化学电源工艺学第1章.绪论2011.3.7
化学电源 第1章 绪论
• 6. 工作温度范围宽 • 7. 维护方便
-40℃～60℃
16
5. 电池应用
• 应用于国民经济的各个部门 • 海：潜艇、航标、鱼雷、轮船。
• 陆：电信、电站、车辆起动与照明、家用电器、玩具、应急
灯、收录音机、计算器、手机、UPS、新能源储能。
• 空：飞机、火箭、导弹、人造卫星、宇宙飞船、制导武器、
世界电池主要生产地，是国外采购电池的首选地。
• 2010年电池总产量400多亿只，占全世界50%以上，出 口300多亿只
• 我国电池生产企业超过50%分布在江浙沪和广东沿海地
区，配套完善。
28
中国电池主要厂家
• • • • • • • 比亚迪 风帆 光宇 双登 南都 力神 比克
29
1.2 电池的分类（电解液类型）
12
物理电源
• 通常把热能、光能、机械能、核能 等转变成电能的装置叫做物理电源( 如发电机、太阳能电池、温差发电
器、原子能电池、风能发电等)
13
生物电池
• 生物能 • 生物燃料电池
14
4. 化学电源特点
• 1. 既能释放能量，又能贮存能量
能量贮存器，能量转换器
• 2. 能量转换效率高，无噪音
21世纪全新的高效、节能、环境友好的发电方式之一
• 1868年法国科学家勒克朗谢(Leclanche)研制成功锌锰干
电池。 • 1889年瑞典的Junghet(雍格纳)：镉镍蓄电池 • 1901年美国爱迪生：Fe-Ni蓄电池。
23
• 发电机的出现使得电池的发展受到抑制， 20世纪四十年代以后，化学电 源工业得到迅速发展。
• 40年代，中性锌-空气电池、锌-银电池(法国安德烈)、锌-汞(美国茹滨)
课程名称高等化学电源工艺学
课程名称：高等化学电源工艺学一、课程编码：1000027课内学时：32学分：2二、适用学科专业：能源化学工程专业、应用化学专业，化学工艺专业等专业三、先修课程：物理化学，电化学基础等四、教学目标通过本课程的学习常见化学电源的种类及制备工艺，了解化学电源的应用领域。
掌握各种化学电源的基本组成、结构、工作原理及电池组件的制造技术，提升学生运用理论知识设计实际电池产品的能力，培养学生的工程实践能力。
五、教学方式本课程的教学方式主要包括课堂讲授、学生课外自学与课堂提问、讨论。
其中，课堂讲授主要采用多媒体教学手段。
六、主要内容及学时分配1.绪论4学时1.1电源发展史概述1.2化学电源的分类及应用领域1.3化学电源基本概念及性能参数2.碱性电池8学时2.1锌锰电池2.2锌银电池2.3锌空电池、铝空电池2.4镍镉电池2.5镍氢电池3.酸性电池3学时3.1铅酸电池发展史3.2铅酸蓄电池的理论基础3.3铅酸蓄电池结构组成特点3.4铅酸蓄电池的生产工艺流程3.5铅酸电池的制造技术4.锂电池7学时4.1锂电池发展史及分类4.2锂一次电池技术4.2锂离子电池工作原理及特点4.3锂离子电极材料的制备4.4锂离子电池制造技术4.5锂空气电池4.6锂硫电池5.燃料电池6学时5.1燃料电池发展史及分类5.2碱性、酸性及熔融盐燃料电池5.3固体氧化物及直接碳燃料电池5.4质子交换膜、醇类及其他燃料电池6.其他类型电池4学时6.1燃料敏化太阳能电池材料6.2热电池及钠电池七、考核与成绩评定成绩以百分制衡量。
成绩评定依据:平时成绩占20%包括考勤与回答问题情况，期末笔试成绩占80%。
八、参考书及学生必读参考资料1.陈军,陶占良,苟兴龙编著化学电源-原理、技术与应用，，化学工业出版社，20062.郭炳昆[等]编著化学电源，电池原理及制造技术，，中南大学出版社20003.Colin A.Vincent,(意)Bruno Scrosati著先进电池，化学电源导论(英)，冶金工业出版社2006九、大纲撰写人：樊铖。
《化学电源工艺学》课程教学大纲
《化学电源工艺学》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介化学电源工艺学是化学工程与工艺专业在应用电化学、表面处理工艺学、能源化工技术与节能等课程基础上开设的一门专业选修课。
本课程的作用是使学生通过学习，了解化学电源的有关基础知识和基本理论，了解化学电源的发展历史、发展前景及最新成就；掌握各类化学电源的基本原理、工艺特性、制造方法、工艺流程及电性能；理解化学电源各环节的作用及意义，并能利用所学的电化学知识，分析有关电池的电化学特性、电性能及影响因素，为今后从事化学电源的生成、应用及研究工作打下坚实的基础。
Chemical Power Technology is a major elective course with such prerequisite courses as Applied Electrochemistry, Surface Treatment Technology, and Chemical Energy Technology and Conservation. This course aims to help students understand basic knowledge of chemical power, its history, recent development and future outlook. Also this course will introduce students to the basic theories, characteristics, manufacturing techniques, technological processes and the electrical properties of various types of chemical power supplies. With this course, students will be able to understand the functions and purposes of each aspect of chemical power supply, and analyze Electrochemical and electrical properties, impact factors of batteries. This course aims to help establish solid foundation for students aspiring to be involved in the scientific research and industrial application of chemical power supply generation.三、理论教学内容及学时分配1.化学电源概论（2学时）1.1化学电源的发展历史及应用现状（0.5学时）1.2化学电源的组成及工作原理（0.5学时）1.3化学电源的电性能（0.5学时）1.4化学电源中的多孔电极（0.5学时）了解化学电源的发展历史及应用现状、化学电源的基本概念，熟悉化学电源的分类、多孔电极，掌握并理解化学电源的组成和工作原理、电性能。
化学电源工艺学
化学电源工艺学
化学电源工艺学是研究化学电源制备和生产的学科领域。
化学电源（Chemical Power Sources）是指使用化学反应来将化学能转化为电能的电池或电池系统。
它们是一种常见的可充电或一次性电源，在许多领域中广泛应用，如便携电子设备、交通工具、能源储备和移动通信等。
化学电源工艺学涉及到化学电源的设计、制备、组装和测试等方面，并致力于提高电源的性能、降低成本、改善稳定性和延长寿命。
以下是一些常见的研究和应用内容：
1.电池材料与组件：研究电池材料的选择、制备和特性调控，
如正负极材料、电解液、隔膜等。
同时，研究电池组件的
设计和优化，如电池结构、电极形态和电解质体系等。
2.反应机理与动力学：研究电池反应的机理和动力学过程，
包括电荷传输、质量传输、界面反应等。
这有助于理解电
池工作原理和性能限制，并寻找电池性能的改进策略。
3.循环寿命与可充电性：研究电池的循环寿命、容量保持和
可充电性能。
这涉及到电池材料的稳定性、寿命评估方法、充放电性能优化等。
4.环境安全和可持续性：关注电池制造和使用过程中的环境
问题和可持续性。
这包括电池材料的环境友好性、电池废
弃物处理和回收利用等。
5.生产工艺与工程化：研究电池的大规模生产工艺和工程化
技术，以实现高效、稳定和可靠的电池生产。
这包括制备技术、组装工艺和自动化生产线的设计与优化等。
化学电源工艺学的研究和应用旨在推动化学电源技术的发展，提高电源的性能和可靠性，满足现代社会对高效、环保和可持续能源的需求。
《化学电源》课件
上分别通入甲烷和氧气，可以形成原电池，由于
(yóuyú)发生的反应类似于甲烷的燃烧，所以称作
燃料电池，根据两极上反应的实质判断，通入甲
烷的一极为____，这一负极极的电极反应为
___________________(f；ùjí通) 入氧气的一极为
___C_H__4-_8e，-+1电0O极H-=反CO应32-为+7H2O
改进后碱性锌锰电池的优点：
电流稳定，放电容量、时间增大几倍，不会气涨或漏液。
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
第十一页，共40页。
2、迷你型电池 (diànchí)
HgO（S）+Zn（S）=Hg（l）+ZnO（S） Ag2O（S）+Zn（S）=2Ag（l）+ZnO（S）
优点：电压(diànyā)高、稳定，低污 染。
①一次电池又称不可充电电池——如：干电池 2)分类(fēn lè②i): 二次电池又称充电电池——蓄电池
③燃料电池
①能量转换效率高，供能稳定可靠。
3)优点:
②可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电 池组，使用方便。
③易维护，可在各种环境下工作。
4)电池优劣的判断标准:
①比能量 ［符号(W·h/kg)，(W·h/L)］ 指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少
电解质： KOH
第十页，共40页。
1.干电池
普通锌锰干电池：（-）Zn ZnCl2、NH4Cl（糊状） 石墨(ＭnO2)(+) 负极(fùjí): Zn－2e-＝
正极(zhènZgnjí2):＋2NH4+＋2e-＝2NH3↑＋
总电池(diànchí)反应方程式 H：22↑NH4Cl＋Zn＝ZnCl2＋2NH3↑＋ 缺点：放电量小，放电H过2程↑ 中易气涨或漏液
第一章_化学电源
三、 化学电源的性能指标 1. 电池电动势 电池电动势（E）：电池两极在断路（无 电流）且处于可逆平衡状态时，两极之间的平 衡电极电势之差。 GT, P = －nFE 电池电动势是一个理论计算值，故也称为电 池理论电压。 GT, P = －nFE揭示了化学能转变 为电能的最高限度，为改善电池性能提供了理论 根据。
比功率的大小表征电池能承受的工作电流的 大小。比功率较大，则可用较大的电流放电。
W0 C0 E ItE 理论功率： P0 IE t t t
实际功率P = IU = I(E―IRi) = IE ― I2Ri
9. 自放电与贮存性能 电池的自放电：电池在一定条件下贮存时容 量会有所下降，主要是由负极腐蚀和正极自放 电引起的。 负极腐蚀：由于负极多为活泼金属，其标 准电极电位比氢电极负，特别是有正电性金属 杂质存在时，杂质与负极形成腐蚀微电池 。 正极自放电：正极上发生副反应时，消耗正 极活性物质，使电池容量下降。
电池自放电与电池的贮存性能密切相关；电 池自放电越小，电池的贮存性能越好 。
自放电的大小，可以用自放电率表示。自放 电率是指单位时间内容量降低的百分数： 自放电率 =（Ca－Cb）×100﹪/ CaT Ca、Cb 表示电池贮存前、后的容量，T为贮 存时间，常用天、月、年计算。 自放电的大小有时还用电池容量下降到某 一规定容量所经过的时间来表示。并称为搁置 寿命或贮存寿命。 减少电池的自放电的措施一般采用纯度较高 的材料或除去其中有害的杂质，在负极中加入氢 过电位高的金属，在电解液中加入缓蚀剂。
在涉及到电池容量时，必须指明放电电流大 小，通常用放电时率或放电倍率表示。 放电时率：以一定的放电电流放完额定容量 所需的小时数。t = C额 / I放 放电倍率：放电电流为电池额定容量的某一 倍数。 = I放 / C额
化学电源工艺学
化学电源：通过化学反应把化学能直接转变成低压直流电能的装置。
组成条件是1)化学反应中氧化、还原过程必须分隔在两个区域进行2)物质转变过程中电子必须通过外电路。
优点：与其他电源相比，具有能量转换效率高、使用方便、安全、容易小型化与环境友好等组成：电极、电解液、隔离物、外壳。
分类：1）一次电池，即原电池，电池放电后不能用充电方法使它再次荷电的一类电池。
2）二次电池，即蓄电池，电池放电后可用充电方法使活性物质复原以后能够再放电，且充放电过程能反复进行。
3）储备电池，其正负活性物质和电解质在储存期间彼此不直接接触，使用前及时注入电解液或用其他方法使电池立即工作。
4）燃料电池，正负极活性物质分别存储在电池体外，注入电池内在惰性电极材料上进行电化学反应放电。
活性物质：电池放电时，通过化学反应能产生电能的电极材料。
要求是1）正负极组成电池后电动势尽可能高2）电化学活性高3）质量比容量和体积比容量大4）在电解液中化学稳定性高5）电子导电性高6）价格便宜。
利用率影响因素：1）活性物质的活性2)电极和电池的结构3）电解液的组成、浓度和纯度4）制造工艺5）放电制度电动势：在没有电流通过时正负极电极之间的平衡电极电势之差。
开路电压：外线路断路时两极间的电势差。
工作电压：即负载、放电、端电压，指有电流通过外电路时两极间的电势差。
截至电压：电压下降到不宜再继续放电时的最低工作电压。
理论容量/能量/功率：活性物质利用率100%时所给出的电量//。
C=nFm/M=m/K实际容量：在一定放电条件下电池所能输出的电量。
C=It额定容量：电池制造时保证在一定放电条件下电池应该放出的最低容量比容量：单位质量或体积的电池给出的容量称质量比容量或体积比容量。
内阻的组成及影响因素：欧姆内阻（电解液、电极材料、隔膜的性质）、隔膜电阻（电解质种类、隔膜材料、孔率和孔的曲折程度）、固相电阻（活性物质成分及形态、电池的尺寸、装配、结构）、极化内阻（活性物质的本性、电极结构、电池制造工艺）。
电源工艺1
1.2化学电源的组成和表示方法
1.2.1构成电池的必要条件
（4）两电极间必须有离子导电性的物质做电解质，提供电池内部 离子导电。
实用电池：电动势高 放电时电压降随时间变化小 质量或体积比容量大 贮存、耐久性好 维护方便，价格低廉
1.2化学电源的组成和表示方法
1.2.2化学电源组成
电池名称
铅酸蓄电池 敞口式 密封式
（1）隔膜 置于正负极之间，防止电池内部短路，形状有薄膜、板材、棒材。
要求：
电解液中有良好的化学稳定性和一定机械强度，耐电极的氧 化和还原作用； 足够的孔隙率和吸收电解液的能力，保证离子通过能力强； 电子的良好绝缘体，防止正负极短路，阻挡电极脱落物质 价格合适，资源丰富
常用隔膜：棉纸、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维、 石棉、聚丙烯、聚氯乙烯等
1.2.2 化学电源组成——总结 正负极：第一类、第二类、氧化还原、气体电极
电解质：水溶液、非水溶剂、固体、熔融盐
隔膜和外壳
1.2化学电源的组成和表示方法
1.2.3 化学电源表示方法 电池的电化学体系书写方式： （-）负极︱电解质︱正极（+） 实例 锌锰干电池 （-）Zn︱NH4Cl-ZnCl2︱MnO2（C）（+） 锌银电池 （-）Zn︱KOH︱Ag2O（+） 铅酸蓄电池 （-）Pb︱H2SO4︱PbO2（+）
Θ ϕ = ϕ AgCl / Ag −
RT ln α ClzF
氧化还原电极：
Fe3+,Fe2+∣Pt
ϕ =ϕ
Θ ( 氧化 / 还原 )
RT α 氧化态 + ln zF α 还原态
气体电极：氢电极
Θ ϕ H = ϕ (H
2
电源工艺学-第一章-概述
导电骨架的作用是把活性物质与外线电路接通并使电流均匀分布， 另外还可以起到支撑活性物质的作用。因此，要求导电骨架机械强 度好，电阻率低，易于加工。
（2）电解质溶液 起正负极间的离子导电作用，有的电解质还
参与成流反应，所以是一些具有高离子导电性 的物质。
电解质的条件：
①化学稳定性好。
②电导率高，从而降低电池工作时的欧姆电压降。
1.2 化学Biblioteka 源的工作原理化学电源既然是将化学能直接转换为电能的装置，则电能的产生 是由电化学氧化还原反应决定的，这些反应可以是不可逆的（如一 次电池），也可以是可逆的（如二次电池或蓄电池），在整个反应 中，热效应伴随着能量的转换。电池对外做功是通过消耗体系的化 学能来实现的。
电源工艺学
第一章 化学电源概论
世界原油价格变化趋势图（美元/桶） Now: ~ $ 45 / 桶（from brent oil）
美国原油进口量占其消费总量百分比（%）趋势图
• 根据2017年全球石油领域现状报告，世界已证实石油储量 有约1.8万亿桶。这意味着，按现有石油消费水平，世界 石油还可开采40余年???
1.1.2 实现化学能与电能转换的条件
（1）化学反应中失电子过程（氧化反应）和得电子过程（还原 反应）必须分隔在两个区域中进行。因此，它与一般的氧化还原反 应不同。
（2）两个电极分别发生氧化/还原反应时，电子必须通过外线电 路做功。因此，它与电化学腐蚀微电池也是有区别的。
1.1.3 化学电源的组成
Tesla Model S 电池容量: 75~100 kWh 续航: 490~660 km 售价: 78~89万元
特斯拉 Model 3（国产） 电池容量: 75~100 kWh 续航: 440~660 km 售价: 29~42万元
化学电源工艺学综述
化学电源工艺学概述学院：应用技术学院专业：应用化学班级：应化1081学号： 201013300107学生姓名：蒋秋野完成日期：2013 年06月目录绪论 (4)第一章化学电源的起源与发展 (4)1.1化学电源的起源 (4)1.2化学电源的发展 (4)1.3化学电源的发展方向 (4)第二章化学电源的种类和特点 (5)2.1化学电源的种类 (5)2.1.1按使用电解液分类 (5)2.1.2按工作性质及储存方式分类 (5)2.1.3按电池所用正、负材料分类 (5)2.1.4按应用领域分类 (5)2.1.5按结构形式分类 (5)2.2化学电源的特点 (5)第三章锌—二氧化锰电池 (6)3.1概述 (6)3.1.1 锌—二氧化锰电池的分类和电池反应 (6)3.1.2锌—二氧化锰电池的特点 (6)3.2二氧化锰电极 (6)3.2.1 MnO2电极的电化学行为 (6)3.2.2二氧化锰的晶型与性能 (7)3.3锌负极 (7)3.3.1锌电极的阳极过程 (7)3.3.2锌电极的自放电 (7)第四章铅酸蓄电池 (8)4.1概述 (8)4.1.1 铅酸蓄电池的分类 (8)4.1.2铅酸蓄电池的特点 (8)4.1.3铅酸蓄电池的电池反应 (8)4.2 铅酸蓄电池的组成 (8)4.3 铅酸蓄电池的电性能 (9)4.3.1铅酸蓄电池的电压特性 (9)4.3.2铅酸蓄电池的容量及其影响因素 (9)4.3.3铅酸蓄电池自放电 (9)第五章镉—镍蓄电池 (9)5.1概述 (9)5.1.1镉—镍蓄电池的分类 (9)5.1.2镉—镍蓄电池的特点 (9)5.2镉—镍蓄电池的工作原理 (10)5.2.1成流反应 (10)5.2.2氧化镍电极的工作原理 (10)5.2.3镉电极的工作原理 (10)5.3影响电极寿命及容量的因素 (10)第六章锂电池 (10)6.1概述 (10)6.1.1锂电池的分类 (10)6.1.2锂电池的特点 (11)6.2锂电池的工作原理及组成 (11)6.2.1锂负极 (11)6.2.2正极 (11)6.2.3电解质 (11)6.3锂电池寿命的影响因素 (11)第七章总结 (12)绪论随着科技的发展，通讯技术产品的日新月异，化学电源成为电子产品的重要动力。
第一章 化学电源概论
其中以Li的电位为最负：
氟的电位为最正：
2
Li + e → Li
F +2e → 2F
-
+
° ϕ平 = - 3 . 0 4 5 V (在酸性介质中)
° ϕ平 =2.87V
若做成锂氟电池 2 Li + F 2 → 2 LiF ，其电动势可 达5.91V。这是化学电源中电动势最高的数值。 应当注意的是，在选择电极活性物质时，不能只看平 衡电位数值的高低，还要看（1）它在介质中的稳定性 （2）材料来源（3）电化当量等多方面的因素。例如Li－ F2,若组成电池，它具有很高的电动势，但由于Li只适用与 非水溶剂电解质，F2是活性的气体，不易储存和控制，因 而由单质Li与F2组成电池也是不切合实际的。
影响工作电压的因素： 1. 放电时间 2. 放电流密度 3. 放电深度 一般放电时间长，电压低 一般放电流密度大，电压低 一般放电深度低，电压低
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（2）放电曲线 电池的工作电压随时间变化的曲线。电压下降到不宜 继续放电的最低工作电压称为终止电压。放电方法主要有 恒流放电和恒阻放电两种，还分为连续放电和间歇放电。 根据电池的放电曲线，通常可以确定电池的放电性能和 电池的容量。通常电池的放电曲线越平坦、稳定、电池的性 能就越好。 注意：放电时间的长短，取决于放电的终止电压（不宜 再继续放电的电压）。通常放电电流大时，终止电压可低 些，放电电流小时，终止电压可高些。
E =ϕ
−ϕ
假设电池的正负极反应为：
正 极 ： aA + ne → cC 负 极 ： bB − ne → dD
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
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。
电解质溶液离子导 电过程相关理论 （溶液化学）
图3-3 铅酸电池充放电曲线
《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
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》-第一章 绪论
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。
化学电源设计分类： 原电池设计 蓄电池设计
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
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。
《化学电源设计与制造工艺学》-第一章 绪论
化学电源设计概述
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。
化学电源工艺学 笔记
：能量转换效率高、使用方便、安全、
：有电流通过外电路时，两极间的电势差。
正确使用和维护电池。
，：
不与金属锂发生反应；
后，
反应，e 经外电路到达空气极，参与空气极侧的反应。
一系列的反应促成e 不间断的经由外部回路，因而构成了发电。
降低催化剂载Pt 量的方法：…；提高催化剂循环稳定性的方法：…。
燃料电池突出优点：1. 发电效率高；2. 过负载能力
强；3. 可用燃料广泛；4. 环境相容性优。
超级电容器：1. 在电极/溶液界面通过电子和离子或偶极子的定向排列产生双电层电容量，基于双电层电容得到双电层电容器；2. 在电极表面或体相中的二维或准二维空间电活性物质进行欠电位沉积，发生高度可逆的吸附、脱附或氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的法拉第准（赝）电容量，此为基于法拉第准（赝）电容的超电容器。
四类超级电容器：1. 碳电极电容器；原理：……。
2. 金属氧化物电极电容器；原理：……。
3. 导电聚合物电极电容器；原理：…。
4. 全固态电解质电容
器；原理：…。
超级电容器发展趋势：发展高比功率。
全钒液流电池
流动过程中发生的氧化还原反
应：……。
可大规模蓄能原因：功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保。
限制其发展的影响因素：
光伏发电的基本原理：光子把电子从价带激发到导带上，价带上因而产生空穴，形成了自由电子-空穴
对。
自由电子和空穴扩散进入p-n 结，并分别在n 区和p 区形成电子和空穴的积累。
染料敏化太阳能电池的基本原理：。
第一章 化学电源基础-1
4.
两电极间必须有离子导电性的物质即电解质，提供电池内部离子导电
5. 实际使用的电池还应满足：电动势高；比容量大；放电时电压降低随 时间变化小；维护方便、贮存性及耐久性优异；价格低廉等
20
1.2.2 化学电源的组成
1.
电极
（1）电极的构成：电极（包括正极和负极）的主要成分是活性物质，其次 是骨架等辅助成分，也可能含有一些添加剂
1.2.2 化学电源的组成
1.
电极
（2）电极的类型：根据电极反应的性质区分
（b）第二类电极： 由金属上覆盖一薄层该金属的难溶化合物（盐、氧化物和氢氧化物），然 后浸在含有该难溶化合物相同阴离子的溶液中所构成，例如银氯化银电极 和甘汞电极 电极反应式 AgCl + eHg2Cl2 + 2e电极电势表达式
电极反应式
氢电极 氧电极
2H+ + 2eO2 + 2H2O + 4eCl2 + 2e-
H2 4OH2Cl-
30
氯电极
1.2.2 化学电源的组成
1.
电极
（2）电极的类型：根据电极反应的性质区分
（d）气体电极： 电极电势表达式
氧电极 氢电极
RT H+ (H+ /H ) ln 2 zF PH2
2Ag + 2OH-
电极 电极反应式
28
H+ | Ag + Ag2O Ag2O + 2H+ + 2e2Ag + H2O
1.2.2 化学电源的组成
1.
电极
（2）电极的类型：根据电极反应的性质区分
（c）氧化还原电极（又称第三类电极）：
化工专业《化学电源工艺学》教学大纲
《化学电源工艺学》教学大纲课程编码：0412103702课程名称：化学电源工艺学学时/学分：32/2先修课程：适用专业：化学工程与工艺开课教研室：无机化学教研室一、课程性质与任务1．课程性质：本课程是化学工程与工艺专业学生选修的一门专业课程。
2．课程任务：通过本课程的教学，使学生掌握锌-二氧化锰电池、铅酸蓄电池、镉-镍蓄电池、氢-镍电池、锌-氧化银电池、锂电池、锂离子电池、燃料电池等化学电源的组成、工作原理和制造工艺，为学生将来从事化学电源领域的相关工作打下基础。
二、课程教学基本要求理解化学电源的基本概念和基本原理，掌握化学电源的组成结构、工作原理和制造工艺，重点突出常用化学电源的设计与制造。
本课程在教学中采用电子教案、多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
成绩考核形式：期末成绩（闭卷考试）（70%）＋平时成绩（作业、课堂提问等）（30%)。
成绩评定采用百分制，60分为及格。
三、课程教学内容第一章化学电源概论1.教学基本要求掌握化学电源的组成及工作原理，理解和掌握化学电源电性能，了解化学电源中的多孔电极。
2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章教学，使学生掌握化学电源的组成、工作原理和电性能，主要包括电极、电解质、隔膜、外壳、电动势、容量、能量、功率、储存性能和循环性能等。
3.教学重点和难点教学重点是化学电源的组成，电性能。
教学难点是化学电源电性能。
4.教学内容（1）化学电源的组成及工作原理主要知识点：电极；电解质；隔膜；外壳；工作原理。
（2）化学电源的电性能主要知识点：电动势；容量；能量；功率；储存性能和循环性能。
（3）化学电源中的多孔电极主要知识点：多孔电极的意义；两相多孔电极；三相多孔电极。
第二章锌-二氧化锰电池1.教学基本要求掌握锌-二氧化锰电池的电极材料、电池反应和电性能，以及各种锌-二氧化锰电池的制造工艺。
2.要求学生掌握的基本概念、理论、技能通过本章教学，使学生掌握锌-二氧化锰电池的电极材料、电池反应、电性能和制造工艺，主要包括二氧化锰电极、锌电极、电池反应、电压、容量和储存性能等。
应用化学化学电源工艺学 教学大纲
《化学电源工艺学》课程教学大纲课程代码：080342014课程英文名称：Batteries technology课程总学时：24 讲课：24 实验：0 上机：0适用专业：应用化学专业大纲编写（修订）时间：2017.7一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程为应用化学专业的专业选修课程，本课程要求学生掌握化学电源的电池型号、电池容量、电极的设计，电极制作和电极、电源及电池组装配的基本方法和工艺。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求要求学生通过本课程的学习具备化学电源的电池型号、电池容量、电极的设计，电极制作和电极、电源及电池组装配的基础知识和基本技能。
为学生将来从事化学电源领域的生产和研发工作打下基础。
（三）实施说明1．教学方法：课堂讲授中要突出工程教育和工程训练相结合的特点，注重培养学生的实际动手能力和善于思考，善于创新的思想。
采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导和鼓励学生通过实践和自学获取知识，培养学生的自学能力；增加讨论课，调动学生学习的主观能动性。
2．教学手段：本课程在教学中采用电子教案、多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
（四）对先修课的要求学生学习完《化学电源》课程之后开设本课程。
（五）对习题课、实验环节的要求根据学生学习的实际情况掌握习题内容和习题量。
（六）课程考核方式1.考核方式：考查2.考核目标：在考核学生对化学电源的电池型号、电池容量、电极的设计，电极制作和电极、电源及电池组装配的基础知识和基本技能的基础上，重点考核学生的实际应用能力和电池设计能力。
3.成绩构成：本课程的总成绩主要由三部分组成：平时成绩（包括作业情况、出勤情况等）占10%，课后小论文占20%，期末考核占70%。
（七）参考书目《化学电源-电池原理及制造技术》，郭炳焜、李新海、杨松青编著，中南工业大学出版社，2003年《新型二次电池》，翟秀静、高虹、张爱黎编著，东北大学出版社，2003年《高能化学电源》，管丛胜编著，化学工业出版社，2004年二、中文摘要本课程是应用化学专业的专业选修课程。
电源工艺学课后习题答案
第一章1化学电源的组成部分电极：有正极和负极电解质隔膜外壳另外还有一些连接附件。
2电极的组成部分及各部分的作用和要求电极：有正极和负极,由活性物质和导电骨架组成活性物质:是正负极中参加成流反应的物质。
正极活性物质：一般为电极电势较高的金属氧化物、氯化物、氟化物、硫化物等。
如：MnO2,PbO2,O2,AgO,NiOOH负极活性物质：一般为电位较低的金属。
如：Zn.Pb,H2,Li,Cd电解质电解质的作用: 正负极间传递电荷；参加电极反应；建立电极电位。
电解质的要求：比电导高，溶液欧姆压降小；对固体电解质，离子导电性好，电子绝缘；化学性质稳定好，不与活性物质发生反应；电化学稳定窗口范围宽；沸点高、冰点低，使用温度范围宽。
隔膜隔膜的作用：防止电池正负极接触，内部短路，吸蓄电解液。
隔膜的要求：电解质离子运动阻力小；电子的良好绝缘体；阻止电极上脱落的活性物质微粒；阻止枝晶的生长穿透。
外壳是电池的容器。
只有锌-锰干电池是锌电极兼作外壳。
外壳的要求：机械强度高；耐振动；耐冲击；耐腐蚀；耐温差；美观3说出写出电池常用的粘结剂电极常用粘结剂有：聚乙烯醇（PV A）；聚四氟乙烯(PTFE)；羧甲基纤维素钠（CMC）；聚偏氟乙烯（PVDF）；丁苯橡胶(SBR)4、5见26使用电池组的目的是什么?电池组使用寿命的关键在哪里？7什么是电动势？如何求得？电动势是正负极均处于平衡状态时两极间电位差。
电动势可以用能斯特方程计算。
ΔG t,p=-nFE8什么是开路电压？与电动势有何不同？开路电压是外电路没有电流流过时电极之间的电位差（V oc）V oc = E – IR i9什么是工作电压？工作电压为何小于开路电压？工作电压是有电流通过外电路时，电池两极间的电位差。
工作电压（V ）又称为放电电压或负荷电压。
10什么是终止电压？低温大电流工作时终止电压为何可以规定的低一些？电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压称为终止电压。
化学电源制造技术
第一章化学电源概论1.1化学电源的组成化学电源由电极、电解质、隔膜、外壳组成。
电极是电池的核心的部分，由活性物质和导电骨架组成。
活性物质是指正、负极中参加成流反应的物质，是决定化学电源基本特征的重要部分。
对活性物质的要求是电化学活性高，组成电池的电动势高，即自发反应的能力强，质量比容量和体积比容量大，在电解液中的化学稳定性高，电子导电性好。
电解质在电池内部正负极之间担负传递电荷的作用，要求比电导高，溶液欧姆电压降小。
对固体电解质，要求具有离子导电性，而不具有电子导电性。
电解质必须化学性质稳定，使贮存期间电解质与活性物质界面间的电化学反应速率小，这样电池的自放电容量损失就小。
隔膜的形状有薄膜、板材、棒材等，其作用是防止正负极活性物质直接接触，防止电池内部短路。
对隔膜的要求是化学性能稳定，有一定的机械强度，隔膜对电解质离子运动的阻力小，应是电的良好绝缘体，并能阻挡从电极上脱落的活性物质微粒和枝晶的生长。
外壳是电池的容器。
化学电源中，只有锌锰干电池是锌电极兼作外壳。
外壳要求机械强度高、耐振动、耐腐蚀、耐温差的变化等。
1.1.1电极类型及结构电极是电池的核心，一般电极都由三部分组成，一是参加成流反应的活性物质，二是为改善电极性能而加入的导电剂，三是少量的添加剂，如缓蚀剂等。
化学电源常用的电极有片状、粉末多孔状和气体扩散电极几种。
1.1.1.1片状电极片状电极由金属片或板直制成，锌－锰干电池以锌片冲成圆筒作负极，锂电池的负极用锂片。
1.1.1.2粉末多孔电极粉末多孔电极应用极广，因为电极多孔，真实表面大，电化学极化和浓差极化小，不易钝化。
电极反应在固液界面上进行，冲放电过程生成枝晶少，可以防止电极间短路。
根据电极的成型方法不同，常用的粉末多孔电极有以下几种：(1)管（盒）式电极管（盒）式电极是将配制好的电极粉料加入表面有微孔的管或盒中，如铅酸电池有时正极是将活性物质铅粉装入玻璃丝管或涤沦编织管中，并在管中插入汇流导电体。
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• 恒电阻放电 (constant load) • 恒电流放电(constant current)
（间歇放电 连续放电）
• 终止电压(final voltage ) p10 表1.3 • 标称电压 (nominal voltage)
• 我国电池产量年均增长10%，产值年均 增长19%。
• 据不完全统计,我国从事电池及其材料研 制的单位达数百家, 生产电池及材料的 厂家多达2000余家,出版电池专业杂志或 信息的刊物也达十余家。
• 2008年10月，我国电池行业规模以上企业完成 工业总产值240亿元，
• 电池产量32亿只，
• 铅酸蓄电池产量734万千伏安时；
• 松香：常用做电池封口剂、导电层的粘结剂及碳条的 原料。光敏胶封口剂。
电池组示意图
串联
并联
复联
电池组
• 1）n个电池串联，目的增加电压。 • 2）n个电池并联，目的增加容量。 • 3）n个电池串联，m个电池组并联。 • 4）组合电池对电池的均一性要求严格。
1.3 化学电源的电性能
1.3.1原电池的电动势与开路电压
• 聚乙烯醇（PVA）： • 聚四氟乙烯(PTFE)： • 羧甲基纤维素钠（CMC）： • 聚偏氟乙烯（PVDF）： • 丁苯橡胶 (SBR)：
五、外壳 (container, case)
• 外壳：是电池的容器。只有锌-锰干电池是锌
电极兼作外壳。
• 外壳的要求：
• 机械强度高 • 耐振动 • 耐冲击 • 耐腐蚀 • 耐温差 • 美观
• 比电导高，溶液欧姆压降小； • 对固体电解质，离子导电性好，电子绝缘； • 化学性质稳定好，不与活性物质发生反应； • 电化学稳定窗口范围宽； • 沸点高、冰点低，使用温度范围宽。
电解质分类
• 可分为液体和固体电解质。 • 液体电解质可分为水溶液和非水溶液。 • 液体电解质：溶质和溶剂。 • 溶质作用为无机盐，在溶剂中电离出阴
阳离子在正负极之间起传递电荷的作用。
• 溶剂起使溶质电离的作用。
三、隔膜 (separator)
• 隔膜的形状：薄膜、板材、棒材等 • 隔膜的作用：防止电池正负极接触，内部短
路，吸蓄电解液。
• 隔膜的要求：电解质离子运动阻力小；
电子的良好绝缘体；阻止电极上脱落活性物质 微粒； 阻止枝晶的生长穿透。
锌锰干电池
锂离子电池
电池 的历史
古希腊人摩擦起电
• 1791年 伽伐尼 生物电
• 1800 伏打电堆
伏打电堆的构成
• 活动性不同的金属 • 电解质溶液
伏打序列：锌－铜－锡－ 铁－铜－银－金－石墨－木炭。
在序列中任何两种浸于某 种电解质溶液中，都是位序在 前的一种带正电，后面的一种 带负电。
欧姆内阻：电解液的欧姆内阻,隔膜电阻, 电极上的 固相电阻 极化内阻：主要电化学极化和浓差极化
降低极化措施
• 选择合适电极材料 • 采用催化剂降低反应活化能 • 增大点击表面积，采用多孔电极 • 适当的电极表面处理方法 • 电池结构的合理设计
1.3.3电池的工作电压 (working voltage)
电池的组成 Components Of Cells And Batteries
活性物质 +
导电骨架
离子导体，传递正负极间电荷
正极
隔膜
负极
电解液（电解质） 外壳
防止正负极活性物质接触造成内部短路，对离子运动阻力小，电子绝缘体
圆柱密封镉镍蓄电池结构
弹簧片触点 盖 绝缘密 封垫圈
正极
电池壳
镉镍扣式电池结构
负极 隔膜
一、电极 （electrode)
• 由活性物质和导电骨架组成
活性物质:是正负极中参加成流反应的物质。
活性物质的作用: 参加成流反应，产生电能。
对活性物质的要求:电化学活性高；组成电池电
动势高；质量比容量和体积比容量大；在电解 液中化学稳定性好；电子导电性好;资源丰富； 价格便宜
导电骨架的作用:传导电子、支撑活性物质。
烧结镍基体 Sintered Ni Substrate
发泡镍电极基体 Foam Ni Substrate
纤维镍电极基体 Fiber Ni Substrate
铅酸蓄电池板栅
二、电解质 (electrolyte)
• 电解质的作用：
• 正负极间传递电荷；参加电极反应、建立电极 电位。
• 电解质的要求：
• 一、电池的电动势 （electromotive force)
•
aA+bB=eE+fF
E
E
RT nF
ln
e E
a A
e F
b B
电池的电动势只和参与化学反应的物质本性、电池的反应条件(即 温度)及反应物与产物的活度有关，而与电池的几何结构、尺寸大 小无关。
• 二、电池的开路电压 （open circuit voltage)
•
C0 = 26.8 n
m 1m MK
(Ah)
电化当量（electrochemical equivalent ）
M K = 26.8n ( g ·Ah-1 )
• 电极的理论容量与活性物质质量和电化当量有 关。在活性物质质量相同的情况下，电化当量 越小的物质，理论容量就越大。这是设计电池 时选择活性物质的原则之一。
• 电池出口额为8.2亿美元，其中原电池出口额 1.5亿美元，蓄电池出口额约6.5亿美元，
• 电池零配件出口额为2.0亿美元，电池出口量约 23.6亿只，其中原电池出口量为21.2亿只；
• 蓄电池出口2.4亿只；电池零配件出口量3900吨。
本门课程学习
• 电源工作原理 • 电源结构和组成：电极——核心 • 电源的电性能 • 工艺流程
电池的分类（电解液类型）
• 酸性电解液 (acidic electrolyte) • 碱性电解液 (alkaline electrolyte) • 中性电解液 (neutral electrolyte) • 有机电解质溶液 (organic electrolyte) • 固体电解质 (solid electrolyte)
化学电源的历史
• 1859年，普兰特（Plant`e）（德）试制成功化成式 铅蓄电池。
• 1868年，勒克朗谢（Leclanche`）（法）研制成功 以用N。H4Cl为电解液的锌-二氧化锰电池，并得到了应
• 1899年，琼格（Junger）发明了镉-镍蓄电池。
• 1901年，爱迪生（Edison）创制了铁-镍电池。
第一章 化学电源概论
1.1 化学电源的工作原理
化学电源:化学能转换成电能的装置
• 构成化学电源的两个基本条件： 1 、氧化-还原反应分区进行，区别于直接氧化还原反应； 2 、有电子流经外电路，区别于腐蚀反应。 • 放电(Discharge): • 正极(positive electrode )- 还原反应(reduction reaction)
二十世纪
–锌锰纸板电池 –碱性锌锰电池 –Zn-AgO电池 –金属-空气电池 –铅酸蓄电池 –镉镍蓄电池 –氢镍蓄电池 –金属锂电池 –锂离子电池 –聚合物锂离子电池 –燃料电池
燃料电池
• 美国加 利福尼 亚的燃 料电池 发电厂
纸电池
我国电池生产概况
• 从1982年开始，我国超过美国成为世界 第一民用电池生产大国
化学电源工艺学
主编 史鹏飞
主讲 曹立新 （应用化学 主楼东配楼H101，Tel：5687232，
5687953）
电池的分类
• 化学电池：利用化学反应产生电能的电池 • 物理电池：利用物理变化产生电能的电池
– 太阳能电池 – 温差发电器 – 双电层电容器
• 生物电池：利用生化反应产生电能的电池
– 酵母电池、微生物电池、生物太阳能电池等
电极类型及结构
1、片状电极 如锂、锌。 2、粉末多孔电极 （1）管（盒）式电极 （2）压成式电极 （3）涂膏式电极 （4）烧结式电极 （5）发泡式电极 （6）粘结式电极 （7）电沉积式电极 （8）纤维式电极 3、气体扩散电极 双层多孔电极（培根型电极）、
防水型(憎水）电极、隔膜型电极。
有极板盒式电池 (Pocket plate Nickel Cadmium Battery)
Classification of Cells And Batteries
电池的分类（工作性质和储存方式）
一次电池（原电池）Primary Cells or Batteries 二次电池（蓄电池）Secondary or Rechargeable
Cells or Batteries
电极反应可逆，放电完毕后，可用充电的方法使两极 活性物质恢复到初始状态，从而获得再次放电的能力。
隔膜的性能
• 半透膜孔径一般为：5-100nm • 微孔膜孔径在10μm以上，甚至到几百μm • 隔膜性能包括： • ⑴ 紧度 • ⑵ 抗拉强度 • ⑶ 孔径 • ⑷ 电阻 • ⑸ 吸液率 • ⑹ 隔膜耐电解液腐蚀能力 • ⑺ 胀缩率
化学电源用隔膜
四、电极粘结剂 (binder)
• 电极常用粘结剂有：
• 表1-4 常用电池物质的电化当量
实际容量(Cp) practical capacity
• 电池的实际容量是指在一定放电条件下(温度、 放电制度)，电池所能输出的电量。
Cell polarization as a function of operating current
放电率
• 倍率：电池在规定时间内放完额定容量时，用电池容 量的倍数表示的电流值
• 时率：以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数