第一部分动力电池讲解

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1、电池的分类依外形区分圆柱形 例：1 号/2 号/5 号/7 号等，部分锂电池。钮扣形 例：水银电池，适用于电子表、助听器等。 方形 例：9V 电池，适用于无线麦克风、玩具等。 薄片形 例：太阳能电池板，适用于计算机、户外建物。依使用次数区分一次电池：用完即丢，无法重复使用者，如：碳锌电池、碱性电池、水银电池、锂电池。二次电池：可充电重复使用者，如：镍镉充电电池、镍氢充电电池、锂充电电池、铅酸电池、太阳能电池。电池发展史电池的诞生，基于人们对于获取持续而稳定的电流的需要。不过，电池的发明，是来源于一次青蛙的解剖实验所产生的灵感，多少有些偶然。1780 年的一天，意大利解剖学家伽伐尼（Luigi

2、Galvani）在做青蛙解剖时，两手分别拿着不同的金属器械，无意中同时碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到电流的刺激，而如果只用一种金属器械去触动青蛙，就无此种反应。伽伐尼认为，出现这种现像是因为动物躯体内部产生的一种电，他称之为“生物电”。伽伐尼的发现引起了物理学家们的极大兴趣，他们竞相重复伽伐尼的实验，企图找到一种产生电流的方法。而意大利物理学家伏特（Alessandro Volta）在多次实验后则认为：青蛙的肌肉之所以能产生电流，大概是肌肉中某种液体在起作用。为了论证自己的观点，伏特把两种不同的金属片浸在各种溶液中进行试验。结果发现，这两种金属片中，只要有一种与溶液发

3、生了化学反应，金属片之间就能够产生电流。1799 年，伏特成功制成了世界上第一个电池“伏特电堆”。这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。湿电池的诞生在十八世纪发电机诞生之前（发电机于十八世纪 70 年代诞生并得到完善） ，1836 年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良，又陆续有效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等。Daniell 电池（另有三个别名：因锌电极的典型形状而得名的“Crowfoot 电池” ，因重力使两种硫酸盐分开而得名的“重力电池” ，以及因为使用液体电解质而得名的“湿电池” ，它与现代“干电池”正相反）是极为普遍的电报和门铃供电装置。Daniell 电池是由铜极板和锌

4、极板以及硫酸铜和硫酸锌组成的湿电池。 要制作 Daniell 电池，将铜极板置于玻璃瓶的底部。向铜极板上倒入半瓶硫酸铜溶液。然后将锌极板悬于瓶中（如图所示） ，并慢慢将硫酸锌溶液倒入瓶中。由于硫酸铜的密度大于硫酸锌，因此硫酸锌将“悬浮于”硫酸铜之上。显而易见，这种方法在搬运电池时会有较大危险性，但对于固定设备却比较适合。 干电池的诞生干电池的鼻祖在 19 世纪中期诞生。1860 年，法国的雷克兰士（George Leclanche）发明了碳锌电池，这种电池更容易制造，且最初潮湿水性的电解液，逐渐被黏浊状类似糨糊的方式取代，于是装在容器内时，“干”性的电池出现了。1887 年，英国人赫勒森（Wi

5、lhelm Hellesen）发明了最早的干电池。相对于液体电池而言，干电池的电解液为糊状，不会溢漏，便于携带，因此获得了广泛应用。如今，干电池已经发展成为一个庞大的家族，种类达 100 多种。常见的有普通锌-锰干电池、碱性锌-锰干电池、镁-锰干电池等。不过，最早发明的碳锌电池依然是现代干电池中产量最大的电池。在干电池技术的不断发展过程中，新的问题又出现了。人们发现，干电池尽管使用方便、价格低廉，但用完即废，无法重新利用。另外，由于以金属为原料容易造成原材料浪费，废弃电池还会造成环境污染。于是，能够经过多次充电放电循环，反复使用的蓄电池成为新的方向。 事实上，蓄电池的最早发明同样可以追溯到 1

6、860 年。当年，法国人普朗泰（Gaston Plante）发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是，当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。因为这种电池能充电，并可反复使用，所以称它为“蓄电池”。 1890 年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，1910 年可充电的铁镍电池商业化生产。如今，充电电池的种类越来越丰富，形式也越来越多样，从最早的铅蓄电池，铅晶蓄电池，到铁镍蓄电池以及银锌蓄电池，发展到铅酸蓄电池、太阳能电池以及锂电池等等。与此同时，蓄电池的应用领域越来越广，电容越来越大，性能越来越稳定，充电越来越便捷。锂电池的产生在电池这个领域，锂离子电池和燃料电池成为

7、最令人瞩目的明星。其实整个电池的发展史也可以说是一个“试试各种金属能不能造电池”的历史。现在电池界最红的金属是“锂”。锂是所有金属里最轻的，比水还轻，而且特别活泼，需要保存在石蜡里。实际上，当初爱迪生就曾经发明过锂电池，但是由于锂金属的化学特性非常活泼，使得锂金属的加工、保存、使用，对环境要求非常高，所以锂电池长期没有得到应用。现在，人们对电池“求贤若渴”，这些问题也就不是问题了。恰好锂电池具有能量重量比高、电压高、自放电小、可长时间存放等优点，所以它在近 30 年中取得了巨大发展。我们用的计算机、计算器、照相机、手表中的电池都是锂电池。锂电池组装完成后电池即有电压，不需充电。这种电池也可以充

8、电，但循环性能不好，在充放电循环过程中，容易形成锂枝晶（记忆效应），造成电池内部短路，所以一般情况下这种电池是禁止充电的。后来，索尼公司发明了以炭材料（石墨）为负极，以含锂的化合物做正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池的优势十分明显：工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长。锂离子电池通过锂离子在正负极之间跑来跑去来充电和放电。这个领域最牛的技术是“层迭电池结构”，也就是把好多个电池做成很薄的层然后迭在一起，这样可以用很小的体积达到很高的效率。所以，锂离子电池被广泛应用于汽车、笔记本、手机等行业。1600 年 Gil

9、bert（美国）建立对电池的研究基础。1791 年 Gavani（意大利）提出“动物电”学说。1800 年 Volta（意大利）制成了闻名当且沿袭至今的“伏打电堆”并介绍锌银电池堆。1831 年 Farate（英国）宣布法拉第定律。1836 年 Danide（英国）发明丹尼尔电池。1840 年 Armstrong（英国）发明水力发电机。1842 年 W.R.grove 创制了氢氧燃料电池。1859 年 Plante（英国）发明铅酸电池 1870 年采用西门子发电机将铅酸电池改为二次电池。1866 年 Siemen（德国）对发电机进行改革。1868 年 Leclanche（法国）研制成功 Z-M

10、nO2 电池并于 1876 年用树脂作粘结剂改进原电池。1888 年 Gassner（美国）发明糊式勒克谢电池，其结构形式沿用至今。1889 年 Jungner（瑞典）二次 Z-Ag 电池。1898 年 Jungner（瑞典）发明 Cd-Ni 碱性蓄电池。1900 年 Jungner（瑞典）碱性 Z-MnO2 电池研制成功。1901 年 Jungner（瑞典）与 Edison（美国）合作发明 Fe-Ni 碱性蓄电池。1901 年 Michaelowski（俄罗斯）发明 Z-Ni 电池。1930 年 Drumm（爱尔兰）首先制备出实用的 Z-Ni 电池。1932 年 Ackermann（德国）发

11、明了烧结式电极板。(主要是镍镉)1939 年1941 年前苏联科学院院士 A.H.PYMKUH 研制成第一只实用型“氢氧燃料电池” 。1947 年 Neumann（法国）成功研制成密封式 Cd-Ni 电池。1950 年前苏联、法、德 烧结式开口 Cd-Ni 电池开始生产、碱性 MnO2 电池商品化。1960S 美、前苏联 研制成氢-镍电池。1970S（美国）Li-SOCL2、Li-SO2 在美国军事及宇宙飞船上应用。1984 年（荷兰）飞立浦公司解决了 LaNi5 合金在充放电过程中的容量衰减问题，拉开了MH-Ni 电池开发热潮。1990 年（日本）日本索尼公司宣布制成了锂离子蓄电池并于 19

12、92 年商品化。1994 年（美国）美国 Bellcore 公司宣布研制成功聚合物锂离子电池。二、电池工作原理电池实际上是一个由大量可以生成电子的化学物质组成的装置，生成电子的化学反应称为“电化学反应” 。本章节从电池的基本工作原理、电池内部发生的实际化学反应、电池未来的发展前景以及可能会取代电池的能量源等方面对电池进行介绍。 如果你留意一下电池，便会发现它有两个端子。一个端子标记为（+） （正极） ，另一个端子标记为（-） （负极） 。在 AA 型、C 型或 D 型电池（普通的手电筒电池）中，电池的两端便是端子。在大型的汽车蓄电池中，有两个较重的极柱用作端子。 电子聚集在电池的负极端子，如果

13、在负极端子和正极端子之间连接一根金属线，电子便会从负极端子迅速流向正极端子（并且会瞬间击坏电池这种情况通常比较危险，尤其对于大型电池更是如此，因此切勿执行此操作） 。通常情况下，应使用金属线将某种类型的负载连接到电池，负载可以是灯泡、电动机或类似无线电这样的电路。 电池内部的化学反应可生成电子，两个端子之间流动的电子数量取决于此化学反应生成电子的速度（电池的内部电阻） 。电子从电池流入金属线，并且必须从负极端子流向正极端子才会发生化学反应。这就是电池在闲置一年以后仍具有大量能量的原因除非电子从负极端子流向正极端子，否则将不会发生化学反应。当连接金属线后，将开始发生化学反应。 1800 年，Al

14、essandro Volta（伏特）发明了第一块电池。为了制作这块电池，他将锌片、用盐水浸泡过的吸墨纸和银片交替堆叠在一起，如图所示： （伏打电堆 图示）这种结构称为伏打电堆。伏打电堆的顶层和底层必须是不同的金属，如图所示。如果用一根金属线将伏打电堆的顶部和底部连接在一起，便可以从电堆中测量到电压和电流。电堆的高度不受限制，每增加一层都会使电压按固定值递增。 假设有一瓶硫酸（H2SO4） ，将锌棒放入其中后，硫酸会立即将锌棒溶解。随后会看到锌棒上生成了氢气气泡，此时锌棒和硫酸将开始变热。下面介绍了所发生的化学反应： 硫酸分子离解为三个离子：两个 H+离子和一个 SO4-离子。 锌棒表面上的锌原

15、子失去两个电子（2e-） ，变为 Zn+ 离子。 Zn+离子与 SO4-离子结合生成 ZnSO4，后者溶解于硫酸。 锌原子失去的电子与硫酸中的氢离子结合生成 H2 分子（氢气） 。因此我们看到锌棒上产生了氢气泡。 如果此时将一根碳棒放入硫酸中，则硫酸与碳棒之间不会发生任何反应。但如果在锌棒与碳棒之间连接一根金属线，则将发生两个变化： 电子流经金属线并与碳棒上的氢结合，因此碳棒上开始产生氢气泡。 热量已经减少。可以使用流经金属线的电子为电灯泡或相似负载供电，并可以测量金属线的电压和电流，而某些热能已转化为电子移动。 而电子很难移动到碳棒，因为它们更容易与碳棒上的氢结合。该电池将产生 0.76 伏

16、的特征电压。最终，锌棒将完全溶解，或硫酸中的氢离子被耗光，从而使电池“耗尽” 。动力电池的评价条件在电动汽车上,电池系统是一项关键核心的部件.特别是在纯电动汽车上,蓄电池作为唯一的动力源尤为重要.处于实际运行的需要,电动汽车对电池的性能提出了一定的要求,主要包括:(1)能量密度高,以提高运行效率和续航里程(2)输出功率密度高,以满足驾驶性的要求(3)工作温度范围宽广,以满足夏季高温和冬季低温的运行需要(-40+50)(4)循环寿命长，保证电池的使用年限和行驶总里程；(5)无记忆效应，以满足车辆在使用的时候常处于非完全放电状态下的充电需要(6)自放电率小，满足车辆较长时间的搁置需求。(7)此外，还要求电池的安全性好、可靠性高以及可循环利用等。（1） 什么是比能量?比能量指的是单位重量或单位体积的能量。比能量用 Wh/kg 或 Wh/L来表示。Wh 是能量的单位，W 是瓦、h 是小时；kg 是千克(重量单位)，L 是升(体积单位)。小体积（小质量）大能量是发展趋势。（2）