第三章_化学电源
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化学电源课件
循环寿命
循环寿命：化学电源在多次充放电过程中能够保持性能和容量的时间长度。 循环寿命取决于电池的材料、结构和制造工艺，以及使用条件和环境因素。
长循环寿命的电池能够延长使用寿命，减少更换次数和维护成本。
内阻
01
02
03
内阻：化学电源内部所具有的 电阻，包括欧姆电阻和极化电 阻。
内阻的大小直接影响电池的充 放电性能和效率，内阻越大， 充放电效率越低。
目前，燃料电池广泛应用于汽车、航 天、船舶和发电站等领域。
燃料电池由燃料（如氢气、甲醇等） 、氧化剂（如氧气、空气等）和电极 （正负极）组成。
燃料电池的优点包括高效率、低污染 和低噪音等。
太阳能电池
太阳能电池是一种利用太阳能光子的 能量转换成电能的装置。
目前，太阳能电池广泛应用于光伏发 电站、太阳能热水器和太阳能灯等领 域。
降低内阻有助于提高电池的充 放电性能和效率，减少能量损 失。
自放电率
01
自放电率：化学电源在 不使用情况下，其存储 的能量自行损失的速度
。
02
自放电率取决于电池的 材料、结构和制造工艺 ，以及环境温度和湿度
等因素。
03
自放电率越低，电池的 长期存储性能越好，能 够保持更长时间的可用
容量。
04
化学电源的发展趋势
电动汽车的普及
随着环保意识的提高和技术的进步，电动汽车的市场份额将持续增长。化学电源作为电 动汽车的核心技术，将发挥关键作用，为电动汽车的长距离行驶和快速充电提供支持。
电池技术的改进
未来，电动汽车的续航里程和充电速度将通过改进电池技术得到提升。新型化学电源的 开发将满足更严格的性能要求，如更高的能量密度、更快的充电速度和更长的使用寿命
化学电源课件
化学电源课件化学电源课件化学电源是一种能够将化学能转化为电能的装置，广泛应用于现代社会的各个领域。
它不仅为我们的生活提供了便利，还在工业生产、科学研究等方面发挥着重要的作用。
本文将从化学电源的原理、种类以及应用等方面进行探讨。
一、化学电源的原理化学电源的原理是基于化学反应中的电化学过程。
在化学反应中，原子或分子之间的电子转移会产生电荷，从而形成电流。
化学电源利用这种电化学反应的原理，将化学能转化为电能。
化学电源通常由两个半电池组成，即负极和正极。
负极是一个氧化剂，它能够吸收电子，而正极则是一个还原剂，它能够释放电子。
当两个半电池通过导电材料相连时，电子从负极流向正极，形成电流。
同时，离子也会在电解质中传递，维持电荷平衡，完成电化学反应。
二、化学电源的种类1. 干电池干电池是最常见的一种化学电源，它由一个锌负极、一个碳正极和一个电解质组成。
锌负极与电解质之间的反应产生电子，而电解质与碳正极之间的反应则促使电子流动。
干电池具有体积小、重量轻、使用方便等优点，广泛应用于日常生活中的电子设备。
2. 燃料电池燃料电池是一种利用氢气或氢气源与氧气反应产生电能的化学电源。
燃料电池具有高效能、无污染、噪音低等优点，被广泛应用于交通工具、航天器等领域。
其中，最为常见的燃料电池是质子交换膜燃料电池，它利用质子交换膜将氢气和氧气分隔开，通过电化学反应产生电流。
3. 锂电池锂电池是一种利用锂离子在正负极之间来回迁移产生电能的化学电源。
锂电池具有高能量密度、长寿命等优点，被广泛应用于移动通信设备、电动车辆等领域。
目前，锂离子电池是最为常见的一种锂电池，它具有较高的电压和较低的自放电率。
三、化学电源的应用化学电源在现代社会的各个领域都有广泛的应用。
在日常生活中，我们使用的手机、笔记本电脑、手表等电子设备都离不开化学电源。
干电池和锂电池是最常见的电子设备电源，它们为我们提供了方便的移动能源。
在工业生产中，化学电源也发挥着重要的作用。
第3章 化学电源3
6
二次电池特点
恒电流充电 变电流充电：开始阶段以较大电流充电，后阶段 充电方式 用较小电流充电, 利于完全充电延长电池寿命。 定电位充电：调节充电电流，维持充电电压恒定 的充电方式。 充电电压为电池充电时该二次电池的端电压，充电时外部充 电设备施加的电压必须超过该电池 (或电池组)的充电终止电 压。 电压控制 截止方式 时间控制
•正极板栅长大 ： 由于其表面生 成氧化膜；导致线性尺寸增加、 弯 曲 以及筋条的断裂,从而造成 板栅的破坏和电池寿命的终止。
•由放电电流、温度、硫酸等产 生钝化及自放电增大。
14
对铅酸电池的改进措施
采用较轻材料制备板栅，提高比容量；
采用高分散度的电极提高活性物质利用率； 采用胶状电解液使电池在任何情况下均可运行； 采用Pb-Ca合金或Pb-Sb合金，降低自放电和水的分解； 塑料的密封电池有排气阀门等
镍氢电池 锂离子电池
密封技术， 功率、能量 密度提高， 重负载工业
布兰特 铅酸电池
爱迪生 碱性铁镍
镍镉电池 1909
20世纪50‘ 5
1859
1908
评价二次电池性能的主要指标
容量效率：在一定条件下，二次电池放电时输出的电量和 电池充电至原始状态时所需的电量的比。 容量效率接近1，表示电池充放电期间能量损失很小。 伏特效率：蓄电池放电和充电过程的工作电压之比，反映 放电和充电过程极化的大小，伏特效率接近于 1 ，表明电 池可逆性好。 能量效率：容量效率和伏特效率的乘积，评价电池能量损 失和极化行为的综合指标。 实用：希望电池充放电曲线平坦，初始和截止电压差值小。
电池表达式为： (-) Pb∣H2SO4∣PbO2 (+) 负极反应： Pb + HSO4- ⇋ PbSO4 + H+ + 2e 正极反应： PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e ⇋ PbSO4 + 2H2O 电池反应： Pb + PbO2 + 2H2SO42- ⇋ 2PbSO4 + 2H2O
二次电池特点
恒电流充电 变电流充电：开始阶段以较大电流充电，后阶段 充电方式 用较小电流充电, 利于完全充电延长电池寿命。 定电位充电：调节充电电流，维持充电电压恒定 的充电方式。 充电电压为电池充电时该二次电池的端电压，充电时外部充 电设备施加的电压必须超过该电池 (或电池组)的充电终止电 压。 电压控制 截止方式 时间控制
•正极板栅长大 ： 由于其表面生 成氧化膜；导致线性尺寸增加、 弯 曲 以及筋条的断裂,从而造成 板栅的破坏和电池寿命的终止。
•由放电电流、温度、硫酸等产 生钝化及自放电增大。
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对铅酸电池的改进措施
采用较轻材料制备板栅，提高比容量；
采用高分散度的电极提高活性物质利用率； 采用胶状电解液使电池在任何情况下均可运行； 采用Pb-Ca合金或Pb-Sb合金，降低自放电和水的分解； 塑料的密封电池有排气阀门等
镍氢电池 锂离子电池
密封技术， 功率、能量 密度提高， 重负载工业
布兰特 铅酸电池
爱迪生 碱性铁镍
镍镉电池 1909
20世纪50‘ 5
1859
1908
评价二次电池性能的主要指标
容量效率：在一定条件下，二次电池放电时输出的电量和 电池充电至原始状态时所需的电量的比。 容量效率接近1，表示电池充放电期间能量损失很小。 伏特效率：蓄电池放电和充电过程的工作电压之比，反映 放电和充电过程极化的大小，伏特效率接近于 1 ，表明电 池可逆性好。 能量效率：容量效率和伏特效率的乘积，评价电池能量损 失和极化行为的综合指标。 实用：希望电池充放电曲线平坦，初始和截止电压差值小。
电池表达式为： (-) Pb∣H2SO4∣PbO2 (+) 负极反应： Pb + HSO4- ⇋ PbSO4 + H+ + 2e 正极反应： PbO2 + HSO4- + 3H+ + 2e ⇋ PbSO4 + 2H2O 电池反应： Pb + PbO2 + 2H2SO42- ⇋ 2PbSO4 + 2H2O
《高一化学化学电源》课件
从而形成电流。
电解池的工作原理
电解池是将电能转化为化学能 的装置，由电源、电解液和电 极组成。
当电流通过电解液时，阳极发 生氧化反应，阴极发生还原反 应，从而在两极之间形成电位 差。
电解池中的电极反应与原电池 相反，电流通过电解液时，电 解质溶液中的离子在电极上发 生氧化还原反应。
电池的电动势与能量转换
4. 连接灯泡
将灯泡连接到电池上，观察灯 泡是否发光。
1. 准备材料
确保所有材料都准备齐全，并 检查其质量。
3. 加入稀硫酸
在容器中加入适量的3%稀硫 酸，将铜片和锌片浸入其中。
5. 记录结果
记录实验过程中的现象和结果 。
实验结果与讨论
灯泡发光
如果灯泡发光，说明化学反应产生了电流，原电池工作正 常。
铅蓄电池
1859年，普兰特发明了铅 蓄电池，并被广泛应用于 汽车和电动车领域。
锂离子电池
1991年，索尼公司成功开 发出了锂离子电池，具有 高能量密度、无记忆效应 等优点。
新型化学电源的研究进展
固态电池
固态电池使用固态电解质代替了 传统的液态电解质，具有更高的
能量密度和安全性。
燃料电池
燃料电池通过氢气和氧气反应产生 电能，具有高效、环保、可再生的 特点。
料组成。
干电池的电压较低，通常为1.5伏 特，使用时间较短，适用于小型 电子设备如遥控器、计算器等。
干电池的优点是易于购买和使用 ，价格便宜，缺点是使用时间短
，容易漏液。
铅蓄电池
铅蓄电池是一种可充电的化学电源， 由铅、氧化铅和硫酸等材料组成。
铅蓄电池的优点是容量大、电压稳定 、使用寿命长，缺点是较重、充电时 间长、容易产生硫酸盐化现象。
电解池的工作原理
电解池是将电能转化为化学能 的装置，由电源、电解液和电 极组成。
当电流通过电解液时，阳极发 生氧化反应，阴极发生还原反 应，从而在两极之间形成电位 差。
电解池中的电极反应与原电池 相反，电流通过电解液时，电 解质溶液中的离子在电极上发 生氧化还原反应。
电池的电动势与能量转换
4. 连接灯泡
将灯泡连接到电池上，观察灯 泡是否发光。
1. 准备材料
确保所有材料都准备齐全，并 检查其质量。
3. 加入稀硫酸
在容器中加入适量的3%稀硫 酸，将铜片和锌片浸入其中。
5. 记录结果
记录实验过程中的现象和结果 。
实验结果与讨论
灯泡发光
如果灯泡发光，说明化学反应产生了电流，原电池工作正 常。
铅蓄电池
1859年，普兰特发明了铅 蓄电池，并被广泛应用于 汽车和电动车领域。
锂离子电池
1991年，索尼公司成功开 发出了锂离子电池，具有 高能量密度、无记忆效应 等优点。
新型化学电源的研究进展
固态电池
固态电池使用固态电解质代替了 传统的液态电解质，具有更高的
能量密度和安全性。
燃料电池
燃料电池通过氢气和氧气反应产生 电能，具有高效、环保、可再生的 特点。
料组成。
干电池的电压较低，通常为1.5伏 特，使用时间较短，适用于小型 电子设备如遥控器、计算器等。
干电池的优点是易于购买和使用 ，价格便宜，缺点是使用时间短
，容易漏液。
铅蓄电池
铅蓄电池是一种可充电的化学电源， 由铅、氧化铅和硫酸等材料组成。
铅蓄电池的优点是容量大、电压稳定 、使用寿命长，缺点是较重、充电时 间长、容易产生硫酸盐化现象。
2024年化学电源课件(多场景)
化学电源课件(多场景)化学电源课件一、引言化学电源作为一种能量转换和储存的装置，在现代社会中发挥着至关重要的作用。
随着科学技术的不断发展，化学电源的种类和应用领域也在不断拓展。
本课件旨在介绍化学电源的基本原理、主要类型、工作原理及其在各个领域的应用，以帮助读者更好地了解化学电源的重要性和发展前景。
二、化学电源的基本原理化学电源是利用化学反应将化学能转化为电能的装置。
在化学电源中，正极和负极之间通过电解质进行离子传递，从而产生电流。
化学电源的基本原理可以概括为两个主要过程：氧化还原反应和离子传递。
氧化还原反应是化学电源中最重要的反应之一。
在电池的正极，发生氧化反应，即正极材料失去电子，形成正离子；而在负极，发生还原反应，即负极材料获得电子，形成负离子。
这两个反应共同驱动电子从负极流向正极，形成电流。
离子传递是化学电源中的另一个重要过程。
在电池的电解质中，正离子和负离子通过电解质的传导作用，从正极向负极移动，以维持电荷平衡。
这种离子的传递过程使得电子能够在电池中形成一个闭合的回路，从而产生持续的电流。
三、化学电源的主要类型1.原电池：原电池是一种将化学能直接转化为电能的电源，如干电池、碱性电池等。
原电池通常是一次性使用的，其内部化学反应是不可逆的。
2.二次电池：二次电池是一种可以反复充放电的电源，如铅酸电池、锂离子电池等。
二次电池的内部化学反应是可逆的，可以通过充电过程将电能转化为化学能，通过放电过程将化学能转化为电能。
3.燃料电池：燃料电池是一种将燃料和氧气通过化学反应转化为电能的电源，如氢燃料电池、甲醇燃料电池等。
燃料电池具有高能量密度和低污染排放的优点，被广泛应用于电动汽车和便携式电源等领域。
4.太阳能电池：太阳能电池是一种将太阳光能转化为电能的电源，如硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。
太阳能电池具有清洁、可再生的特点，被广泛应用于太阳能发电和光伏建筑一体化等领域。
四、化学电源的工作原理化学电源的工作原理主要基于氧化还原反应和离子传递。
高中化学精品课件化学电源
智能化和可穿戴设 备的发展
随着智能化和可穿戴设备的不 断发展，化学电源将更加注重 小型化、轻量化和柔性化等方 面的发展，例如通过采用柔性 电池等技术来满足可穿戴设备 的需求。
化学电源的挑战与机遇
01
安全问题
02
资源短缺
化学电源在发展过程中面临着安全问 题的挑战，例如电池热失控、电解液 泄漏等问题可能对人身安全和环境造 成危害，因此需要加强电池安全性的 研究和监管。
02 03
工作原理
锂离子电池通过锂离子在正负极之间往返迁移来储存和释放电能。在充 电过程中，锂离子从正极迁移到负极；在放电过程中，锂离子从负极迁 移到正极。
优缺点
锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、无记忆效应等优点，但价格 较高且存在安全问题。
燃料电池
种类与构造
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。常见的燃料电池 包括氢氧燃料电池、甲醇燃料电池等。它们由阳极、阴极和电解质等部分组成。
电解质为固体氧化物，具有高 温操作、高离子导电性、可用 于直接碳燃料电池等特点。
光电解池
利用光能驱动电解反应，具有 节能环保、可再生能源利用等
特点。
04
化学电源的性能参数及评 价
化学电源的性能参数
电压
化学电源的两个电极之间的电势差，通常 用伏特（V）表示。
功率密度
单位体积或单位质量电源所能输出的最大 功率，用瓦/千克（W/kg）或瓦/升（ W/L）表示。
离子迁移
在外加电场的作用下，阳离子向阴 极迁移，阴离子向阳极迁移。
电流产生
通过电极反应和离子迁移，形成闭 合回路，从而产生电流。
电解池的构造与组成
01
阳极
《高二化学化学电源》课件
和分析。
误差分析
对实验数据进行误差分析，评估 实验结果的可靠性和准确性。
实验结果与讨论
结果呈现
以表格、图表等形式呈现实验结果，使数据可视 化，便于分析和理解。
结果讨论
根据实验结果进行讨论，分析可能影响实验结果 的因素，提出可能的改进措施。
结论总结
总结实验结论，指出实验的局限性和未来改进的 方向，为后续研究和实际应用提供参考。
的电源。
能源存储
家庭和工业领域的能源 存储系统，用于平衡电 网负载和提高能源利用
效率。
军事领域
用于军事设备的电源， 如导弹、雷达等。
CHAPTER 02
化学电源的基本原理
电极与电解液
电极材料
电极是化学电源的关键组成部分，通 常由金属或导电聚合物制成。电极的 主要功能是参与氧化还原反应并传输 电子。
《高二化学化学电源》 ppt课件
CONTENTS 目录
• 化学电源简介 • 化学电源的基本原理 • 常见化学电源 • 化学电源的发展趋势与挑战 • 实验与探究 • 问题与思考
CHAPTER 01
化学电源简介
定义与特点
定义
化学电源是一种将化学能直接转 化为电能的装置，也称为电池。
特点
化学电源具有高能量密度、长寿 命、无污染等优点，广泛应用于 日常生活、工业生产、军事等领 域。
CHAPTER 06
问题与思考
化学电源的效率问题
总结词
化学电源的效率问题主要涉及到电能转换的效率和能量损失。
详细描述
化学电源的效率主要受到电极反应动力学、反应物质的传递、以及热力学过程的影响。电极反应的速率和反应物 质的传递速度决定了电流的密度，而热力学过程则决定了电池的电压。提高化学电源的效率需要从这些方面入手 ，例如优化电极材料、改善反应物质的传递等。
误差分析
对实验数据进行误差分析，评估 实验结果的可靠性和准确性。
实验结果与讨论
结果呈现
以表格、图表等形式呈现实验结果，使数据可视 化，便于分析和理解。
结果讨论
根据实验结果进行讨论，分析可能影响实验结果 的因素，提出可能的改进措施。
结论总结
总结实验结论，指出实验的局限性和未来改进的 方向，为后续研究和实际应用提供参考。
的电源。
能源存储
家庭和工业领域的能源 存储系统，用于平衡电 网负载和提高能源利用
效率。
军事领域
用于军事设备的电源， 如导弹、雷达等。
CHAPTER 02
化学电源的基本原理
电极与电解液
电极材料
电极是化学电源的关键组成部分，通 常由金属或导电聚合物制成。电极的 主要功能是参与氧化还原反应并传输 电子。
《高二化学化学电源》 ppt课件
CONTENTS 目录
• 化学电源简介 • 化学电源的基本原理 • 常见化学电源 • 化学电源的发展趋势与挑战 • 实验与探究 • 问题与思考
CHAPTER 01
化学电源简介
定义与特点
定义
化学电源是一种将化学能直接转 化为电能的装置，也称为电池。
特点
化学电源具有高能量密度、长寿 命、无污染等优点，广泛应用于 日常生活、工业生产、军事等领 域。
CHAPTER 06
问题与思考
化学电源的效率问题
总结词
化学电源的效率问题主要涉及到电能转换的效率和能量损失。
详细描述
化学电源的效率主要受到电极反应动力学、反应物质的传递、以及热力学过程的影响。电极反应的速率和反应物 质的传递速度决定了电流的密度，而热力学过程则决定了电池的电压。提高化学电源的效率需要从这些方面入手 ，例如优化电极材料、改善反应物质的传递等。
应用电化学---第三章 化学电源
3．电流和反应速率 反应速率等于电流强度，可以直接从电流表 读出。电流的大小，就是充电或者放电速率 的大小。 由于电池存在内阻，当有电流流过时，电池 的放电电压下降，电极上的活性物质来不及 反应，使电池容量的下降。对于电池反应， 能承受的充、放电电流的大小反映了电池反 应的可逆性。为降低电极反映的极化、提高 电池所能承受的电流，电极一般做成多孔扩 散电极。
放电深度：电池放电量占其额定容量的百分 数。 理想的电池在整个放电过程中应该保持一个 恒定的工作电压，但大多数电池只有在较低 的放电深度时才保持平稳的工作电压。 放电深度大时电池能放出较多的容量，但考 虑到电池的工作性能，一般情况下电池放电 深度只为额定容量的20％一40％。
电池放电一段时间后搁臵时，开路电压会 上升。图3.2为电池连续放电和间隙放电时 的放电曲线。依图可见，间隙放电时的容 量要较连续放电时为大。特别当以大电流 放电时，间隙放电会使电池容量有较大的 提高。
给电池外加一负载并接通外电路时，外线 路中有电流通过，电池对外做电功，其工 作电压为：
Rp，RΩ分别是极化内阻和欧姆内阻，E，V 分别使电池电动势和电池工作电压
电池内阻R =Rp + RΩ ，
极化内阻是由于电化学极化和浓差极化而 引起的，所以极化内阻的大小与电极材料 的本质、电池的结构、制造工艺和工作电 流的大小等有关。为降低极化内阻，电极 一般做成多孔电极以提高电极的表面积， 并选择具有高交换电流密度的活性物质。
电池的负极一般选用较活泼的金属，而正 极一般选用金属氧化物，电极材料的选择 和评价原则前面已经介绍，后面还要针对 电池来具体讲授。表3.1列出了电池常用的 一些负极材料的性能。
添加剂：包括能提高电极导电性能的导电剂 (如金属粉和碳粉)、增加活性物质粘结力的 粘结剂(如聚四氟乙烯和聚乙烯)、延缓金属 电极腐蚀的缓蚀剂等。 集电器：由于活性物质通常是构成一种糊状 电极，需要用集电器来作为支持体，集电器 通常是一个金属栅板或导电的非金属棒(如碳 棒)，以提供电子传导的路线，集电器重量应 轻，化学稳定性应好。
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19
纸板干电池 碱性干电池
各种干电池性能比较
电池构成 电池名称 锌锰干电池 汞电池 碱锰干电池
正极活 性物质
MnO2 HgO MnO2
电解质
NH4Cl,ZnCl2 KOH(ZnO) KOH(ZnO)
额定 负极活 电压 性物质 Zn Zn Zn 1.5V 1.2V 1.2V
氧化银电池 氯化银电池
空气电池
容量效率为80%～90%， 能量效率为70%～80%， 比能量为20～40 W· kg-1。 h·
36
放电开始时：电压有所下降，由于电极反应产生的 Pb2+形成新相PbSO4，形成新相时存在结晶过电势。
放电过程中：开路电位与放电电压差值增大，这与活 性物料孔隙度减小、电极反应从表相深入到体相（内 部）有关。 充电开始时：有时出现电压极大值，这与紧密少孔的 PbSO4层中电解液的内阻增加有关。
25 为防止放电中的气体排出即漏液，采用二层筒
汞齐化锌离子放电特点：
(1)放电过程中锌粒逐渐变小 (2)氧进入锌粒内部，汞量减少 (3)少量K+离子侵入粒子内部。溶解下来的锌离子向 正极的MnO2扩散，Hg则在放电的同时在电解液中 溶出，从而抑制了由Zn产生的H2气。含汞3%以上可 防止锌汞齐自放电。
实测电动势为：
E 2 . 0184 0 . 05914 lg a H 2 SO 4 a H 2O
35
电动势和开路电压一致，在25℃时约为2.10V；
电池的额定电压为2.0V，
放电时的截止电压为1.75V， 在低温下以超高倍率放电时截止电压可降低到1.0V。
容量与放电强度、深度密切相关，并与温度有关。
7
3.1.2. 化学电源的主要性能
a. 电池的电动势(electromotive force,EMF): 没有电流通过时电池正负两极间的电极电势 (electric potential)之差，由电池反应的Gibbs 自由能变化决定 b. 开路电压(Open circuit voltage,OCV)： 无负荷情况下的电池电压，只有可逆电池的开路 电压才等于电池电动势。
AgO AgCl 空气/活 性炭
KOH(ZnO) 海水 KOH(ZnO) 或NH4Cl
Zn Mg
Zn
1.5V 1.4V
1.3V
20
3.2.1. 锌锰干电池
21
电池表示：
(-)Zn|NH4Cl+ZnCl2混合溶液(淀粉糊化)|MnO2+C(+)
a. 负极：Zn + 2Cl- ZnCl2含水 + 2e pH=1.3~3.85： E = -0.465 – 0.0733pH，E = -0.56 ~-0.75V
铅蓄电池的组成：
电解液：由纯H2SO4和电导水配制的密度为1.20～1. 31（质量浓度为28～41%）的水溶液。 负极（集电器）：海绵状铅；
正极：PbO2。 采用涂膏式极板栅结构。
33
反应原理 放电时：
负极：Pb + SO42- →PbSO4 +2e
正极：PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e →PbSO4 +2H2O 电池总反应为：Pb + PbO2+2H2SO4 →2PbSO4 +2H2O
实用二次电池的要求： ⑴不存在能引起电池组分恶化、寿命丧失或能量损 失的化学作用；⑵必须具有较高的能量密度、较低 的内阻以及在较宽的温度范围的良好性能。 28
容量效率：在一定条件下一个蓄电池放电时输出 的电量和电池充电至原始状态时所需电量的比。接 近于1，表示电池充放电期间能量损失很小。
伏特效率：蓄电池放电和充电过程的工作电压之 比。反映了放电和充电过程极化的大小，接近于1， 表示电池可逆性能好。
能量效率：容量效率和伏特效率的乘积，是评价 电池能量损失和极化行为的综合指标。 充放电行为：评价二次电池优劣的重要指标之一。 对于实用电池希望充放电曲线（特别是放电曲线） 平坦，初始电压和截止电压的差值小。 29
充电方式：恒电流充电、变电流充电、定电位充电。 变电流充电：在充电开始阶段以较大电流充电，后 阶段以较小电流充电，有助于充电完全和电池寿命 的延长。 定电位充电：在充电过程中，调节充电电流，维持 充电电压恒定在某一值。充电电量通过积分求得。 二次电池的充电电压为电池充电时该电池的端电压， 充电时外部充电设备施加的电压必须超过该电池的 充电终止电压 。 二次电池的质量比能量和体积比能量一般低于一次 电池 30
应 用 电 化 学
Applied Electrochemistry
1
第三章 化学电源
2
学习要求： 1、了解化学电源的基本术语和性能； 2、了解几种化学电源的基本原理。
3
主要内容
1
2 3 概述 一次电池 二次电池 燃料电池
4
4
电镀 电解池 电能 化学能
电 化 学 原电池 化学能 电能 铝合金的阳极化 电铸 电解冶炼等
26
1
2 3
概述 一次电池 二次电池 燃料电池
4
27
3.3.1. 二次电池的一般性质
二次电池：又名蓄电池、可充电电池。电池放电 后可通过充电方法使活性物质复原能够再放电， 且充、放电过程能反复多次循环。
特点：放电时化学能转变为电能，充电时电能转变 为化学能并贮存于电池中，能量转换效率高，影响 电池循环循环寿命的物理变化极小。
31
电池构成
3.3.3. 铅蓄电池
铅蓄电池的应用： 机动车辆、备用电源、电站负荷调整、电动工具电 源 铅蓄电池的分类： 开放式：外壳上有排气孔，电解液会减少，须检查， 加水加酸维护 免维护密封式：用高析氢过电位铅合金，几乎没有 水电解，在整个使用寿命期，不需维护
32
铅蓄电池的表达式： Pb | H2SO4 | PbO2，Pb
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g. 自放电（self discharge）
定义：化学电源在不对外输出电流的情况下消耗 活性物质的现象
原因：活性物质内与电解质中的杂质使电池内形 成局部电池；内部变化导致的接触问题；活性物 质再结晶；负极活泼金属阳极溶解；无负载时电 池Байду номын сангаас电解质桥上放电等。
例如：锌锰干电池 电池负极 Zn Zn2+ + 2e 同时 2H+ + 2e H2 净反应 Zn + 2H+ H2 + Zn2+
循环寿命：在二次电池报废之前，在一定充放电 条件下，电池经历充放电循环的次数。对于一次 电池、燃料电池不存在循环寿命。 循环寿命越长，电池的可逆性能越好。循环寿命 与放电深度、充放电电流和温度等有关。 贮存寿命：电池性能或电池容量降低到额定指标 以下时的贮存时间。影响电池贮存寿命的主要原 因是电池自放电。
充电结束：PbSO4主要部分转化为活性物质，电压剧 烈增大，然后达到稳定。
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Pb负极易发生钝化，在电极过程中Pb表面形成紧 附于Pb表面的结晶层，导致导电性、活性下降。 采取措施：在活性物料中加入去钝化剂BaSO4、有 机膨胀剂。 BaSO4的作用：BaSO4和PbSO4为同晶型体，可作 为PbSO4的结晶中心，放电过程中PbSO4晶体不是 在Pb的表面而是在BaSO4表面开始生长，Pb慢慢 被隔绝层所遮蔽。 有机添加剂的作用：吸附于Pb的表面，阻止PbSO4 新的结晶中心的形成，促使在BaSO4上较大晶体的 生长。 正极PbO2：有、两种PbO2。-PbO2比表面小， 利用系数低，但在充放电循环过程中-PbO2逐渐 38 转化为更稳定的-PbO2，电池的容量随着增大。
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h.过充电
充电时间太长，电池可能会过充电，会出现新的 电极反应，影响电池的寿命。
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1
2 3
概述 一次电池 二次电池 燃料电池
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一次电池：将化学能转变为电能并输出的装臵， 一旦化学能转变为电能，就不能通过该装臵将电 能再转变为化学能，即化学反应是不可逆的。 糊状干电池 干电池 一次电池分类 湿电池 注液电池
3.3.2. 常见二次电池
额定 分 电池名称 正极活性 负极活性 电压 类 电解质 /V 物质 物质 H2SO4 Pb 2.0 铅酸蓄电池 PbO2 KOH Cd 1.2 镍镉蓄电池 Ni2O3 KOH Fe 1.2 二 镍铁蓄电池 Ni2O3 次 银锌电池 AgO KOH(ZnO) Zn 1.5 电 银镉电池 AgO KOH Cd 1.1 池 MnO2 KOH(ZnO) Zn 1.5 碱锰电池 H2或金属 Ni2O3 KOH 1.2 镍氢电池 氢化物
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c. 工作电压(work circuit voltage, EMF): 有电流通过时电池正负两极间的端电压，随 输出电流的大小，放电深度和温度变化
V = E - c,电 - a,电 - c,浓 - a,浓 - IR
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10
由此可见： * 在低电流密度区域，电池的极化电阻主 要是由电化学反应电阻构成，随电流增加， 端电压急剧下降 * 随着电流增加，等式右边第一、二项逐 渐减少，电池电阻主要由欧姆电阻RI构成， 端电压随电流增加线性下降 * 电流达到极限电流时，电池的微分电阻 由传质速度的极限控制，电池端电压迅速 降为零
锌锰电池
镍镉电池等
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3.1.1. 基本术语
电池(battery) 利用物质的物理变化或化学变化，并把这些化学变 化释放出来的能量直接转变为电能的装臵 物理电池： 把物理反应产生的能量转换为电能的装臵。如太 阳能电池、原子能电池等 化学电池 把化学反应产生的化学能转变为电能的装臵。
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电池分类
太阳能电池(Solar cell) 物理电池 原子能电池(atomic cell) 热电发电器 活性物质固 一次电池(primary) 定在电极上 二次电池（secondary） 化学电池 活性物质连 一次燃料电池(Fuel 续供给电极 cell) 再生型燃料电池
纸板干电池 碱性干电池
各种干电池性能比较
电池构成 电池名称 锌锰干电池 汞电池 碱锰干电池
正极活 性物质
MnO2 HgO MnO2
电解质
NH4Cl,ZnCl2 KOH(ZnO) KOH(ZnO)
额定 负极活 电压 性物质 Zn Zn Zn 1.5V 1.2V 1.2V
氧化银电池 氯化银电池
空气电池
容量效率为80%～90%， 能量效率为70%～80%， 比能量为20～40 W· kg-1。 h·
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放电开始时：电压有所下降，由于电极反应产生的 Pb2+形成新相PbSO4，形成新相时存在结晶过电势。
放电过程中：开路电位与放电电压差值增大，这与活 性物料孔隙度减小、电极反应从表相深入到体相（内 部）有关。 充电开始时：有时出现电压极大值，这与紧密少孔的 PbSO4层中电解液的内阻增加有关。
25 为防止放电中的气体排出即漏液，采用二层筒
汞齐化锌离子放电特点：
(1)放电过程中锌粒逐渐变小 (2)氧进入锌粒内部，汞量减少 (3)少量K+离子侵入粒子内部。溶解下来的锌离子向 正极的MnO2扩散，Hg则在放电的同时在电解液中 溶出，从而抑制了由Zn产生的H2气。含汞3%以上可 防止锌汞齐自放电。
实测电动势为：
E 2 . 0184 0 . 05914 lg a H 2 SO 4 a H 2O
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电动势和开路电压一致，在25℃时约为2.10V；
电池的额定电压为2.0V，
放电时的截止电压为1.75V， 在低温下以超高倍率放电时截止电压可降低到1.0V。
容量与放电强度、深度密切相关，并与温度有关。
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3.1.2. 化学电源的主要性能
a. 电池的电动势(electromotive force,EMF): 没有电流通过时电池正负两极间的电极电势 (electric potential)之差，由电池反应的Gibbs 自由能变化决定 b. 开路电压(Open circuit voltage,OCV)： 无负荷情况下的电池电压，只有可逆电池的开路 电压才等于电池电动势。
AgO AgCl 空气/活 性炭
KOH(ZnO) 海水 KOH(ZnO) 或NH4Cl
Zn Mg
Zn
1.5V 1.4V
1.3V
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3.2.1. 锌锰干电池
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电池表示：
(-)Zn|NH4Cl+ZnCl2混合溶液(淀粉糊化)|MnO2+C(+)
a. 负极：Zn + 2Cl- ZnCl2含水 + 2e pH=1.3~3.85： E = -0.465 – 0.0733pH，E = -0.56 ~-0.75V
铅蓄电池的组成：
电解液：由纯H2SO4和电导水配制的密度为1.20～1. 31（质量浓度为28～41%）的水溶液。 负极（集电器）：海绵状铅；
正极：PbO2。 采用涂膏式极板栅结构。
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反应原理 放电时：
负极：Pb + SO42- →PbSO4 +2e
正极：PbO2 + SO42- + 4H+ + 2e →PbSO4 +2H2O 电池总反应为：Pb + PbO2+2H2SO4 →2PbSO4 +2H2O
实用二次电池的要求： ⑴不存在能引起电池组分恶化、寿命丧失或能量损 失的化学作用；⑵必须具有较高的能量密度、较低 的内阻以及在较宽的温度范围的良好性能。 28
容量效率：在一定条件下一个蓄电池放电时输出 的电量和电池充电至原始状态时所需电量的比。接 近于1，表示电池充放电期间能量损失很小。
伏特效率：蓄电池放电和充电过程的工作电压之 比。反映了放电和充电过程极化的大小，接近于1， 表示电池可逆性能好。
能量效率：容量效率和伏特效率的乘积，是评价 电池能量损失和极化行为的综合指标。 充放电行为：评价二次电池优劣的重要指标之一。 对于实用电池希望充放电曲线（特别是放电曲线） 平坦，初始电压和截止电压的差值小。 29
充电方式：恒电流充电、变电流充电、定电位充电。 变电流充电：在充电开始阶段以较大电流充电，后 阶段以较小电流充电，有助于充电完全和电池寿命 的延长。 定电位充电：在充电过程中，调节充电电流，维持 充电电压恒定在某一值。充电电量通过积分求得。 二次电池的充电电压为电池充电时该电池的端电压， 充电时外部充电设备施加的电压必须超过该电池的 充电终止电压 。 二次电池的质量比能量和体积比能量一般低于一次 电池 30
应 用 电 化 学
Applied Electrochemistry
1
第三章 化学电源
2
学习要求： 1、了解化学电源的基本术语和性能； 2、了解几种化学电源的基本原理。
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主要内容
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2 3 概述 一次电池 二次电池 燃料电池
4
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电镀 电解池 电能 化学能
电 化 学 原电池 化学能 电能 铝合金的阳极化 电铸 电解冶炼等
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概述 一次电池 二次电池 燃料电池
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3.3.1. 二次电池的一般性质
二次电池：又名蓄电池、可充电电池。电池放电 后可通过充电方法使活性物质复原能够再放电， 且充、放电过程能反复多次循环。
特点：放电时化学能转变为电能，充电时电能转变 为化学能并贮存于电池中，能量转换效率高，影响 电池循环循环寿命的物理变化极小。
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电池构成
3.3.3. 铅蓄电池
铅蓄电池的应用： 机动车辆、备用电源、电站负荷调整、电动工具电 源 铅蓄电池的分类： 开放式：外壳上有排气孔，电解液会减少，须检查， 加水加酸维护 免维护密封式：用高析氢过电位铅合金，几乎没有 水电解，在整个使用寿命期，不需维护
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铅蓄电池的表达式： Pb | H2SO4 | PbO2，Pb
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g. 自放电（self discharge）
定义：化学电源在不对外输出电流的情况下消耗 活性物质的现象
原因：活性物质内与电解质中的杂质使电池内形 成局部电池；内部变化导致的接触问题；活性物 质再结晶；负极活泼金属阳极溶解；无负载时电 池Байду номын сангаас电解质桥上放电等。
例如：锌锰干电池 电池负极 Zn Zn2+ + 2e 同时 2H+ + 2e H2 净反应 Zn + 2H+ H2 + Zn2+
循环寿命：在二次电池报废之前，在一定充放电 条件下，电池经历充放电循环的次数。对于一次 电池、燃料电池不存在循环寿命。 循环寿命越长，电池的可逆性能越好。循环寿命 与放电深度、充放电电流和温度等有关。 贮存寿命：电池性能或电池容量降低到额定指标 以下时的贮存时间。影响电池贮存寿命的主要原 因是电池自放电。
充电结束：PbSO4主要部分转化为活性物质，电压剧 烈增大，然后达到稳定。
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Pb负极易发生钝化，在电极过程中Pb表面形成紧 附于Pb表面的结晶层，导致导电性、活性下降。 采取措施：在活性物料中加入去钝化剂BaSO4、有 机膨胀剂。 BaSO4的作用：BaSO4和PbSO4为同晶型体，可作 为PbSO4的结晶中心，放电过程中PbSO4晶体不是 在Pb的表面而是在BaSO4表面开始生长，Pb慢慢 被隔绝层所遮蔽。 有机添加剂的作用：吸附于Pb的表面，阻止PbSO4 新的结晶中心的形成，促使在BaSO4上较大晶体的 生长。 正极PbO2：有、两种PbO2。-PbO2比表面小， 利用系数低，但在充放电循环过程中-PbO2逐渐 38 转化为更稳定的-PbO2，电池的容量随着增大。
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h.过充电
充电时间太长，电池可能会过充电，会出现新的 电极反应，影响电池的寿命。
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概述 一次电池 二次电池 燃料电池
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一次电池：将化学能转变为电能并输出的装臵， 一旦化学能转变为电能，就不能通过该装臵将电 能再转变为化学能，即化学反应是不可逆的。 糊状干电池 干电池 一次电池分类 湿电池 注液电池
3.3.2. 常见二次电池
额定 分 电池名称 正极活性 负极活性 电压 类 电解质 /V 物质 物质 H2SO4 Pb 2.0 铅酸蓄电池 PbO2 KOH Cd 1.2 镍镉蓄电池 Ni2O3 KOH Fe 1.2 二 镍铁蓄电池 Ni2O3 次 银锌电池 AgO KOH(ZnO) Zn 1.5 电 银镉电池 AgO KOH Cd 1.1 池 MnO2 KOH(ZnO) Zn 1.5 碱锰电池 H2或金属 Ni2O3 KOH 1.2 镍氢电池 氢化物
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c. 工作电压(work circuit voltage, EMF): 有电流通过时电池正负两极间的端电压，随 输出电流的大小，放电深度和温度变化
V = E - c,电 - a,电 - c,浓 - a,浓 - IR
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由此可见： * 在低电流密度区域，电池的极化电阻主 要是由电化学反应电阻构成，随电流增加， 端电压急剧下降 * 随着电流增加，等式右边第一、二项逐 渐减少，电池电阻主要由欧姆电阻RI构成， 端电压随电流增加线性下降 * 电流达到极限电流时，电池的微分电阻 由传质速度的极限控制，电池端电压迅速 降为零
锌锰电池
镍镉电池等
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3.1.1. 基本术语
电池(battery) 利用物质的物理变化或化学变化，并把这些化学变 化释放出来的能量直接转变为电能的装臵 物理电池： 把物理反应产生的能量转换为电能的装臵。如太 阳能电池、原子能电池等 化学电池 把化学反应产生的化学能转变为电能的装臵。
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电池分类
太阳能电池(Solar cell) 物理电池 原子能电池(atomic cell) 热电发电器 活性物质固 一次电池(primary) 定在电极上 二次电池（secondary） 化学电池 活性物质连 一次燃料电池(Fuel 续供给电极 cell) 再生型燃料电池