化学电源设计理论基础及设计过程

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1、第二章 化学电源设计理论基础及设计过程 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程目 录2.0 平行 电极2.1 化学电源 中的电传导2.2 法拉第定律及其应用2.3 电化学热力学基础2.4 电化学动力学基础2.5 电池设计中的表界面现象与应用2.6 电池组合原理2.7 电池设计的终极目标与实现2.8 电池设计的基本程序2.9 电池设计前的准备2.10 电池设计的一般步骤 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程化学电源设计 ：寻求 使化学电源能最大限度地满足用电器具技术要求的过程。 化学

2、电源设计与制造工艺学 -第一章 绪论化学电源设计分类：原电池设计蓄电池设计单体电池设计：实现构成化学电源基本单元的设计过程。电池组设计：实现多个单体电池组合的设计过程。按不同设计内容：研究开发性设计产品更新换代设计工艺优化设计 化学电源设计概述 化学电源设计与制造工艺学 -第一章 绪论化学电源设计需解决的主要问题：(1)在允许的尺寸质量范围内进行结构和工艺设计，使其尽可能地满足用电器具的 要求（移动电子、穿戴设备、 EV）；(2)寻找可行和尽可能简单方便的工艺；(3)尽量降低成本；(4)在条件允许的情况下，尽量提高产品的技术性能；(5)尽量克服和解决环境污染的问题，以满足清洁生产的要求。 化学

3、电源设计概述 化学电源设计与制造工艺学 -第一章 绪论化学电源设计定位：尽可能地满足最大限度地满足一般满足化学电源设计评价：产品均匀率成品率生产效率2.0 平行电场原理化学电源设计 ：满足物理概念上的平行电极要求。 化学电源设计与制造工艺学 -第一章 绪论 等势线 -等 流线极片间电势分布2.1 化学电源中的电传导电池在实现能量转换过程中的电传导既有电池内部固相（电极）的 电子导电过程 （多数情况下电子导电过程由电极的集流体来完成），又有 电解质溶液的离子导电过程 。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程电解质溶液离子导电过程相关 理论

4、（溶液化学）电解质溶液：离子键化合物（强电解质）共价键化合物（弱电解质）离子的水化作用水的离子积难溶电解质的溶度积同离子效应电解质溶液的电导率离子在溶液中的运动扩散和电迁移电解质离子的活度与活度系数2.2 法拉第定律及其应用法拉第定律：电解过程中电荷量与物质量的关系（ 1）电流通过电解质溶液时，在电极上发生电化学反应的物质的量与通过的电量成正比。（ 2）当以相同的电流通过一系列串联的电解池时，在各电极上发生化学变化的基本单元物质的量相等。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程m=MQ/nF=M/nFQ式中： m为电极上发生反应的物质的质

5、量， g;M为反应物的摩尔质量， g/mol;Q为通过的电量， Ah;n为得失电子数；F为法拉第常数， 26.8Ah 。电化学工业应用最广泛的定律2.2 法拉第定律及其应用电流效率（电量效率）用于发生所需反应的电量占通过电极总电量的比。二次电池充电时的电量（流）效率（充电效率 ）：用于转化活性物质的电量或活性物质转化量与通过电极的总电量或理论上活性物质的转化量之比的百分数。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程由于两极活性物质性质的不同，导致开始析氧或析氢时的充电深度不同，即到达开始析氧、析氢的时间不同。如铅酸电池，当正极充电深度约为

6、70%时开始析氧，而负极充电深度约为 90%时开始析氢。利用此特征设计出 负极过剩式 密封铅酸电池。(a) Discharge curves for a typical lead-acid cell at various rates(b) Chargin curve for the lead-acid cell at C/10 图 3-3铅酸 电池充 放 电曲线2.2 法拉第定律及其应用电池放电时的电量效率（活性物质的利用率 /放电效率 ）：电池实际放出的电量与电池内活性物质理论上应放出的电量之比。其表达了活性物质被利用的程度，即活性物质利用率。活性物质利用率的高低是衡量电池设计、生产技术水平

7、与管理水平的重要指标。在规定的放电条件下，电池的实际放电容量取决于电极活性物质的数量与其利用率。在电池设计中，合理选定 正极、负极活性物质的利用率 是电池设计的关键参数之一。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程2.2 法拉第定律及其应用法拉第定律在容量设计中的 应用 （限制性物质）在电池设计时，要满足电池能够达到所规定的放电条件下的放电容量的值，就必须合理选定活性物质的利用率，以确定合理的理论容量值，进而确定合理的活性物质的用量。电池的实际容量取决于放电实际容量小的那一个电极，而另一个电极则有过剩的容量未被放出。通常把决定电池容量的电

8、极叫电池容量的 限制性电极 （一般多为正极），而另一电极则被称为电池容量的非 限制性电极 （多为负极）。限制电极与非限制电极的容量之比（容量比）的合理性是电池设计优劣的重要评价指标之一。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程2.2 法拉第定律及其应用法拉第定律在电池串联组合中的 应用 （电池一致性 ）在电池的串联使用或串联的单体电池构成电池组使用时，依据法拉第定律，单位时间内每一个单体电池以及每一个电极上所通过的电量是相等的，如果单体电池之间容量不同，或某一单体电池中电极容量与其他单体电池的电极容量不同，那么该串联电路中组合电池所能放出

9、的电量取决于容量小的电池，而且 可能导致容量较小的电池的过放电 ，引起气胀、漏液等不良现象的发生，进而影响到组合电池的使用效果，乃至报废。选择 容量（含其它性能）一致 的单体电池进行串联组合，是保证单体电池串联使用或串联的单体电池构成高开路电压的电池（组）的基本要求 。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程2.2 法拉第定律及其应用法拉第定律在电池串联组合中的 应用 （电池一致性 ）在电池生产工艺中，电极片的质量一致（ 质量分容 ）及单体电池的容量一致（ 容量分容 ）是构成串联电池组合使用的基础。反映电池一致性的技术指标是 电池的均匀率

10、。注：在使用电池时，相同规格型号、相同系列的新旧电池不能混用，同规格型号但不同系列的电池 不能混用，均是法拉第定律的要求。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程2.3 电化学热力学基础利用电化学热力学原理来分析电池性质是电池设计的热力学基础。可逆电池 ： 电池的可逆性包括电池中的化学变化是可逆的，电池能量的转化是可逆的；可逆电池的电量来源于化学反应；原电池电动势的温度系数；电动势与反应物活度之间的关系。可逆电极 ： 电极的可逆性（在热力学平衡条件下工作，电荷交换与物质交换都处于平衡的电极，即平衡电极）；可逆电极电位（平衡电极电位 /平衡

11、电位）；标准电化序（把标准电极电位按数值大小从负到正排成的次序表称为标准电化序或标准电位序）。电位 pH图 ： 利用电位 pH图可以分析铅蓄电池自放电的可能性。注意其是纯理论的，在实际应用中存在局限性。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程2.4 电化学动力学基础不可逆的电极过程电极极化：电流通过电极时电极电位偏离平衡电位的现象（电化学极化，浓差极化）金属的阳极过程（通电时金属的阳极过程、金属的自溶解过程）对于电池而言，负极放电过程为阳极正常溶解过程，负极自放电为自溶解过程。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源

12、设计 理 论 基 础 及 设计过程2.5 电池设计中的表界面现象与应用表界面的含义与分类物理表面（理想表面、清洁表面、吸附表面）材料表面（机械作用界面、化学作用界面、固体黏合界面、黏结界面、焊结界面、粉末冶金界面、凝固共生界面、液相或气相学和界面）以上不同的材料表面在电池中均有体现。液体表面固体表面高分散体系的表面能固液界面现象电极 /溶液界面的双电层现象 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程2.6 电池组合原理电池组合：按较高电压或较大电流的要求，将若干个单体电池通过串联、并联或复联（串并联）起来。如：铅酸电池、镉镍电池通常是通过复联

13、的形式来提高工作电压，达到输出高功率、大容量的目的。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程电池的串联：串联电池组对单体电池的基本要求是容量一致和内阻一致。电池的并联：并联电池组实现性能稳定的基本要求是单体电池的容量一致、电压一致、内阻一致。电池的复联：组合的电池数越多，电池组的可靠性越差。2.7 电池设计的终极目标与实现电池设计的终极目标：最低的制造成本和最优的电池性能，即 实现物质效用的最大化 。合理的设计是电池性能和其成本之间的一种平衡。实现电池设计的终极目标方法： 提高生产效率和投料的有效利用 ，实现化学能最大限度地向电能转化，即

14、投入电池内部每一个活性材料分子尽可能地均参与电化学反应，实现宏观与微观的统一。 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程2.7 电池设计的终极目标与实现 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程电池设计的内容：工艺设计、工艺计算、结构设计等。工艺设计 ：材料选择与工艺方式的选择与实现、工艺流程（投料顺序）与前后工序间的合理衔接以及确定工艺与工装设备之间的关系等。工艺计算 ：工艺参数与工艺配方的确定、物料恒算以及不同工序间的合理配置等。结构设计 ：电池各组成部分结构设计及其排列方式等。对于

15、大多数常规电池而言，电池生产工艺方式、工艺流程、电池结构、工装设备、电池材料与配件等都是定型或基本定型的，所以电池设计过程侧重在工艺计算上。2.7 电池设计的终极目标与实现 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程合理的无效投料 ：通常是必需的，如：为保证电池的放电容量，非限制电极活性物质的合理过剩以及限制电极中未被完全利用的活性物质等。不合理的无效投料 ：是在已保证电池正常要求的情况下的过剩投料，如过多的电液量、过多的活性物质，过剩、过厚的电池壳体与隔离层等。不合理投料一方面增加电池的投料成本，另一方面还可能影响到电池生产及电池性能。有效投料与无效投料2.8 电池设计的基本程序电池设计的基本程序：（ 1）综合分析（ 2）性能设计（ 3）结构设计（ 4）安全性设计 化学 电 源 设计 与制造工 艺 学 -第二章化学 电 源 设计 理 论 基 础 及 设计过程2.8 电池设计的基本程序（ 1）综合分析其一，用电器具所要求的主要技术指标，包括： 工作方式 （是连续的还是间歇的、是固定的还是移动的）、工作电压、电压精度、工作电流、工作时间、机械载荷、使用寿命、工作环境条件（压力与 温度范围 ）等。其二，设计电池所能达到的技术水平与制造成本。综合分析主要应考虑在用电器具要