应用电化学-能源与电化学-第一章

第二节 一次电池
1 一次电池的通性
2 锌-锰电池的发展及分类
3 中性锌-锰电池
4 碱性锌-锰电池
5 无汞锌-锰电池
1 一次电池的通性
方便、简单、容易使用，维修工作量极少； 大小和形状可根据用途来设计； 贮存寿命长；
适当的比能量和比功率；
可靠，成本低。
实用一次电池及其基本性质
化
蓄电池
学 电 源
又称激活电池，其正、负极活性物质在贮存期不直 储备电池 接接触，使用前临时注入电解液或用其他方法使电 池激活。 又称连续电池，是一种以电化学方法将燃料的化学 能直接转化为电能的高效率、无污染的发电装置， 燃料电池 它的工作原理同一般的化学电源相似，只要连续不 断地输入燃料及氧化剂，即可连续输出电能。
2MnOOH + 2H+ = MnO2 + Mn2+ + 2H2O (Z6) (同N6)
铵型电池成流反应
(N3) + (N5) + (N1)得： 2MnO2 + 2NH4Cl + Zn=2MnOOH + Zn(NH3)2Cl2 (N8) 2MnO2+NH4Cl+Zn+H2O=2MnOOH+NH3+Zn(OH)Cl (N9) (N5) + (N2) + (N1)得： 2MnO2 + 4NH4Cl + ZnCl2 + Zn = MnO2 + MnCl2 + 2Zn(NH3)2Cl2+2H2O (N10) 3MnO2 + 2NH4Cl + ZnCl2 + Zn = ZnO· Mn2O3 + MnCl2 +NH3 + Zn(NH3)2Cl2 + 2H2O (N11)
电池的寿命
一次电池的寿命是指给出额定容量的工作时间。 二次电池的寿命通常指充、放电循环使用寿命。 二次电池经历一次充放电称一个周期，在一定的放 电制度下，电池容量降至规定值之前，电池所经受 的循环次数，称使用周期。
蓄电池的充电电压 蓄电池充电时外电源加在电池两端的电压 充电电压 V充 = E + IRi
应用电化学
电化学科学的定义
电化学是研究电现象与 化学现象之间的内在联系及 电能与化学能之间转换规律 的一门科学。
电化学科学的研究对象
第一类导体（载流子：电子） 第二类导体（载流子：离子）
原电池回路
第一类导体 第二类导体 两类导体界面 性质及其效应
电解池回路
物理学（电工及电子学） 经典电化学 现代电化学
活性物质利用率： k = C实 / C理
额定容量（公称容量）C额：在设计的放电条件下，电 池保证给出的最低电容量。 比容量：单位体积或单位质量电池所放出的电容量， 分别称为体积比容量和质量比容量。
电池的能量 电池在一定的放电制度下对外作功所输出的能量。 理论能量W理：假定电池在放电过程中放电电压始终维 持在电动势E值且活性物质全部参加成流反应时电池所 给出的能量。 W理 = C理 • E = -G 实际能量W实：电池在一定放电制度下实际给出的电能 量。W实 = C实 • V平 比能量：单位体积或单位质量电池所放出的电能量
(2) 方波电流法 电池欧姆内阻R = VR / I
(3) 交流阻抗法
电池工作电压
电池工作电压（通常用符号 V 表示） 又称放电电压或负荷电压，是指有电
流通过外电路时，电池两极间的电势
差。工作电压与电池电动势之间具有 如下关系：
V = E － IRi = E － I (R + Rf)
或：V = E ― ＋ ― ― ― IR
ZnSO4
电池充电总反应：Zn2+ + Cu Zn + Cu2+
电池中化学反应的特点
氧化反应与还原反应“共
轭”产生，并且两个过程 分隔在两个区域进行。
电池中物质进行氧化还原
反应时，电子须经过外线 路传递。
以上两个特点，是实现化学能转 变成电能必须具备的两个条件。
2 化学电源基本组成
电 极 活性物质参与成流反应，集流体起导电作用
目标&要求
了解化学电源的基本类型及其特点； 了解化学电源各部分的作用； 了解碱性锌－锰电池的结构、成流反应及优点； 了解无汞锌－锰电池的工作原理；
了解铅酸蓄电池的分类、特点、结构及应用；
了解铅酸蓄电池的工作原理及密闭铅酸蓄电池的工作原理；
了解锂离子电池正极材料、负极材料、电解质的发展情况；
I Load
氧化反应: Zn - 2e Zn2+
Baidu Nhomakorabea
Zn
ZnSO4
eCu CuSO4
+ 还原反应: Cu2+ + 2e Cu
电池放电总反应：Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu
Zn-Cu电池工作原理（充电态）
I
还原反应: Zn2+ + 2e Zn
Zn
eCu CuSO4
+
氧化反应: Cu - 2e Cu2+
了解燃料电池的特点及分类； 了解超级电容器工作原理及其特点。
电源/电池
能够提供电能的装置
化学电源
把化学反应产生的能 量转变成电能的装置
如：锌锰原电池 铅酸蓄电池 锂离子二次电池 燃料电池
物理电源
把物理反应产生的能 量转变成电能的装置
如：太阳能电池 原子能核电站 风力发电站 潮汐发电站
化学电源 应用广泛
3 化学电源的分类
原电池
也称一次电池，由于电池反应本身不可逆或可逆反 应很难进行，电池放电后不能通过简单充电的方法 使两极活性物质恢复到放电前的初始状态而可重新 使用的电池。 也称二次电池，电池的两极反应为可逆反应，放电 后可用充电的方式使其活性物质恢复到放电前的初 始状态，从而可重复使用的电池。
氢-氧燃料电池
铅酸蓄电池
电池内阻
电池内阻
电流通过电池内部受到的阻力，用符号Ri表示
欧姆电阻R
包括电极材料电阻、电解 质电阻、离子通过隔膜微 孔受到的阻力及正负极与 隔膜的接触电阻。
极化电阻RP
与电化学反应极化相当的 电阻，包括电化学极化和
浓差极化两部分。
电池内阻的测量方法
(1) 短时短路法
电池内阻 = E / I短
l 化学电源基本概念 l 一次电池
l 二次电池 l 燃料电池
l 超级电容器
第一节 化学电源基本概念
1 化学电源工作原理
2 化学电源基本组成
3 化学电源的分类
4 化学电源的性能指标
1 化学电源工作原理
化学电源如何实现化学能向电能转换的？
&
化学电源如何放出电流提供电能的？
Zn-Cu电池工作原理（放电态）
充电方式： 恒流充电 恒压充电 脉冲充电 分段定电流充电 恒流-恒压充电
蓄电池的输率 蓄电池的输率表示电池在充放电过程中的能量 转换效率，反映了电池工作时的可逆程度。
电压输率 V = V放 / V充 100% 容量输率 C = C放 / C充 100% 能量输率 W = W放 / W充 100%
(N2)
(N3) (N4)
(Z2) (同N2) (Z3) (同N4)
电解液中反应
l 铵型电池
Zn2+ + NH4Cl = Zn(NH3)2Cl2 + 2H+ 2MnOOH + 2H+ = MnO2 + Mn2+ + 2H2O 2MnOOH + 2NH4+=MnO2+Mn2++2H2O+2NH3 l 锌型电池 Zn2+ + 2H2O = Zn(OH)2 + 2H+ 4Zn(OH)2 + ZnCl2 = ZnCl2· 4Zn(OH)2 (Z4) (Z5) (N5) (N6) (N7)
电池电动势一般不能采用实验方法测定，而是应用电池热力学原理， 通过理论计算获得的，故也称为电池理论电动势。 GT, P = －zFE
电池开路电压
电池开路电压（通常用符号U表示）是指电池两极在断路（无电流）
时的稳定电极电势之差。
概念区别
电池电动势与电池开路电压是两个不同的概念，前者是指两电极平衡电 极电势的差，而后者指两电极稳定电极电势的差。一般负极的稳定电极电势
2 锌-锰电池的发展及分类
锌－二氧化锰电池（简称锌锰电池）是在1868
年由法国工程师乔治－勒克兰社（Leclanche）发明
问世，因此又称勒克兰社电池。
方便、简单、可靠，容易使用； 大小和形状可根据用途来设计； 贮存寿命长； 适当的比能量和比功率；
成本低。
锌-锰电池的分类
锌 锰 电 池
中性电液锌－锰电池
糊式电池
纸板电池
碱性电液锌－锰电池
一次电池
二次电池
无汞锌－锰电池
3 中性锌-锰电池
电池结构
第一代产品： 糊式电池 第二代产品： 纸板式电池
纸板式电池的优点
l 电极间距减小，电池内阻减小
纸板式电池浆纸层厚度 0.15 ~ 0.20 mm 糊式电池浆糊层厚度 2.5 ~ 3.0 mm l MnO2用量增加，电容量增加 MnO2用量增加35%
化 学 电 源
电 解 质 保证两电极间离子导电，参与电极反应
隔
膜 防止正负极直接接触，以免电池内部短路
外
壳 作为电池容器并起到保护电池的作用
其他附件 接线柱、防爆阀、导电排等
电极活性物质选择原则
1 活性物质电化当量尽量小，以保证电池放出同样电量 时有较轻的质量。 电化当量：提供单位电量的活性物质质量。 电化当量单位：g/C，g/F，g/Ah 2 正极活性物质的电极电势越正，负极活性物质的电极 元素： 钠Na 镁Mg 铝Al 电势越负，则电池电动势越高。 摩尔质量 22.99 24.32 26.98 价态变化 1 2 3 电化当量 22.99g/F 12.16g/F 8.99g/F 0.86g/Ah 0.45g/Ah 0.33g/Ah
电容量增加40%
电池电解液
l 铵型电池（以NH4Cl为主，高容量型）
(-) ZnNH4Cl(ZnCl2)MnO2(C) (+) l 锌型电池（以ZnCl2为主 ，高功率型） (-) ZnZnCl2MnO2(C) (+)
负极反应
l 铵型电池 Zn = Zn2+ + 2e l 锌型电池 (N1)
比平衡电极电势正，正极的稳定电极电势比平衡电极电势负，故电池的开路
电压总是小于电池的电动势。只有当两个电极都是可逆的，其开路电压才与 电池的电动势相等，但绝不会出现电池开路电压大于电池电动势的现象。 锌-氧电池 电动势 E = 1.646 V 开路电压 V开 = 1.4 ~ 1.5 V 电动势 E = 1.23 V 开路电压 V开 = 0.9 ~ 1.1 V 电动势 E = 2.1 V 开路电压 V开 ~ 2.1 V
化 学 电 源
酸性电池
化 学
有机电解质电池
碱性电池
水溶液电解质电池
电 源 化 学 电 源
高容量电池 密封电池 免维护电池 防爆电池 固体电解质电池
中性电池
4 化学电源的性能指标
电池电动势
电池电动势（通常用符号 E表示），是指电池两极在断路（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。
电池的容量
在一定的放电制度下电池所给出的电容量
放电制度：指放电电流强度I放、放电温度T放、
放电方式及放电终止电压V放等放
电条件。
放电时率&放电倍率
放电时率t：以放电时间的长短表示电池放电的速率，即 在规定的放电时间内，电池放出全部额定容量。 放电时 率t = C额 / I放 放电倍率：放电电流为电池额定容量的某一个倍数。 放电倍率 = I放 / C额
放电时率与放电倍率间关系： t=1/
放电方式
V/ V V/ V
I1 > I2
1 > 2
t/h
t/h
V/ V
放电方式 ： 恒流放电&恒阻放电
2 1
t/h
连续放电&间歇放电
相关概念
理论容量C理：假定活性物质全部参加成流反应，由法 拉第定律计算出来的电容量。 实际容量C实：在一定放电制度下实际放出的电容量。
电化学科学
化 工 生 物 材 料 环 境 医 药 能 源 军 工 信 息
主要内容
能源与电化学 —— 化学电源
材料与电化学 —— 工业电解
信息与电化学 —— 电化学传感器 生命与电化学 —— 生物电化学
第 章
1
能源与电化学
—— 化学电源/化学电池
目标&要求
掌握化学电源的工作原理、基本构成及化学能向电能转变的基 本条件； 掌握基本概念：电池电动势、开路电压、工作电压、电池内阻、 放电时率、放电倍率、质量比容量、体积比容量等； 掌握锂离子电池的工作原理及基本构成； 掌握燃料电池的工作原理、系统构成及关键部件；
Zn = Zn2+ + 2e
(Z1) (同N1)
正极反应
l 铵型电池
MnO2 + H+ + e = MnOOH
MnO2 + NH4+ + e = MnOOH + NH3 MnO2 + Zn2+ + 2e = ZnO· Mn2O3 l 锌型电池 MnO2 + H+ + e = MnOOH MnO2 + Zn2+ + 2e = ZnO· Mn2O3