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1、徐仁2007.1.12,原理篇,目录,化学电源的定义及分类电池的基本原理铅酸蓄电池的基本原理,化学电源的定义和原理,定义 化学电源是一种把化学反应所释放出来的能量直接转换成低压直流电能的一种装置。,电能,e-,化学能,e-,工作原理 化学电源就是一个能源转换的装置。放电时，电池内的化学能转变成电能，并将电能供应给负载；充电时，外界的电能在电池内部转换成化学能并储存起来。基本组成 正极、负极、电解质(或电解液)、隔膜(或隔板)、外壳,化学电源的定义和原理,e-,SO42-,H+,SO42-,SO42-,SO42-,SO42-,Pb2+,H+,H+,H+,H+,H+,H+,安全阀,极 柱,电池盖,
2、电池槽,负极板,正极板,隔 板,按活性物质的保存方式分类活性物质保存在电极上 活性物质连续供给电极按电解质种类分类 碱性电池 酸性电池 中性电池 有机电解质电池按化学电源的工作原理及贮存方式分类原电池（一次电池） 蓄电池（二次电池）储备电池 燃料电池,化学电源的分类,电池的基本原理,1、电极电势产生及影响因素2、电池电动势（电压）3、电池的基本概念4、极化现象,电极电势的产生 （双电层模型）,表面电势： 电子逃逸金属表面,相间电势： 金属和其盐溶液间的电势。,Pb Pb2+(aq) + 2e,电极电势 就是由金属的表面电势和金属与溶液界面处的相间电势所组成。,活泼金属,不活泼金属,影响电极电位
3、的因素,（1）电对物种（电极材料） 各种不同的物质，有不同的标准电极电位。,（2）温度 电极电位的值随温度而有所变化，详细讨论，在下节中进行。,（3）浓度与电极电位的关系 能斯特方程式 对于任何一个电极反应： 式中： ：非标准状态下的电极电位 ：标准电极电位 Ox、Re：分别为氧化态和还原态物质的相对浓度（溶液中的物种）或相对分压（气态物种）,R,F分别表示气体常数和法拉第常数,x 氧化态物质(Mn+) + ne y 还原态物质(M),影响电极电位的因素,浓度与电极电位的关系,以铅酸蓄电池为例,正极：,负极：,电池电动势,电池正、负电极之间的电势差电池电动（E），用高阻抗的晶体管伏特计（电位差
4、计）可直接测量出 E。 没有带电粒子净转移时电池中各相间电势差之和。,电池电动势,铅酸蓄电池的电动势(E):,其中：,电池电动势,铅酸蓄电池的电动势(E):,若电池内硫酸浓度为1.25g/cm3时，电池的电动势为： E2.117V。,关于电池的基本概念,电压、电阻、电流容量电功、功率,电压是指所测两点之间的电势的差值，一般用U表示。电位为伏特(V),电压,e-,SO42-,H+,SO42-,SO42-,H+,H+,H+,H+,2.117,电压表,电动势,电压,导线电压降,相间电位,溶液电压降,电动势,电压,电压电动势相间电位外部压降内部压降,欲阻止电流通过,同时使电能转换为热能之性质,谓之电阻
5、。电位为欧姆()电阻的决定公式 ：,电阻,电导是用来衡量物质传输电流的能力，单位是西门子(S),另外,电阻,e-,SO42-,H+,SO42-,SO42-,H+,H+,H+,H+,Pb2+,电阻,欧姆内阻,电化学极化内阻,浓差极化内阻,电池内阻,电池内阻欧姆内阻电化学极化内阻浓差极化内阻,电流,单位时间流过（给定截面）电荷量即为电流。单位为安培(A),=n e l v,衡量化学反应快慢的量度,e-,SO42-,H+,SO42-,SO42-,H+,H+,H+,H+,电流,电极,e,e,e,e,Pb2+,SO42-,e,e,Pb2+,e,电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表
6、示。常用的单位为安培小时，简称安时(AH)或者(mAH)。常用的计算公式有Q=It。,容量,理论容量：法拉第定律计算得到额定容量：最低限制实际容量： Q=It,容量,e-,能量,在一定放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时(WH)。通常可分为理论能量和实际能量。 比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，是用于比较不同电池系统的，单位分别为Wh/kg或Wh/l,e-,SO42-,H+,SO42-,SO42-,H+,H+,H+,H+,能量,理论比能量W实实际比能量W理,功率,电池在一定放电制度下，于单位时间内所给出能量的大小，单位为瓦特(W)或千瓦(kW)。 单位质量电池所能给出的功
7、率称为比功率，单位为W/kg或kW/kg。它是电池的重要性能指标之一,电池的比能量和比功率性能是电池选型时的重要参数,使用寿命,在规定条件下，某电池的有效寿命期限称为该电池的使用寿命。,内部短路损坏容量达不到规范要求,使用期限：蓄电池可供使用的时间，包括蓄电池的存放时间。使用周期：蓄电池可供重复使用的次数。,极化,当电极上无电流通过时，电极处于平衡状态，在有电流通过时，随着电极上电流密度的增加，电极电势值对平衡值的偏离也愈来愈大，这种对平衡电势的偏离称为电极的极化。,极化,在一定的电流密度下，实际电极电势与可逆电极电势差值的绝对值 超电势： = | E电极(实际) - E电极(可逆) | 0
8、，电极极化程度 正值实验表明： 阳极极化使阳极实际电势比平衡电势更正 阴极极化使阴极实际电势比平衡电势更负,以 i 对E电极(实际) 作图 极化曲线,阳极极化曲线,阴极极化曲线,阳 = E阳,实 E阳,平 阴 = E阴,平- E阴,实,电解池原则：阳极极化曲线： i，E电极 向正向移动 阴极极化曲线： i，E电极 向负向移动电解池：U分 = E可逆+ E不可逆 + IR E可逆+ E不可逆 E不可逆 = 阳 + 阴E可逆 = E+,平- E-,平= E阳,平- E阴,平 U分 = E阳,平- E阴,平+阳 + 阴 = E阳- E阴,E,i,阳,阴 U分 E可逆,原电池：U端 = E可逆 -E不
9、可逆 +IR E可逆 -E不可逆 E不可逆 = 阳 + 阴E可逆 = E+,平- E-,平 = E阴,平- E阳,平U端 = E阴,平- E阳,平 -阳 -阴 = E阴- E阳,E,i,阳,阴 U端 E可逆,有极化存在 电解池：消耗更多电功 原电池：输出更少电功 极化耗更多能量,极化种类,1、电阻极化2、浓差极化3、电化学极化,电阻极化,克服导体电阻需要消耗电能 电阻= IR I， R = R极板 + R电解液 氧化膜，吸附层等,浓差极化,在电解过程中，电极附近某离子浓度由于电极反应而发生变化，本体溶液中离子扩散的速度又赶不上弥补这个变化，就导致电极附近溶液的浓度与本体溶液间有一个浓度差别，这
10、种浓度差别引起的电极电势的改变称为浓差极化。,电极,溶液,Pb2+,SO42-,原因：作用物或产物的扩散速率小 表面浓度本体浓度 作用物：表面浓度 本体浓度 可逆电极反应：阴极(析出)反应： cs c0,cs,c0,Mez+ + ze- = Me,浓差的大小取决于扩散层两侧的浓度差大小 搅拌可以降低浓差,电化学极化,电极反应总是分若干步进行，若其中一步反应速率较慢，需要较高的活化能，为了使电极反应顺利进行所额外施加的电压称为电化学超电势（亦称为活化超电势），这种极化现象称为电化学极化。,电极,溶液,e,SO42-,消耗电能获取,电化学极化,电极反应表观超电势为三者之和: =电阻 +浓差 +电化
11、,产生电化学极化,电化学反应或电化,(电)化学反应需要活化能,铅酸蓄电池工作原理,e电池结构e工作原理e密封原理e VRLA的优点e充放电特性,工作原理Working Mechanism,双极硫酸盐化理论,PbSO4,Pb,PbO2,放,电,负极,正极,放,电,副反应Side Reaction,正极：H2O 2e 2H+ + 1/2O2 （充电达70%时） 负极：2H+ + 2e H2 （充电达90%时） 总反应： H2O H2 +1/2 O2,充电效率,时间(h),密封原理Obturation Mechanism,正极,H2O,O2,(O2),Pb,PbSO4,PbO,（H2O1/2O2H2
12、O）,负极,扩散,反应,+,氧循环原理图(Gas Recombination),高孔隙率的AGM隔板为O2复合提供通道电池极群的紧装配：预压缩技术装配压在 4060KPa过量的负极活性物质：正负极板容量比为 1:1.11:1.2高纯度的无锑板栅合金：提高析氢过电位开、闭压可靠的安全阀： 开阀压：315KPa， 闭阀压：1035KPa恒流限压的充电方式,密封实现 Obturation Realization,高孔隙率 预压缩技术 4060KPa 1:1.11:1.2高纯度 无锑 315KPa 1035KPa恒流限压,VRLA的优点Advantage,在电池整个使用寿命期间，无需补加水，调整酸比重
13、等，具有“免维护”的功能不漏液、无酸雾、不腐蚀设备自放电小，25下自放电率小于2（每月）电池寿命长，25下浮充状态使用可达1015年,结构紧凑，放置方便（竖放、卧放），占地面积小电池的高低温性能较好，可在4065范围内使用没有“记忆效应”（指浅循环工作时容量损失）比能量较高，大电流放电性能好,VRLA电池与防酸隔爆式(GF)电池的比较,GF电池的缺点流动电解液；不密封；充放电时析出酸雾，污染环 境及腐蚀设备；需经常补加酸和水；不能卧放；占地面积大，须与通讯设备 开关电源隔离放置。,充放电特性Discharge & Recharge,i充电特性i放电特性及放电终止电压i自放电特性i电池内阻和短路电流i浮充电压、均充电压、容量、以及寿命与温度的关系,充电特性Recharge,时间(h),A,B,C,D,E,F,G,O,放电特性Discharge,不同电流下的终止电压Terminal Voltage in Different Amperes,终止电压：指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。,p大电流放电，电池极化大，活性物质不能得到充分利用，由于极化和内阻的存在，电池的端电压低，电压降损失增加，电池电压下降较快,也影响容量。p小电流长时间连续放电时，将形成较致密的硫酸铅层，容易使极板增长造成极板上活性物质变形，所以小电流放电时应将终止电压设定较高点以保护电池。,
