容量（C）：C=0TIdT n恒流：IT n恒阻：0TVdT n额定容

12、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5 5、能量,比能量： n理论能量（a、活性物质100%利用；b、 电极反应处于平衡状态）： n Wo = CoE n实际能量： W = 0TIVdT n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6 6、贮存性能和循环寿命： n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

13、、电池工作条件等因素相关。 n 循环寿命： 充、放电循环的数目。 电池性能7 n7、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8 8、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、

14、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 10

15、0mm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110120Wh/kg， 分别是Ni/Cd、 Ni/MeH电池的25和15倍 2、寿命长（大于1200次充、放电）， 3、单电池的输出电压高，为4.2 V； 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240260134155190197 (Wh/L)将来400240280 比能量(Wh/kg)现在10011449605970 将来1507080 平均电压（V） 3.61.21.2 电压范围（V） 4.23.51.41.01.41.0 使用寿命现在5001200500500 （次）将来1