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1化学电源工艺学程新群2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3参考教材•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郭炳焜，中南大学出版社，20094参考期刊国内•电池•电源技术•电池工业•蓄电池•电化学•化学与物理电源系统•化学类其他期刊国际J.PowerSourcesSolidStateIonicsFuelCellElectrchemicaActaElectrochemicalcommunicationJ.ElectrochemSoc.ElectrochemicalandsolidstatelettersJ.SolidstateelectrochemistryJ.AppliedelectrochemistryElectrochemistryJ.NewmaterialsforelectrochemicalsystemOthers51.化学电源的重要意义•化学电源——电池electrochemicalpowersource——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)•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6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7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、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”82.生活中的电池品种92.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FuelCell海水电池：Mg(Al)-CuCl2电池(AgCl)10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11废旧电池123.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）•Electrochemicalpowersource,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。13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)14生物电池•生物能•生物燃料电池154.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•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16•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•6.工作温度范围宽-40℃～60℃•7.维护方便175.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、智能武器•地下：矿灯、地下应急设施1816:0118第一章化学电源概论191.1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201786年伽伐尼现象“动物电”•1737～1798•意大利医生和动物学家21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22•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23200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)•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。24•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)•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。25电池发展的推动力量：•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•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26•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27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。28•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。29中国电池主要厂家•比亚迪•风帆•光宇•双登•南都•力神•比克30•酸性电解液电池acidbattery•碱性电解液电池alkalinebattery•中性电解液电池neutralbattery•有机电解质溶液电池organicelectrolytebattery•固体电解质电池solidelectrolytebattery•熔融盐电解质电池meltonelectrolytebattery•聚合物电解质电池polymerelectrolytebattery1.2电池的分类（电解液类型）31电池的分类（电池形状）•圆柱式电池cylindrical/roundbattery•扣式电池button/coinbattery•方形电池prismaticbattery•纸式电池paperbattery•微电池microbattery微电池与微芯片、微电子机械系统集成设计。纸电池36361.3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。3737双电层双电层负极正极化学电源内部的电势变化dischargeCharge3838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3939几个概念：•成流反应：CurrentProducingReaction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：ActiveMaterial/Mass电极上能够参加电化学反应、释放电能的物质4040几个概念：•正极：PositiveElectrode•负极：NegativeElectrode•阴极：Cathode•阳极：Anode电池电极放电充电正极阴极阳极负极阳极阴极41411.4电池的组成4242电池的组成正极负极隔膜电解液（电解质）外壳电极离子导体，传递正负极间电荷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，电子绝缘体组成：4343（1）电极（electrode)•电池的核心•电极中参加成流反应、产生电能的物质。•传导电子，使电流分布均匀；支撑活性物质。活性物质：导电骨架:4444活性物质(activematerial/mass)•对活性物质的要求:电化学活性高；ΔG0，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4545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,Cd4646集流体/导电骨架currentcollector/conductingmatrix•对导电骨架的要求:导电性好机械强度高加工性好化学稳定性和电化学稳定性好成本、资源、环保常用导电骨架材料：Pb、Ni、钢、Al、Cu、Ag4747（2）电解质(electrolyte)电解质的作用：正负极间传递电荷，溶液导电；正极：2NiOOH+2H2O+2e-→Ni(OH)2+2OH-负极：Cd+2OH-→Cd(OH)2+2e-参加电极反应。•正极：PbO2+3H++HSO4-+2e-→PbSO4+2H2O负极：Pb+HSO4-→PbSO4+H++2e-反应需要大量电解液离子导电,可减少用量4848电解质的要求：•电导率高，溶液欧姆压降小；（对固体电解质，离子导电性好，电子绝缘；）•化学性质稳定，不与活性物质发生反应；•电化学稳定窗口范围宽；•沸点高、冰点低，使用温度范围宽。•无毒无污染、成本4949电解质分类•按形态可分为液态、固态、胶态电解质。•液体电解质可分为