应用化学引言和31概述

2020/1/11第三章化学电源2020/1/122020/1/132020/1/142020/1/15目前使用最多的二次能源为电能。它由燃料中的化学能转化为热能、机械能，最后转化为电能，在这种转换过程中，能量损失达60％一90％。自1799年发明伏特电堆后，利用这种装置就可以使化学能直接转化为电能，实际转化率达70％以上。这种装置现通称为化学电源或原电池。现在虽然交、直流发电机可供使用，但化学电源因无传动部件、无噪声、对空气无污染、可做成任意大小、便于携带、使用方便、电压以及电流均可在相当范围内变动等待点而得到迅速的发展，并在工业、农业、交通、通讯、电子、国防、宇航、计算机等众多领域获得广泛的应用。2020/1/16一次电池（锌锰干电池）2020/1/172020/1/18二次电池（铅酸蓄电池）2020/1/19空气电池2020/1/110太阳能电池2020/1/1112020/1/112锂电池2020/1/1132020/1/1142020/1/115手机工作时所需能量是由电池提供的。2020/1/116它们工作时所需能量也是由电池提供的。2020/1/117手提电脑工作时所需能量是通常也由电池提供的。2020/1/118汽车是由蓄电池提供电力起动的。2020/1/119§3.1概述一.主要术语1.几个基本概念化学电源：又称电池(battery),是将氧化-还原反应的化学能直接转变为电能的装置.放电和充电：电源对外供电过程称为放电过程，反之则称为充电过程。把光能或热能转变为电能的装置称为物理电池如太阳能电池等2020/1/120下一页最后页上一页第一页2.化学电源的类型①一次电池或原电池放电以后不能用充电方法复原，两极的活性物质只能利用一次②二次电池或可充电池或蓄电池能多次重放电，循环实用。如铅酸蓄电池2020/1/121③储备电池(storagebattery)在储存器内电极活性物质和电解质不接触，能储存几十年。④燃料电池(fuelcell）有称连续电池，其正负极不包含活性物质，将燃料输入电池就能长期发电。2020/1/1223.化学电源的组成:电极：有活性物质和导电材料及添加剂组成。电解液：保证正负极之间离子导电作用隔膜：有称隔离物，防止正负极短路，但允许离子顺利通过。外壳：除干电池由锌极兼作容器外，要求外壳具有良好的机械强度，耐腐蚀，耐振动，抗冲击强度。2020/1/123二、化学电池的主要性能1.化学电源的电动势和开路电压电动势E：又称理论电压，是指没有电流流过外电路时电池正负两极之间的电极电势差。测定：对消法计算：ΔG=-nFE开路电压OCV：是无负荷情况下的电池电压，，实际测量的数值，一般OCV≤E，只有可逆电池的OCV＝E。2020/1/1242.工作电压和电池的内阻工作电压(V)：是指电池有电流流过时的端电压。V＜OCV，因为有i通过电池时，会产生电化学极化、浓差极化、和欧姆极化等。放电时：V放E充电时：V充E额定电压：指电池工作时公认的标准电压，例如锌锰干电池1.2V。中点电压：指电池放电期间的平均电压。截止电压：指电池放电终止时的电压值（最低工作电压）。2020/1/125电池的内阻：全内阻由欧姆电阻（电池本身的电阻）和极化电阻组成欧姆电阻是电池本身的电阻，由电极材料、电解质溶液、隔膜以及它们之间的接触电阻组成，另外电池尺寸、工艺结构等因素有关、电池的装配越紧密，欧姆电阻越小：对于同一类相同结构的电池，几何尺寸大的电池的欧姆电阻通常要小于几何尺寸小者。极化电阻则是指电池发生电化学反应时由于电极极化所导致的电阻，通常包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。极化电阻与电极活性物质的性质、电池结构、工艺等因素密切相关．计算公式：R=(E-V)/I2020/1/1263.电流和反应速率•电流(i)电池放电(或充电)速度的一种量度。电化学反应速率的大小是通过电流的大小来衡量的。4.电池的容量及影响因素（1）电池容量C：指在一定放电条件下，电池放电到终止电压时所能提供的电量，单位为库仑（C）或安时（A·h）理论容量：C理论MmZFC理论2020/1/12796500库仑（c）=26.8安时（A˙h）实际电池容量与放电方式有关，可通过下式计算：恒电流（恒流）放电：C=∫t0i(t)dt=it变电流放电：C=∫t0i(t)dt恒电阻（恒阻）放电：C=∫t0i(t)dt=1/R∫t0V(t)dt2020/1/128（2）放电曲线：图3.1（a）：三种不同模式下放电电流随时间变化的关系。图3.1（b）：三种不同模式下电池放电电压对放电时间关系曲线。图3.1(c).(d):假定相同平均放电电流下三种模式放电时的电流或电压与放电时间的关系。一般来说，放电曲线愈平坦愈好。2020/1/129恒功率恒电流恒电阻放电电流放电时间(a)电池电压恒电阻放电时间恒功率恒电流(b)放电电流恒电阻(c)恒功率放电时间恒电流电池电压(d)恒功率放电时间恒电流恒电阻2020/1/130这些条件下，电池使用时间大致相同，但恒电阻模式下的电压调节最好，然而，恒功率模式（电池保持恒定的输出功率I*V）在电池整个寿命期间具有向负载提供是均匀功率的优点，从而是电池的能量得到最有效的利用。（3）活性物质利用率η：电池实际放出的能量只是理论容量的一部分，电池的实际容量与电池的理论容量之比t0M/mZFidt100%电池理论容量电池实际容量2020/1/131（4）比容量：（5）额定容量：指单位质量或单位体积电池所输出的电量，分别以A·h·kg-1和A·h·L-1表示。质量比容量间接地反映了活性物质的利用率，而体积比容量则反映了电池结构的特征。指在设计和生产电池时，规定或保证在指定的放电条件下电池应该放出的最低限度的电量。2020/1/132（6）影响电池容量的因素电池容量的大小是评价电池性能的重要指标，而电池容量可通过放电时的放电曲线测定电池的实际容量与放电条件密切相关。电池的放电条件：放电电流，放电深度，放电形式，放电期间电池的温度等。2020/1/133①放电电流：其大小常用放电倍率表示，即对于一个具有额定容量C的电池，按规定的小时数放电的电流。(A)(A.h)放电电流额定容量放电倍率放电电流的大小对电池容量有较大的影响，由于欧姆内阻和有电流通过时极化内阻的存在，电池容量和放电电压随放电电流的增加而减小，放电倍率愈大，则放电电流愈大，电容容量愈小。2020/1/134②放电深度DOD:指电池放电量占额定容量的百分数一般情况下，二次电池DOD为额定容量的20%~40%,愈深，实际电池容量愈大。③放电形式：连续放电、间歇放电。间歇放电连续放电电压时间④放电温度：20～40oC之间放电时，性能较好。2020/1/1355.比能量和比功率电池的能量电池所能作出的电功，它等于放电容量和电池平均工作电压的乘积，常用单位为瓦·时（w·h）或J焦耳电池的比能量（或能量密度）指单位质量或单位体积的电池所输出的能量。分别以w·h·kg-1和w·h·L-1表示。电池的功率电池在单位时间内所输出的能量。电池的比功率（或功率密度）指单位质量或单位体积的电池所输出的功率。2020/1/1366.电池的寿命①使用寿命指在一定条件下，电池工作到不能使用的工作时间。②循环寿命指在二次电池报废之前，在一定放电条件下，电池经历充放电循环的次数，循环寿命越长，电池的可逆性能就越好。④贮存寿命指电池性能或电池容量降低到额定指标以下时的贮存时间。2020/1/1377.自放电(self-discharge)(1)定义：指由一些电池中一些自发过程的进行而引起电池容量的损失。应尽量避免。(2)引发电池自放电的原因：①不期望的副反应的发生②电池内部变化而导致的接触问题③活性物质的再结晶④电池的负极⑤无外接负载时在电解质桥上的放电等2020/1/1388.过充电如果充电时间太长，电池可能会过充电，此时会出现新的电极反应，如水的电解，从而影响电池的循环寿命。2020/1/139H2氢氧燃料电池示意图←→←→负极H22+4H+e-4O2（空气）+e-4H+2H2O正极+4O2电解质e-e-负荷→H+2020/1/1402020/1/1412020/1/1422020/1/1432020/1/1442020/1/145铅酸电池：242)(1.201.31)(PbHSOPbO2020/1/146燃料电池能量利用率高，清洁环保2020/1/1472020/1/148动动手：自制果蔬电池2020/1/149干电池上图是锌－锰干电池2020/1/1502020/1/151铅蓄电池2020/1/1522020/1/153中性锌锰电池：422),(ZnNHClZnClMnOC2020/1/1542020/1/1552020/1/156