化学电源
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§4 化学电源
化学电源性能指标
1. 电动势与开路电压； 2. 工作电压与电池内阻； 3. 电池容量与放电深度； 4. 比能量与比功率； 5. 电池寿命； 6. 过充电性能。
化学电源分类
（1）一次化学电源 电池中的反应物质进行一次氧 化还原反应并放电之后，就不能再次利用，如干电池。
（2）二次化学电源 二次电池在放电后经充电可使 电池中的活性物质恢复工作能力。铅蓄电池和可充电 电池都是二次电池。
掺杂型碳 金属氧化物：SnO、WO2、MoO2、TiO2、
VO2、LixFe2O3、Li4Ti5O12等
燃料电池
能量利用率高，清洁环保
燃料电池基本原理
H2
1 2
O2
H2O(l)
H
o m
(298K)
-285.85
kJ/mol
Gmo (298K) -237.19 kJ/mol
CH3OH(l)
3 2
Cd 2NiOOH 2H2O Cd (OH )2 Ni(OH )2
特点：自放电小，贮存寿命长，耐过充放电能力强。
镍氢电池：
)MHx KOH NiOOH(
负极： MH x xOH xe M xH2O 正极： NiOOH H2O e Ni(OH )2 OH
电池反应： MHx xNiOOH M xNi(OH )2
（2）工作温度范围宽在－20℃～60℃之间， 适于高寒地区使用；
（3）大电流连续放电其容量是酸性锌锰电池 的5倍左右；
（4）贮存寿命长。
碱性镍镉电池：
)Cd KOH NiOOH(
负极： Cd 2OH 2e Zn(OH )2 正极： NiOOH H2O e Ni(OH )2 OH
电池反应：
隔膜：较高离子传输能力，较低电子导电能力，好的 化学稳定性和一定的机械强度。
锌锰电池：
中性锌锰电池： )Zn NH4Cl ZnCl2 MnO2,C(
负极： Zn 2e Zn2 正极： 2MnO2 2H2O 2e 2MnOOH 2OH
电池反应： Zn 2MnO2 2NH4Cl 2MnOOH Zn(NH3)2 Cl2
中性锌锰电池： )Zn NH4Cl ZnCl2 MnO2,C(
碱性锌锰电池：)Zn 浓KOH(K2[Zn(OH)4]) MnO2,C(
负极： Zn 4OH 2e Zn(OH )24
正极： MnO2 H2O e MnOOH 2OH
MnOOH
H 2O
OH
Mn(OH
)
4
Mn(OH )4 e Mn(OH )42
嵌锂电极材料
正极材料： 层状LiMO2化合物：LiCoO2 , LiVO2 , LiNiO2, LiMnO2
尖晶石型 LiM2O4化合物： LiCo2O4, LiV2O4, LiMn2O4,。
负极材料：
石墨
碳 材 非石墨 料
天然或人工石墨
碳纤维 石墨化碳 介稳相球状碳
软碳（焦炭）
硬碳
Polyacene 线性石墨混合物
电池反应：
Zn
MnO2
2H2O
4OH
Mn(OH
)42
Zn(OH ) 2 4
由于阴极反应不全是固相反应，负极为阳极反 应是可溶性的Zn(OH)42-，故内阻小，放电后电压 恢复能力强。
碱性锌锰电池采用了高纯度、高活性的正、负 极材料，以及离子导电性强的碱作为电解质，使电 化学反应面积成倍增长。
特点:（1）开路电压为1．5V；
O2
CO2
H2O(l)
H
o m
(298K)
-719.23
kJ/mol
Gmo (298K) -698.56 kJ/mol
热机的理论效率 实际效率
～60% 20% ～30%
燃料电池的理论效率 实际效率
＞80% ＞60%
燃料电池是一种高效、无噪音、 无污染、直接产生电力的能源， 将来必将代替热机。
--Ostwald-- (1894)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
特点：价格低廉，电压高且稳定，电池容量大。
铅酸电池： )Pb H2SO4( 1.20 1.31) PbO2(
锂离子电池
20世纪60年代开始研制锂电池 1990年日本Sony公司率先研制成功锂离子电池
结构： Li(C) │含锂盐的有机溶质│ 嵌Li的化合物
电池反应： (-) Li →Li+ + e(+) Li+ + e- →Li
（3）燃料电池 又称为连续电池，一般以天然燃料 或其它可燃物质如氢气、甲醇、天然气、煤气等作为 负极的反应物质，以氧气作为正极反应物质组成燃料 电池。
化学电源
正极：常选用金属氧化物 负极：常选用较活泼金属
与活性物质一起构成电极的添加剂一般有：导电剂、 粘结剂、缓蚀剂等。
电解液：高导电率，化学稳定性好、不易挥发、易于 长期贮存
特点：比能量高，环保，无记忆效应，充放电循环 寿命长，耐过充放电能力强
铅酸电池： )Pb H2SO4( 1.20 1.31) PbO2(
负极： Pb HSO4 2e PbSO4 H 正极： PbO2 HSO4 3H 2e PbSO4 2H2O 电池反应：
Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O
化学电源性能指标
1. 电动势与开路电压； 2. 工作电压与电池内阻； 3. 电池容量与放电深度； 4. 比能量与比功率； 5. 电池寿命； 6. 过充电性能。
化学电源分类
（1）一次化学电源 电池中的反应物质进行一次氧 化还原反应并放电之后，就不能再次利用，如干电池。
（2）二次化学电源 二次电池在放电后经充电可使 电池中的活性物质恢复工作能力。铅蓄电池和可充电 电池都是二次电池。
掺杂型碳 金属氧化物：SnO、WO2、MoO2、TiO2、
VO2、LixFe2O3、Li4Ti5O12等
燃料电池
能量利用率高，清洁环保
燃料电池基本原理
H2
1 2
O2
H2O(l)
H
o m
(298K)
-285.85
kJ/mol
Gmo (298K) -237.19 kJ/mol
CH3OH(l)
3 2
Cd 2NiOOH 2H2O Cd (OH )2 Ni(OH )2
特点：自放电小，贮存寿命长，耐过充放电能力强。
镍氢电池：
)MHx KOH NiOOH(
负极： MH x xOH xe M xH2O 正极： NiOOH H2O e Ni(OH )2 OH
电池反应： MHx xNiOOH M xNi(OH )2
（2）工作温度范围宽在－20℃～60℃之间， 适于高寒地区使用；
（3）大电流连续放电其容量是酸性锌锰电池 的5倍左右；
（4）贮存寿命长。
碱性镍镉电池：
)Cd KOH NiOOH(
负极： Cd 2OH 2e Zn(OH )2 正极： NiOOH H2O e Ni(OH )2 OH
电池反应：
隔膜：较高离子传输能力，较低电子导电能力，好的 化学稳定性和一定的机械强度。
锌锰电池：
中性锌锰电池： )Zn NH4Cl ZnCl2 MnO2,C(
负极： Zn 2e Zn2 正极： 2MnO2 2H2O 2e 2MnOOH 2OH
电池反应： Zn 2MnO2 2NH4Cl 2MnOOH Zn(NH3)2 Cl2
中性锌锰电池： )Zn NH4Cl ZnCl2 MnO2,C(
碱性锌锰电池：)Zn 浓KOH(K2[Zn(OH)4]) MnO2,C(
负极： Zn 4OH 2e Zn(OH )24
正极： MnO2 H2O e MnOOH 2OH
MnOOH
H 2O
OH
Mn(OH
)
4
Mn(OH )4 e Mn(OH )42
嵌锂电极材料
正极材料： 层状LiMO2化合物：LiCoO2 , LiVO2 , LiNiO2, LiMnO2
尖晶石型 LiM2O4化合物： LiCo2O4, LiV2O4, LiMn2O4,。
负极材料：
石墨
碳 材 非石墨 料
天然或人工石墨
碳纤维 石墨化碳 介稳相球状碳
软碳（焦炭）
硬碳
Polyacene 线性石墨混合物
电池反应：
Zn
MnO2
2H2O
4OH
Mn(OH
)42
Zn(OH ) 2 4
由于阴极反应不全是固相反应，负极为阳极反 应是可溶性的Zn(OH)42-，故内阻小，放电后电压 恢复能力强。
碱性锌锰电池采用了高纯度、高活性的正、负 极材料，以及离子导电性强的碱作为电解质，使电 化学反应面积成倍增长。
特点:（1）开路电压为1．5V；
O2
CO2
H2O(l)
H
o m
(298K)
-719.23
kJ/mol
Gmo (298K) -698.56 kJ/mol
热机的理论效率 实际效率
～60% 20% ～30%
燃料电池的理论效率 实际效率
＞80% ＞60%
燃料电池是一种高效、无噪音、 无污染、直接产生电力的能源， 将来必将代替热机。
--Ostwald-- (1894)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
特点：价格低廉，电压高且稳定，电池容量大。
铅酸电池： )Pb H2SO4( 1.20 1.31) PbO2(
锂离子电池
20世纪60年代开始研制锂电池 1990年日本Sony公司率先研制成功锂离子电池
结构： Li(C) │含锂盐的有机溶质│ 嵌Li的化合物
电池反应： (-) Li →Li+ + e(+) Li+ + e- →Li
（3）燃料电池 又称为连续电池，一般以天然燃料 或其它可燃物质如氢气、甲醇、天然气、煤气等作为 负极的反应物质，以氧气作为正极反应物质组成燃料 电池。
化学电源
正极：常选用金属氧化物 负极：常选用较活泼金属
与活性物质一起构成电极的添加剂一般有：导电剂、 粘结剂、缓蚀剂等。
电解液：高导电率，化学稳定性好、不易挥发、易于 长期贮存
特点：比能量高，环保，无记忆效应，充放电循环 寿命长，耐过充放电能力强
铅酸电池： )Pb H2SO4( 1.20 1.31) PbO2(
负极： Pb HSO4 2e PbSO4 H 正极： PbO2 HSO4 3H 2e PbSO4 2H2O 电池反应：
Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O