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。
图3-3 铅酸电池充放电曲线
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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。
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
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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的形式来 提高工作电压，达到输出高功率、大容量的目的。 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。
《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
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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。
——等势线
------等流线
极片间电势分布
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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
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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
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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。
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。
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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。
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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。
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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。
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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Fra Baidu bibliotek电极
2.1 化学电源中的电传导
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 法拉第定律及其应用 电化学热力学基础 电化学动力学基础 电池设计中的表界面现象与应用 电池组合原理 电池设计的终极目标与实现 电池设计的基本程序 电池设计前的准备 电池设计的一般步骤
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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。
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。
电解质溶液离子导 电过程相关理论 （溶液化学）
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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。 m=MQ/nF=M/nF·Q
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 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
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2.7 电池设计的终极目标与实现
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。
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。
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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。 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。
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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。
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2.7 电池设计的终极目标与实现
有效投料与无效投料
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。
综合分析主要应考虑在用电器具要求的条件下，电池所 要达到的技术水平及达到这一目标电池的制造成本。
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2.8 电池设计的基本程序
（2）性能设计
工作电压设计：根据用电器具的工作电压要求，确定电池（组） 以及单体电池的开路电压与指定放电制度下的工作电压及工作电 压精度。 工作电流设计：根据用电器具的电流要求，确定电池（组）的峰 值电流及指定放电制度下的工作电流。如汽车启动电流、手机通 话工作时的电流等为峰值电流，而手机待机状态时要求的电流为 工作电流。 容量设计：根据用电器具所要求的放电制度下的最低容量值，确 定电池（组）额定容量、设计容量等，从容量设计来确定活性物 质的用量。 寿命设计：根据用电器具的寿命要求，确定电池（组）的贮存寿 命、循环寿命等，寿命设计是选择电池相关材料及其纯度的基础。
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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。
式中：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，g/mol; Q为通过的电量，A·h; n为得失电子数； F为法拉第常数，26.8A·h。
电化学工业应用 最广泛的定律
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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。
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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。