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1、 第五章第五章 化学电源化学电源 第六章第六章 电催化电催化 第七章第七章 金属的表面精饰金属的表面精饰 第八章第八章 电化学传感器电化学传感器 第九章第九章 电化学腐蚀与防护电化学腐蚀与防护 第十章第十章 电解与电合成电解与电合成 Part 2.Part 2.电化学的应用电化学的应用 ECER BATTERIES 化 学 电 源 Chapter 5: ELECTROCHEMICAL SYSTEMS FOR ELECTRIC POWER GENERATION 电池电池：储存电 能并能输出电 能的装置 化学电源化学电源：将化 学能转变成直流 电能的装置 物理电源物理电源：将光 能或热能转变为 电
2、能的装置 两大类电池两大类电池 物理电源: 光照射，半导体价带中电子受激产生 自由电子空穴对。当电子和空穴扩 散到pn 结附近的区域内, 内建电场 进行电荷分离作用,将电子推向电池的 n 型一侧,空穴被扫到电池的p型一侧, 从而在电池两极分别形成正负电荷积 累,产生了“光生电压” 若在电池两侧引出电极并接上负载,负 载回路中就有电流通过,即太阳光能被 转化为可用的电能。 借助半导体材料的光伏效应，设计光伏电池，可实现光电转换！ 便携式电子产品:移动电话、手提电脑、MP3/4、数码相机、电动工具等 化学电源的应用化学电源的应用 交通与通讯领域:车、船、飞机等启动；通讯备用电源 航天领域：宇宙飞船
3、，人造卫星，星际探测等 军事领域：鱼雷与潜艇等水下装置的驱动，导弹发射与制导， 军事通讯与侦探，单兵武器等 未来能源、交通 讲 授 内 容 化学电源基础 表征化学电源的基本参数 典型化学电源体系简介 第一部分 化学电源基础电池分类 一次电池 二次电池 燃料电池 光电化学电池 液流电池 一次电池（原电池,Primary battery）：活性物质仅能使用一次的电池 活性物质：参与电池反应放出能量的物质 正极上使用的活性物质正极活性物质 负极上使用的活性物质负极活性物质 电能 充电 电能 电能 二次电池:放电后经充电可继续循环使用的电池 可充电池 蓄电池 Secondary Battery Rec
4、hargeable Battery 电池分类 电池分类 燃料电池 (fuel cell) 活性物质由 外部连续不 断地供给电 极的电池 电池分类 光电化学电池： (1) 染料吸收光被激发 DYE + h DYE* (6) e（ pt ）+ I3- 3I- (2) 激发态的染料分子将电子注入 TiO2的导带 DYE* - e DYE+ (3) 电子穿越纳米TiO2经导电玻璃 进入外电路 (4) 氧化态的染料被还原 DYE+ + I- DYE + I3- (5) 从外电路流回的电子将I3-还原 e + I3- I- 电池分类 液流电池： 多个电池模块通过一定的串、并联 方式实现目标输出功率（电流
5、X 电压） 电池电压：系统的模块 蓄电容量：电解质溶液储罐 （电解质溶液的浓度和体积） 电池结构 由正极、负极、隔膜、电解液、外壳等组成 正极、负极：由活性物质、导电剂（金属粉、碳粉)、粘结剂、 添加剂（如缓蚀剂等）及集流体构成 隔膜：将电池正、负极分隔开以防止两极直接接触而短路的无机 或有机膜 如石棉、玻璃毡、微孔聚丙烯、聚乙烯等 要求：极低的电子导电能力 高的离子传输能力 高的化学稳定性以及一定的机械强度 电解液：提供离子传导 要求：高的离子导电率 化学及电化学稳定性好 不易挥发且易于长期贮存 常见的电解液：水溶液、有机电解质溶液及固体电解质 电池结构 电极活性材料的选择 电池的理论容量
6、C0=26.8nm/M=m/K （Ah) 电池的理论比能量 W0= C0E （Wh) C0电池理论容量 ; n 电池反应中涉及的电子数; m参加电池反应的活性物质的质量； M活性物质的摩尔质量； K活性物质的电化学当量； W0电池的理论比能量； E电池电动势。 电极活性材料的选择 Most wants to reduce (gain electrons) Silver Copper Lead Nickel Zinc Aluminum Magnesium Sodium Potassium Lithium Most wants to oxidize (lose electrons) 正 极 负 极
7、 电极活性材料的选择 电池放电:正极发生还原反应，负极发生氧化反应 正极： P1 + ne P2 负极： N1 N2 + ne 总反应： P1 + N1 N2 + P2 电池反应 1800Voltaic pile: silver zinc 1836Daniell cell: copper zinc 1859Plant: rechargeable lead-acid cell 1868Leclanch: carbon zinc wet cell 1888Gassner: carbon zinc dry cell 1898Commercial flashlight, D cell 1899Jung
8、er: nickel cadmium cell 1946Neumann: sealed NiCd 1960sAlkaline, rechargeable NiCd 1970sLithium, sealed lead acid 1990Nickel metal hydride (NiMH) 1991Lithium ion 1995Lithium ion polymer 化学电源发展史 第二部分 表征化学电源的基本参数 1电池的电动势（electromotive force, E） 2电压（开路电压、工作电压、终止电压） 3电池的内阻 4放电率或放电电流 5电池的容量与比容量 6电池的能量与比能量
9、 7电池的自放电 8蓄电池的循环寿命 没有电流通过外电路时，正、负两极之间的电极电 势差，其大小是由电池反应的Gibbs自由能变化来决定。 由于Gibbs自由能的减小等于化学反应的最大有用功， 故电池的电动势也就是放电的极限电压，因此又称为“ 理论电压”。 电动势 开路电压（open circuit voltage, OCV）：无负荷情况下的电池 电压。只有可逆电池的开路电压才等于电池电动势，一般电池的开路 电压总小于电池的电动势。 例如：锌氧电池的电动势为1.646V，开路电压1.41.5V 原因: 氧在碱性溶液中无法建立热力学平衡电势（？） 电动的电动势由热力学数据计算而得 电池的开路电压
10、是实际测量值 电 压 工作电压（V）：又称放电电压或端电压 指有电流流过外电路时，电池两极之间的电位差。它随输出电流的 大小、放电深度和温度等变化而变化。电池的工作电压总低于开路电 势。 V = E - （+ + - + IR） 终止电压：电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电 压 电 压 电流通过电池时所受到的阻力 包括:欧姆内阻（R）和极化内阻（Rp） R = Rp + R 欧姆内阻（R）：由电极材料、电解液、隔膜的电阻及各部分 零件的接触电阻构成 减小欧姆内阻的途径: 缩短正负极间的距离; 增加隔膜离子导电能力; 使用高电导率电解液;降低电池的固相电阻 电池的内阻 极化内阻（R
11、p）：化学电源的正极与负极在进行电化学反应时发生 极化所引起的内阻。极化包括电化学极化和浓差极化 Rp= 影响因素: 电极材料、电池结构、制造工艺和工作电流大小等 降低极化内阻的方法: 采用多孔电极结构,以提高电极的表面积; 选择具有高交换电流密度的活性物质 电池的内阻 放电率：电池放电的速率，常用时率和倍率表示 时率：以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数 如:电池容量为30Ah，以3A电流放电 则时率为 ，称为10小时率放电； 放电倍率：指电池在规定时间内，放出其额定容量时所 输出的电流值。它在数值上等于额定容量的 倍数. 如:假定电池容量为3Ah,以2倍率放电 则电流为23=6A 换算
12、成小时率为：3Ah/6A= 0.5小时率 放电率或放电电流 电池的容量：在一定的放电条件下可以从电池获得的电量 单位：Ah（安培小时）或mAh（毫安小时） 容量与比容量 电池容量 理论容量 实际容量 额定容量 理论容量（C。）：假设活性物质全部参与电池反应所能给 出的电量。根据活性物质的重量按照法拉弟定律计算求得 法拉弟定律：1克当量的活性物质参与电池的成流反应，所释放的电量 为F，F=96500库仑或26.8Ah。 因此，理论容量 （n-反应电子数；m-质量，M-分子量） 比容量：单位重量或单位体积的电池所给出的容量 容量与比容量 重量比容量 （Ah/kg） 体积比容量 （Ah/L） 实际容
13、量（C）：在一定放电条件下，电池实际放出 的电量,与放电条件有关 恒电流放电时：C=It 恒电阻放电时： 实际比容量： 容量与比容量 额定容量（C额）：指设计和制造电池时，规定或保证电 池在一定的放电条件下应该放出的最 低限度的电量 容量与比容量 能量：指电池在一定的放电条件下对外做功所输出的电能 单位-Wh 理论能量：假设电池在放电过程中始终处于平衡状态，其放 电电压保持为电动势的数值，而且活性物质的利用率为100%，即 放电容量为理论容量。在此条件下电池所输出的能量为理论能量 W。 W。=C。*E 也就是可逆电池在恒温恒压下所作的最大功： W。=-G=nFE 实际能量：电池放电时实际输出的
14、能量 W=C实C平 能量与比能量 比能量：单位重量或单位体积的电池所给出的能量 重量比能量（Wh/kg）, 体积比能量（wh/L） 能量与比能量 典型电化学能源体系的理论比能量 大致分别属于3 个不同的“板块”: (1) 左下角用斜线标出的一板块中,电池体 系的理论比能量不超过500Wh/ kg ,平衡电 位不超过约2V ,常见的各种水溶液电池均 属此板块; (2) 左上方一块主要由各种Li 电池及若干 金属/ 空气电池组成, 其理论比能量从700 1000 起到6000Wh/ kg 以上, 其中Li/ F 电池的平衡电位高达6.06V ,而理论比能量 达6260Wh/ kg ,似乎是电化学能
15、源的上限. (3) 插图形式标出了理论比能量更高的 一族电化学电池体系.这些体系由于涉及气 体,需要按燃料电池或空气电池的形式工作 电池体系理论比能量W0 （Wh/Kg） 实际比能量W （Wh/Kg） W/ W0 (%) Cd/NiOOH214.340-6018.7-28 Pb/PbO2170.430-5017.6-29 碱性Zn/Mn27480-10029.2-36.5 Li/SOCl21460400-55027.4-37.7 Li ion*422130-15030.8-35.5 Zn/AgO487.5100-16020.5-32.8 能量与比能量 自放电：电池在开路时自动放电使电池容量降低
16、的现象 产生原因：电极在电液中处于热力学不稳定状态，各自发生了氧化 还原反应 如： 锌电极中的铁杂质加速锌电极自放电： 微阳极反应：Zn-2eZn2+ 微阴极反应（铁杂质上）：2H+2eH2 自放电率: 单位时间内容量降低的百分数,自放电大小 （C1 - C2 ）/t100% C1贮存前的容量，C2贮存后的容量，t-贮存时间（天、年、月） 电池的自放电 在一定的充放电条件下，电池容量降到 某一规定值前所经历的充能电次数 蓄电池的循环寿命 第三部分 典型化学电源体系简介 一次电池 二次电池 燃料电池 光电化学电池 液流电池 一次电池 Voltas battery (1800) Alessandro Volta 1745 - 1827 Paper moisturized w
