化学电源 第1章 绪论
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• 1）电池的发展和军事工业的发展密不可分
航天技术：Ni-Cd，Ni-H，燃料电池 卫星火箭：锌银电池，航天部有两个厂：贵州，上海 潜艇：铅酸电池，481，德国212潜艇：燃料电池 地雷：感应式地雷，贮存寿命长 单兵系统
• 2）20世纪90年代的发展主要是电子通讯工业的推动：手机、通讯基站、 MP3、MP4等
4
1. 化学电源的重要意义
•化学电源——电池 electrochemical power source —— battery / cell •能源技术与工业在现代社会中的地位：能源危机 •能源化学工程新专业 •能源的使用：在线、离网
油气煤：储运方便、效率低、污染大 电：清洁、缺乏有效储电手段(电池、抽水电站、压缩空气等)
30
电池的分类（电池形状）
• • • • • 圆柱式电池 cylindrical/ round battery 扣式电池 button/coin battery 方形电池 prismatic battery 纸式电池 paper battery 微电池 microbattery
微电池与微芯片、 微电子机械系统 集成设计。
•太阳能、风能等新能源技术发展的需要
•现代电子设备：功能多,小巧便携,自动化程度高
设备大脑：芯片，设备心脏：电池
5
国家项目与政策支持：
• 973项目：国家重大基础研究，电池方向至2011年共8项 • 2012年：
高比能直接甲醇燃料电池关键纳米材料与纳米结构研究
碳基燃料固体氧化物燃料电池体系基础研究 基于贵金属替代的新型动力燃料电池关键技术和理论基础研究
26
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 • 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。
27
• 2008年，我国电池产量达360亿只，总产值超2000亿元 。出口254亿只，88亿美元。 • 中国电池产量已连续超过世界电池总产量的1/3，成为
9
其他电池
• Zn(Cd)-HgO电池： • 聚合物电池 • 钠硫电池：1.78～2.08V。比能量高，～300℃，电力 调峰 • 热电池：储存寿命长、激活时间短，400~600oC • 锌溴电池 • 液流电池：大规模储能 • 其他新型电池
10
废旧电池
11
3. 化学电源定义
• 化学电源：将化学反应产生的能量直接转变为 电能的装置叫做化学电源（电池） • Electrochemical power source, battery, cell • 手电筒中用的干电池和汽车蓄电池是两种在外 形上和使用上都不相同的电池，可是它们都靠 各自内部的化学变化向外提供电能，所以我们 称它为化学电源。 • 研究化学电源工作原理和制造技术的一门学科 称为化学电源工艺学。
新能源、新一代信息技术、生物、高端装备制造业、新材料、新能源汽车
• 名词：“充电”
7
2. 生活中的电池品种
8
2. 生活中的电池品种
锌锰电池（Zn-MnO2） 镉镍电池（Cd-NiOOH） 铅酸电池（Pb-acid） 金属氢化物-镍电池(MH-NiOOH) 氢镍电池（H2-NiOOH） 锌镍电池（Zn-NiOOH） 锌－氧化银电池 锂电池 锂离子电池 金属-空气电池 燃料电池 Fuel Cell 海水电池：Mg(Al)-CuCl2电池(AgCl)
电池电极 放电 正极 负极 阴极 阳极 充电 阳极 阴极
• 阳极：Anode
40
1.4 电池的组成
41
电池的组成
组成：
离子导体，传递正负极间电荷
正极
电极
隔 膜
电解液（电解质） 外壳
负极
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
42
（1）电极 （electrode)
• 电池的核心 •活性物质： 电极中参加成流
郭炳焜，中南大学出版社，2009
3
参考期刊
国际 J. Power Sources 国内 Solid State Ionics • 电池 Fuel Cell • 电源技术 Electrchemica Acta • 电池工业 Electrochemical communication • 蓄电池 J. Electrochem Soc. Electrochemical and solid state letters • 电化学 • 化学与物理电源系统 J. Solid state electrochemistry J. Applied electrochemistry • 化学类其他期刊 Electrochemistry J. New materials for electrochemical system Others
电化当量，密度
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 环境友好
44
常用活性物质
• 活性物质存在形式： • 一般为固体（Zn、PbO2等），也有气体（H2、O2）、液体 （SO2）或浆料（ZnO）
• 常用活性物质种类： • 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
纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面研究
• 另外太阳能电池方向约有6项
6
国家项目与政策支持：
• 国家863项目：节能与新能源汽车重大专项，十一五经费达12亿元，
十二五一期经费为7.38亿元，其中1/3用于电池
• 十城千辆：首批13城市，总共25城市，电动车规模试 验 • 节能减排：电池是高效绿色能源 • 十二五期间国家优先发展七大战略新兴产业：节能环保、
• 酸性电解液电池 acid battery
• 碱性电解液电池
• 中性电解液电池 • 有机电解质溶液电池 • 固体电解质电池 • 熔融盐电解质电池 • 聚合物电解质电池
alkaline battery
neutral battery organic electrolyte battery solid electrolyte battery melton electrolyte battery polymer electrolyte battery
反应、产生电能的物质。
• 导电骨架 传导电子，使电 : 流分布均匀；支撑活性物 质。
43
活性物质 (active material / mass)
• 对活性物质的要求:
电化学活性高；ΔG<0，i0大 组成电池电动势高：
正极活性物质电势尽可能正 负极活性物质电势尽可能负
质量比容量和体积比容量大
• 3. 电流、电压、容量和几何尺寸可调
扣式电池几个毫安时，潜艇电池288块大型铅酸电池，每只 8000安时，重1吨。微型电池可制作在电路板上
15
• 4. 便于携带，使用简便
太阳能电池对使用环境也有要求：光线
• 5. 能经受各种环境的考验(如冲击、震动 、旋转)。
导弹发射，车辆振动，耐高加速度、耐振动、耐旋转， 真空环境中也可工作
21
• 伏打电堆的促进了电学的发展：欧姆
定律，电磁学，电动机，发电机 • 1800年，利用电池电解水实验：氢气 和氧气 • 1834年， 法拉第电解定律：电与化 学反应的定量关系 • 1836年， 丹尼尔电池
——第一种实用性电池
22
200多年中，化学电源的重要进展
• 1859年法国科学家Plante发明了铅酸蓄电池(这是世界上 第一个可充电池)
智能武器 • 地下：矿灯、地下应急设施
17
第一章 化学电源概论
11:01
18
1.1 化学电源发展历史
• 巴格达电池（2000年前） • 1936年巴格达考古发现
• 向陶瓶内倒入一些酸或碱水，便
可以发电，推测为电池
• 在巴格达近郊，继发现古电池之
后，还陆续发现许多电镀物品
19
1786年 伽伐尼现象“动物电”
• 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)
• 3）电动汽车与新能源储能对电池是一个巨大的推动。EV，HEV，863节能
与新能源汽车重大专项，十城千辆工程，财政补贴
25
• 4 ）新材料的发展也促进了电池的发展： MH ， LiC6、SOFC中的高温密封材料等 • 5）资源 • 6）环境 用户对化学电源的要求：高比能量，高可靠性， 长寿命，无污染
纸 电 池
31
1.3 化学电源的工作原理
化学电源是化学能直接转换成电能的装置。
36
化学电源内部的电势变化
负 极
双电层
正 极
双电层
Charge
discharge
37
化学电源要实现将化学能直接转化为电能 必须具备的条件
例1：浓硫酸稀释 例2：酸碱中和 例3：置换 例4：镁条燃烧 • (1)化学反应必须是氧化还原反应，而且氧化和 还原过程必须分隔在两个空间进行 例4：铁的腐蚀 • (2)氧化还原反应发生时 电子必须经过外线路
• 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、
• 50年代：碱性锌锰电池 • 60年代：燃料电池 阿波罗飞船
• 70年代：各种锂电池
• 80年代：氢镍蓄电池 • 90年代：锂离子电池 • 二十一世纪：新型绿色环保电池(金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、 无汞碱性锌锰电池和可充碱锰电池、燃料电池、聚合物锂电池或锂离子
蓄电池。
24
电池发展的推动力量：
化学电源工艺学
程新群
1
电化学工业
• • • • • • 化学电源 电镀（表面工程） 腐蚀与防护 电解加工（精炼与提纯、切削与抛光） 电化学合成 电化学传感器
2
参考教材
• 1. 化学电源 程新群， 化学工业出版社， 2008 • 2. 化学电源工艺学
史鹏飞，哈尔滨工业大学出版社，2006
• 3. 化学电源：电池原理及制造技术
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
1.2Βιβλιοθήκη Baidu电池的分类（电解液类型）
• 1737～1798 • 意大利医生和 动物学家
20
伏打序列与伏打电堆
• 意大利著名物理学家, 1745～1827
• 1793年，提出“金属电”
• 两种金属 • 1796年，第一类导体与第二类导体 • 1797年，根据各种金属接触的实验结果，伏打列出了 “锌－铅－锡－铁－铜－银－金”的次序，这就是著 名的伏打序列。其中两种金属相接触时，位于序列前 面的都带负电、后面的带正电。 • 1800年，伏打电堆
38
几个概念：
• 成流反应：Current Producing Reaction
电池工作时，电极上发生的产生电能的电化学反应
• 活性物质：Active Material / Mass
电极上能够参加电化学反应、释放电能的物质
39
几个概念：
• 正极：Positive Electrode • 负极：Negative Electrode • 阴极：Cathode
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
航天技术：Ni-Cd，Ni-H，燃料电池 卫星火箭：锌银电池，航天部有两个厂：贵州，上海 潜艇：铅酸电池，481，德国212潜艇：燃料电池 地雷：感应式地雷，贮存寿命长 单兵系统
• 2）20世纪90年代的发展主要是电子通讯工业的推动：手机、通讯基站、 MP3、MP4等
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1. 化学电源的重要意义
•化学电源——电池 electrochemical power source —— battery / cell •能源技术与工业在现代社会中的地位：能源危机 •能源化学工程新专业 •能源的使用：在线、离网
油气煤：储运方便、效率低、污染大 电：清洁、缺乏有效储电手段(电池、抽水电站、压缩空气等)
30
电池的分类（电池形状）
• • • • • 圆柱式电池 cylindrical/ round battery 扣式电池 button/coin battery 方形电池 prismatic battery 纸式电池 paper battery 微电池 microbattery
微电池与微芯片、 微电子机械系统 集成设计。
•太阳能、风能等新能源技术发展的需要
•现代电子设备：功能多,小巧便携,自动化程度高
设备大脑：芯片，设备心脏：电池
5
国家项目与政策支持：
• 973项目：国家重大基础研究，电池方向至2011年共8项 • 2012年：
高比能直接甲醇燃料电池关键纳米材料与纳米结构研究
碳基燃料固体氧化物燃料电池体系基础研究 基于贵金属替代的新型动力燃料电池关键技术和理论基础研究
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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 • 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。
27
• 2008年，我国电池产量达360亿只，总产值超2000亿元 。出口254亿只，88亿美元。 • 中国电池产量已连续超过世界电池总产量的1/3，成为
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其他电池
• Zn(Cd)-HgO电池： • 聚合物电池 • 钠硫电池：1.78～2.08V。比能量高，～300℃，电力 调峰 • 热电池：储存寿命长、激活时间短，400~600oC • 锌溴电池 • 液流电池：大规模储能 • 其他新型电池
10
废旧电池
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3. 化学电源定义
• 化学电源：将化学反应产生的能量直接转变为 电能的装置叫做化学电源（电池） • Electrochemical power source, battery, cell • 手电筒中用的干电池和汽车蓄电池是两种在外 形上和使用上都不相同的电池，可是它们都靠 各自内部的化学变化向外提供电能，所以我们 称它为化学电源。 • 研究化学电源工作原理和制造技术的一门学科 称为化学电源工艺学。
新能源、新一代信息技术、生物、高端装备制造业、新材料、新能源汽车
• 名词：“充电”
7
2. 生活中的电池品种
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2. 生活中的电池品种
锌锰电池（Zn-MnO2） 镉镍电池（Cd-NiOOH） 铅酸电池（Pb-acid） 金属氢化物-镍电池(MH-NiOOH) 氢镍电池（H2-NiOOH） 锌镍电池（Zn-NiOOH） 锌－氧化银电池 锂电池 锂离子电池 金属-空气电池 燃料电池 Fuel Cell 海水电池：Mg(Al)-CuCl2电池(AgCl)
电池电极 放电 正极 负极 阴极 阳极 充电 阳极 阴极
• 阳极：Anode
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1.4 电池的组成
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电池的组成
组成：
离子导体，传递正负极间电荷
正极
电极
隔 膜
电解液（电解质） 外壳
负极
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
42
（1）电极 （electrode)
• 电池的核心 •活性物质： 电极中参加成流
郭炳焜，中南大学出版社，2009
3
参考期刊
国际 J. Power Sources 国内 Solid State Ionics • 电池 Fuel Cell • 电源技术 Electrchemica Acta • 电池工业 Electrochemical communication • 蓄电池 J. Electrochem Soc. Electrochemical and solid state letters • 电化学 • 化学与物理电源系统 J. Solid state electrochemistry J. Applied electrochemistry • 化学类其他期刊 Electrochemistry J. New materials for electrochemical system Others
电化当量，密度
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 环境友好
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常用活性物质
• 活性物质存在形式： • 一般为固体（Zn、PbO2等），也有气体（H2、O2）、液体 （SO2）或浆料（ZnO）
• 常用活性物质种类： • 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
纳米结构材料在先进能源器件应用中的表界面研究
• 另外太阳能电池方向约有6项
6
国家项目与政策支持：
• 国家863项目：节能与新能源汽车重大专项，十一五经费达12亿元，
十二五一期经费为7.38亿元，其中1/3用于电池
• 十城千辆：首批13城市，总共25城市，电动车规模试 验 • 节能减排：电池是高效绿色能源 • 十二五期间国家优先发展七大战略新兴产业：节能环保、
• 酸性电解液电池 acid battery
• 碱性电解液电池
• 中性电解液电池 • 有机电解质溶液电池 • 固体电解质电池 • 熔融盐电解质电池 • 聚合物电解质电池
alkaline battery
neutral battery organic electrolyte battery solid electrolyte battery melton electrolyte battery polymer electrolyte battery
反应、产生电能的物质。
• 导电骨架 传导电子，使电 : 流分布均匀；支撑活性物 质。
43
活性物质 (active material / mass)
• 对活性物质的要求:
电化学活性高；ΔG<0，i0大 组成电池电动势高：
正极活性物质电势尽可能正 负极活性物质电势尽可能负
质量比容量和体积比容量大
• 3. 电流、电压、容量和几何尺寸可调
扣式电池几个毫安时，潜艇电池288块大型铅酸电池，每只 8000安时，重1吨。微型电池可制作在电路板上
15
• 4. 便于携带，使用简便
太阳能电池对使用环境也有要求：光线
• 5. 能经受各种环境的考验(如冲击、震动 、旋转)。
导弹发射，车辆振动，耐高加速度、耐振动、耐旋转， 真空环境中也可工作
21
• 伏打电堆的促进了电学的发展：欧姆
定律，电磁学，电动机，发电机 • 1800年，利用电池电解水实验：氢气 和氧气 • 1834年， 法拉第电解定律：电与化 学反应的定量关系 • 1836年， 丹尼尔电池
——第一种实用性电池
22
200多年中，化学电源的重要进展
• 1859年法国科学家Plante发明了铅酸蓄电池(这是世界上 第一个可充电池)
智能武器 • 地下：矿灯、地下应急设施
17
第一章 化学电源概论
11:01
18
1.1 化学电源发展历史
• 巴格达电池（2000年前） • 1936年巴格达考古发现
• 向陶瓶内倒入一些酸或碱水，便
可以发电，推测为电池
• 在巴格达近郊，继发现古电池之
后，还陆续发现许多电镀物品
19
1786年 伽伐尼现象“动物电”
• 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。
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• 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)
• 3）电动汽车与新能源储能对电池是一个巨大的推动。EV，HEV，863节能
与新能源汽车重大专项，十城千辆工程，财政补贴
25
• 4 ）新材料的发展也促进了电池的发展： MH ， LiC6、SOFC中的高温密封材料等 • 5）资源 • 6）环境 用户对化学电源的要求：高比能量，高可靠性， 长寿命，无污染
纸 电 池
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1.3 化学电源的工作原理
化学电源是化学能直接转换成电能的装置。
36
化学电源内部的电势变化
负 极
双电层
正 极
双电层
Charge
discharge
37
化学电源要实现将化学能直接转化为电能 必须具备的条件
例1：浓硫酸稀释 例2：酸碱中和 例3：置换 例4：镁条燃烧 • (1)化学反应必须是氧化还原反应，而且氧化和 还原过程必须分隔在两个空间进行 例4：铁的腐蚀 • (2)氧化还原反应发生时 电子必须经过外线路
• 6. 工作温度范围宽 • 7. 维护方便
-40℃～60℃
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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、
• 50年代：碱性锌锰电池 • 60年代：燃料电池 阿波罗飞船
• 70年代：各种锂电池
• 80年代：氢镍蓄电池 • 90年代：锂离子电池 • 二十一世纪：新型绿色环保电池(金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、 无汞碱性锌锰电池和可充碱锰电池、燃料电池、聚合物锂电池或锂离子
蓄电池。
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电池发展的推动力量：
化学电源工艺学
程新群
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电化学工业
• • • • • • 化学电源 电镀（表面工程） 腐蚀与防护 电解加工（精炼与提纯、切削与抛光） 电化学合成 电化学传感器
2
参考教材
• 1. 化学电源 程新群， 化学工业出版社， 2008 • 2. 化学电源工艺学
史鹏飞，哈尔滨工业大学出版社，2006
• 3. 化学电源：电池原理及制造技术
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。
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中国电池主要厂家
• • • • • • • 比亚迪 风帆 光宇 双登 南都 力神 比克
29
1.2Βιβλιοθήκη Baidu电池的分类（电解液类型）
• 1737～1798 • 意大利医生和 动物学家
20
伏打序列与伏打电堆
• 意大利著名物理学家, 1745～1827
• 1793年，提出“金属电”
• 两种金属 • 1796年，第一类导体与第二类导体 • 1797年，根据各种金属接触的实验结果，伏打列出了 “锌－铅－锡－铁－铜－银－金”的次序，这就是著 名的伏打序列。其中两种金属相接触时，位于序列前 面的都带负电、后面的带正电。 • 1800年，伏打电堆
38
几个概念：
• 成流反应：Current Producing Reaction
电池工作时，电极上发生的产生电能的电化学反应
• 活性物质：Active Material / Mass
电极上能够参加电化学反应、释放电能的物质
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几个概念：
• 正极：Positive Electrode • 负极：Negative Electrode • 阴极：Cathode
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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)
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生物电池
• 生物能 • 生物燃料电池
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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