第一章 化学电源基础-2

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1.4.1 电压
（2）额定电压
也称标称电压，指某电池开路电压的最低值（保证值），或者说是在规 定条件下电池工作的标准电压。
（3）工作电压 指电池接通负荷后在放电过程中显示的电压，又称负荷（载）电压或放 电电压。在电池放电初始的电压称为初始电压。 由于电流通过电池回路时使电极产生电极极化和欧姆极化，这时的工作 电压总是低于电动势。即：
另查表可知：
(PbO
2 /PbSO4 )
1.685V
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- (PbSO4 /Pb)
0.355V
1.4.4 电池的能量和比能量
因此：
E 2.04V
+ -
从而，642.6克 反应பைடு நூலகம்在理论上所能产生的电能为：
W理 = 53.6×2.04 = Q理· E =109.3 Wh

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A 电池的电压随时间变化的曲线
正极极化曲线 负极极化曲线
1.4.2 电池的内阻
电池的内阻：电流通过电池内部时受到的阻力称为电池内阻，包括欧姆 内阻（RW）和极化内阻（Rf）两部分。
R内 =R W +R f
（1）欧姆内阻：主要是由电极材料、电解液、隔膜的电阻及各部分零件的 接触电阻组成。欧姆电阻遵守欧姆定律。 （2）极化电阻：指化学电源的正极与负极在电化学反应进行时由于极化所 引起的内阻。它包括由于电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和。极化 内阻与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关，尤其是与电 池的工作条件密切相关，放电电流和温度对其影响很大。 （3）比内阻：单位容量电池的内阻
V放 IR

， 分别为电流通过正，负极时的电极电势，I 为电池的工作电流，R
3
为电池内阻。
1.4.1 电压
影响工作电压的因素： （1）放电时间 一般放电时间长，电压低 （2）放电流密度 （3）放电深度 一般放电流密度大，电压低 一般放电深度低，电压低
若在指定负载和温度下 放电时，把电池的电压随时 间的变化作图，就可以得到 电池的放电曲线。
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温度对锌－氧化汞电池容量的影响
1.4.3 电池的容量
由右图可知，随电流密度的提高， 电池的容量下降。这是由于当电流 密度上升时，导致电极极化增加， 消耗在欧姆内阻上的能量也增加， 使电池的容量下降，活性物质的利 用率降低。
铅酸电池的容量与放电电流密度的关系
活性物质的利用率取决于电池的结构、制造工艺和放电制度。采用薄型 电极和多孔电极，以及减少电池内阻，均可提高活性物质的利用率，从而提 高电池实际输出的容量，降低电池成本
m
MQ nF
其中，m 为电极上发生反应的物质的质量，g；M 为反应物的摩尔质量， gmol-1；Q 为通过的电量，Ah；n 是在电极反应式中的电子计量系数；F 为 法拉第常熟（约 96500 Cmol-1 或 26.8 Ahmol-1）
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1.4.3 电池的容量
以上法拉第定律也可写为：
C0 Fn
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1.4.4 电池的能量和比能量
下面以铅酸电池为例说明理论比能量的计算：
电池的总反应：
Pb PbO2 2H 2 SO4 2PbSO4 2H 2O
参加反应的总物质：
M=207.2（Pb）＋239.2(PbO2)＋2×98.08(H2SO4) = 642.6 g 该反应能产生两个法拉第的电量，如果 642.6克反应物质都能全部反应， 则就能产生 2×26.8=53.6Ah 的电量。
C C质 = ( Ah Kg 1 ) G C C体 = ( Ah L1 ) V
其中，C 为电池的容量；G 和 V 分别表示电池的质量和体积。
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1.4.3 电池的容量
电池的实际容量主要与电池的正、负极活性物质的数量及利用率有关， 而活性物质利用率主要受放电制度、电极结构（包括电极高宽比例、厚度 、孔隙率以及导电栅网的形式）和制造工艺等因素影响。 （1）放电制度：电池放电时所规定的各种条件，主要包括放电形式、放电 速率（电流）、终止电压和温度等。
第一章 化学电源基础
& 1.1 化学电源概述 & 1.2 化学电源的组成 & 1.3 化学电源的工作原理 & 1.4 化学电源的性能
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1.4.1 电压
（1）开路电压
电池的开路电压是指在开路状态下（几乎没有电流通过时），电池两极 之间的电势差 电池开路电 压与电动势 是否一致？ 开
V =
13.5/20=67.5%
1.4.3 电池的容量
活性物质利用率的高低与以下因素有关： （1）与其本身的活性物质有关，自身的活性高，利用率就高 （2）与放电机制有关，（即与放电电流密度有关） （3）与电池的结构有关 （4）与放电深度有关
由左图可看出，温度降低，电池的容量 下降，这是由于当温度下降时造成了： 1. 反应物扩散困难； 2. 电解液内阻增大，电极易钝化。
当衡量电池的电压特性时，常用平均工作电压来表示：
V平
V
1
n
i
N
5
Ni 测定电压的次数
1.4.1 电压
分别表示正、负极的过电位，则电池的工作 我们知道，若用 、 电压也可表示为：
V E电动势 IR
对原电池的电压－电流特性与电极极化曲线，欧姆电压降的关系可用 下图表示：
R'内 =
R内 C
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式中，R 内 为电池电阻，W；C 为电池容量，A· h
1.4.3 电池的容量
电池的容量是指电池放电时所能给出的电量（AH)。电池的容量通常 分为： 1. 理论容量：假设活性物质全部参加电池的成流反应所能提供的电量，可 依据活性物质的质量按照法拉第定律计算求得。 法拉第定律：电流通过电解质溶液时，在电极上发生化学反应的物质的量与 通过的电量成正比；当以相同电流通过一些列含有不同电解质溶液的串联电 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。
不同的电池类型及不同的放电条件，对电池的容量和寿命的要求也不同 ，因为规定电池放电的终止电压也不同。一般来说，在低温或大电流（高 倍率）放电时，终止电压可规定得低些。 为什么低温大 电流放电时， 终止电压较低？
几种常用电池放电时的终止电压
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1.4.4 电池的能量和比能量
电池的能量：指电池在一定的放电制度下，电池所能输出的电能，通常 用 W· h 表示。电池的能量分为理论能量和实际能量。 （1）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 持电动势（E）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，则在此条件下电池所输出的能量，即
电池的开路电压取决于电池正负极材料的本性、电解质和温度条件等， 而与电池的几何结构与尺寸大小无关。 电池的开路电压一般要用高内阻电压表来测量。如果电压表的内阻不大 ，譬如说只有 1000WV-1 ，即表示电压表上若有1V 的读数，就有约 1mA 的电流通过被测量的电池，对于微小型电池来说，足以引起电极的极化， 因此在实验测量中通常可以观察到电压表上的读数在逐渐下降，得不到正 确的结果。
（a）放电形式：
恒流放电：放电过程中保持放电电流为定值 恒阻放电：放电过程中保持负载电阻为定值 连续放电：在规定的放电条件下，连续放电至终止电压 间歇放电：在规定的放电条件下，放电若干时间后，中断一定的时间， 而后再继续放电，如此反复进行多次，直到所规定的终止电压为止
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1.4.3 电池的容量
（2）放电电流：指电池放电时的电流大小。通常用放电率表示，放电率是 指电池放电时的速率，常用时率和倍率表示。 时率：也称小时率，以放电时间（h）表示的放电速率，即以一定的放 电电流放完额定容量所需的时间，常用 C/n 表示，其中 C 为额定容量， n 放电电流。
m 1 m M K M K Fn
其中，C0 是电池理论容量；K 称为电化当量， gA-1h-1 ，是指通过 1Ah 电量时 电极上析出或溶解物质的量，或是获得 1Ah 电量所需活性物质的质量。其倒数 （单位为 ，Ahg-1 ）指每克物质理论上给出的电量，也称为电化当量。 （1）电化当量越小，理论容量越大 （2）分子量越小、电极反应中化合价变化越大的活性物质，电化当量越小
设质量比能量为X，则
642.6:109.3=1000:X X=170.2 W· h· kg-1
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1.4.4 电池的能量和比能量
一些电池的理论比能量和实际比能量
电池
铅酸 Cd–Ni Fe–Ni
电池反应
Pb PbO2 2 H 2 SO4 2 PbSO4 2 H 2 O
电动势 （V）
2.104
倍率：指电池在规定的时间内放出其额定容量时所输出的电流值。其在 数值上等于额定容量的倍数。例如，2倍率放电，则表示放电电流的数值是 额定容量数值的2倍。
按照国际规定，放电率在 1/5C 以下的称为低倍率；1/5C ~ 1C 称为中倍率； 1C ~ 22C 则称为高倍率。
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1.4.3 电池的容量
（3）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
理论比 实际比 能量
175.5 214.3 272.4
能量
10~50 15~40 10~25
(Wh/Kg) (Wh/Kg)
Cd 2 NiOOH 2 H 2 O 2 Ni (OH ) 2 Cd (OH ) 2 1.326（E0）
Fe 2 NiOOH 2 H 2 O 2 Ni (OH ) 2 Fe(OH ) 2
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即理论上得到1Ah的电量，就需要消耗1.22克的锌或消耗1克锌就可得到0.82 Ah 的电量。
1.4.3 电池的容量
2. 实际容量：指在一定的放电条件下电池实际放出的电量，等于放电电流 与放电时间的乘积。