應(yīng)用電化學(xué)課件第三章化學(xué)電源

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1、上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 1 化 學(xué) 電 源 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 2 化 學(xué) 電 源 參 考 書 ：1. 化 學(xué) 電 源 呂 鳴 祥 等 編 著 ， 天 津 大 學(xué) 出 版 社 ， 1992.9 2. 鉛 酸 蓄 電 池 的 原 理 與 制 造 盧 國 琦 等 編 著 ， 國 防 工 業(yè)出 版 社 ， 19983. 鉛 酸 蓄 電 池 技 術(shù) 朱 杜 然 等 編 著 ， 機(jī) 械 工

2、業(yè) 出 版 社 ,19884. 化 學(xué) 電 源 導(dǎo) 論 張 文 保 等 編 著 ， 上 海 交 大 出 版 社 ， 1992 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 3 一.化學(xué)電源的發(fā)展化學(xué)電源是將物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)換成電能的一種裝置。1859 年 普朗克（Pantle） 試制成功化成式鉛酸電池1868 年 勒克朗謝（Lelanche）研制成功以NH4Cl 為電解液的Zn-MnO2 電池1888 年 加斯納（Gassner）制出了Zn-MnO2 干電池1895 年 瓊格（Junger）發(fā)明Cd

3、-Ni 電池1900 年 愛迪生（Edison）創(chuàng)制了Fe-Ni 蓄電池 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 4 二十世紀(jì)四、五十年代以后電池發(fā)展更加迅速60 年代：“雙子星座”和“阿波羅”飛船應(yīng)用培根H2-O2 燃料電池70 年代：中東戰(zhàn)爭(zhēng) 能源危機(jī) 燃料電池、鈉硫電池、鋰硫化鐵電池得到廣泛發(fā)展80 年代：貯氫材料的突破 氫鎳電池90 年代：嵌入化合物 鋰離子電池 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 5 二

4、.化學(xué)電源的應(yīng)用：航空航天飛行器：飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等；機(jī)動(dòng)車輛：?jiǎn)?dòng)、點(diǎn)火、照明、動(dòng)力；大型發(fā)電站：調(diào)解電站；醫(yī)院、郵電通訊部門：應(yīng)急電源；便攜式電子產(chǎn)品：移動(dòng)電話、攝像機(jī)、手提電腦等。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 6 三. 電池的發(fā)展規(guī)律 電池的發(fā)展與新型電器的開發(fā)和應(yīng)用密切相關(guān) 。世紀(jì)年代后各種低壓電器的普及，特別是半導(dǎo)體收音機(jī)的出現(xiàn)帶動(dòng)了干電池的發(fā)展。年代半導(dǎo)體的廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了紙板電池的發(fā)展。年代以后，、和計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，促進(jìn)了電池的微型化。 年代以后，隨著移動(dòng)電話的出現(xiàn)，-電池

5、逐漸完善和商品化，并出現(xiàn)了高能量密度鋰離子電池。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 7 材料的開發(fā)利用大大促進(jìn)了電池的進(jìn)步 堿錳電池的改進(jìn)得益于電解二氧化錳，而吸氫材料促進(jìn)了-電池的興起。鋰離子電池的開發(fā)有賴于碳素的研究，而導(dǎo)電聚合物材料的研究很有可能大大改變固態(tài)電解質(zhì)電池的面貌。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 8 環(huán)保問題為電池的發(fā)展提出了新的要求 一次電池的大量使用造成了資源的浪費(fèi)，為了節(jié)約資源，

6、世紀(jì)年代研究的重點(diǎn)是可重復(fù)使用的二次電池，原有的一次電池也向二次電池轉(zhuǎn)向。為了保護(hù)環(huán)境及人體的健康，禁止在電池中使用有害元素，盡管-電池性能優(yōu)異，而且技術(shù)不斷成熟，卻開發(fā)了取代它的-電池。汽車工業(yè)中大量使用的鉛酸電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了密閉化和免維護(hù)。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 9 為了應(yīng)對(duì)未來可預(yù)料的能源危機(jī)和減少汽車尾氣污染，新型清潔電動(dòng)汽車的研究成為全世界科學(xué)工作者注目的焦點(diǎn)，目前已取得很大的進(jìn)展。例如國外已經(jīng)開發(fā)出使用鋅空氣電池的微型汽車，一次充電可行駛里程已達(dá)；而使用燃料電池，據(jù)稱驅(qū)動(dòng)座小車

7、最高時(shí)速可達(dá)以上，持續(xù)行駛超過。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 10 隨著各種便攜性電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，電池的需求量正在飛速增長(zhǎng)，同時(shí)電池的性能也不斷地提高和完善。世紀(jì)年代，工業(yè)（計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、攝像機(jī)和無線電動(dòng)工具）的普及，日常生活對(duì)電池的需要已經(jīng)到了須臾不可分離的地步。因此有人預(yù)測(cè)，高性能電池工業(yè)將是世紀(jì)最有前景的產(chǎn)業(yè)，因此電池的發(fā)展必須能趕上電器用具的發(fā)展?，F(xiàn)在各種形狀、各種規(guī)格、性能各異的電池在日常生活和生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電

8、源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 11 四 . 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí)1.1化 學(xué) 電 源 的 組 成 化 學(xué) 電 源 是 一 種 能 把 化 學(xué) 能 直 接 轉(zhuǎn) 化 為 電 能 的 裝 置 ，通 常 被 稱 為 電 池 。 在 實(shí) 現(xiàn) 化 學(xué) 能 轉(zhuǎn) 變 為 電 能 的 過 程 中 ， 必須 具 備 以 下 條 件 ：2. 化 學(xué) 變 化 過 程 中 電 子 的 傳 遞 ， 必 須 經(jīng) 過 外 回 路 。3. 兩 極 之 間 應(yīng) 具 有 離 子 導(dǎo) 電 性 物 質(zhì) 電 解 質(zhì) 。 所 以 ，1. 在 化 學(xué) 反 映 的 過 程 中

9、， 電 子 的 得 失 ， 必 須 分 別 在 兩 個(gè)不 同 的 區(qū) 域 進(jìn) 行 ， 即 失 電 子 氧 化 在 負(fù) 極 ， 得 電 子 還原 在 正 極 。一 個(gè) 電 池 不 可 缺 少 的 組 成 部 分 應(yīng) 有 ： 正 極 ， 負(fù) 極 ， 電解 質(zhì) ， 隔 膜 ， 電 池 外 殼 及 其 它 配 件 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 12 例 如 鉛 酸 蓄 電 池 ： 正 極 PbO2， 負(fù) 極 Pb， 電 解 質(zhì) ，H2SO4， 在 工 作 時(shí) 電 極 上 發(fā) 生 如 下 反 應(yīng) ：

10、由 上 可 知 ， 鉛 酸 蓄 電 池 工 作 時(shí) ， 兩 極 間 的 導(dǎo) 電 離 子 是 H+和 SO42-， 電 子 從 Pb負(fù) 極 通 過 外 回 路 流 入 PbO2正 極 ， 只 要 在 兩個(gè) 電 極 和 電 解 質(zhì) 溶 液 界 面 上 不 斷 地 進(jìn) 行 氧 化 還 原 反 應(yīng) ， 則 在 外回 路 中 就 不 斷 地 有 電 流 流 過 。 另 外 ， 在 電 極 上 參 加 反 應(yīng) 的 物 質(zhì)通 常 也 叫 活 性 物 質(zhì) 。2 2 4 4 22 2 2 (PbO HSO H e PbSO HO 還 原 ）負(fù) 極 ：正 極 ：總 反 應(yīng) ： 2 4 4 2 2 (Pb H SO

11、 PbSO H e 氧 化 ）2 2 4 4 22 2 2PbO H SO Pb PbSO H O 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 13 對(duì) 于 實(shí) 用 的 電 池 來 說 ， 除 了 正 極 ， 負(fù) 極 和 電 解 質(zhì) 外 ，還 有 隔 膜 ， 電 池 外 殼 及 其 它 一 些 配 件 。 例 如 接 線 柱 ， 匯 流排 （ 見 下 圖 ） ， 電 池 各 部 分 的 作 用 為 ：1. 正 極 和 負(fù) 極 正 極 和 負(fù) 極 的 作 用 是 參 加 電 化 學(xué)反 應(yīng) 和 導(dǎo) 電 。 負(fù) 極

12、 通 常 都 是 由 電 位 較負(fù) 的 金 屬 承 擔(dān) 。 如 ： Zn、 Mn、 Al、Cd、 Fe。 它 們 本 身 都 是 還 原 劑 ，在 放 電 過 程 中 被 氧 化 ， 所 以 電 池 的 負(fù)極 也 就 是 陽 極 ； 正 極 通 常 是 采 用 電 位較 正 的 金 屬 或 其 它 氧 化 物 ， 例 如MnO 2、 PbO2。 它 們 都 是 氧 化 劑 ，在 放 電 的 過 程 中 被 還 原 ， 放 電 時(shí) 電 池的 正 極 也 是 陰 極 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三

13、 14 2. 電 解 質(zhì) 它 有 兩 個(gè) 作 用 ， 一 是 參 加 電 化 學(xué) 反 應(yīng) ； 二 是 保 證 電 池內(nèi) 部 電 極 間 的 導(dǎo) 電 ， 這 種 導(dǎo) 電 與 外 回 路 不 同 ， 它 是 離 子 導(dǎo)電 。 對(duì) 有 些 電 池 而 言 ， 電 解 質(zhì) 只 是 參 加 電 池 反 應(yīng) 的 中 間 過程 ， 而 其 本 身 并 不 消 耗 （ Zn O2電 池 中 的 HOH)， 但 有 些電 池 卻 要 消 耗 電 解 質(zhì) （ 鉛 酸 蓄 電 池 中 的 H2SO4)。 在 設(shè) 計(jì) 電池 時(shí) 應(yīng) 注 意 到 。3. 隔 膜 隔 膜 的 作 用 是 防 止 正 負(fù) 極 活 性 物 質(zhì)

14、 的 直 接 接 觸 ， 否 則造 成 短 路 。 隔 膜 的 好 壞 對(duì) 電 池 的 質(zhì) 量 影 響 很 大 ， 對(duì) 隔 膜 通常 有 如 下 要 求 ： 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 15 （ 1） 內(nèi) 阻 小（ 2） 能 阻 擋 脫 落 的 活 性 物 質(zhì) 透 過（ 3） 能 耐 電 解 質(zhì) 溶 液 的 腐 蝕 ， 及 電 極 氧 化 劑 的 氧 化（ 4） 來 源 豐 富 ， 價(jià) 格 低 廉4. 電 池 外 殼電 池 外 殼 作 為 容 器 ， 應(yīng) 耐 腐 蝕 ， 且 具 有 一 定 的

15、 強(qiáng) 度 。1.2 化 學(xué) 電 源 的 分 類 ：化 學(xué) 電 源 分 類 的 方 法 很 多 ， 通 常 有 如 下 幾 種 ：1.按 電 池 的 工 作 性 質(zhì) 分 類 ： （ 1） 原 電 池 （ 一 次 電 池 ） ： 這 種 電 池 中 的 活 性 物 質(zhì) 消 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 16 耗 后 ， 即 失 去 了 工 作 能 力 ， 也 就 是 說 這 種 電 池 只 能 使 用 一次 。 例 如 ： ZnMnO2， MgAgCl等 電 池 。（ 2） 蓄 電 池 （ 二 次

16、電 池 ） 該 電 池 中 的 活 性 物 質(zhì) 消 耗 后 ， 可 進(jìn) 行 充 電 使 其 恢 復(fù) ，電 池 得 到 再 生 ， 使 電 池 能 夠 反 復(fù) 使 用 。 例 如 鉛 酸 蓄 電 池 ，OHNi電 池 ， AgZn電 池 等 。2. 按 電 解 質(zhì) 的 性 質(zhì) 可 將 電 池 分 為 以 下 三 類 ：（ 1） 堿 性 電 池 （ 電 解 質(zhì) 為 堿 性 ， NaOH,KOH) 例 ： Cd Ni（ 2） 酸 性 電 池 （ 電 解 質(zhì) 為 酸 性 ， H 2SO4)例 ： 鉛 酸 電 池（ 3） 中 性 電 池 （ 電 解 質(zhì) 為 中 性 ， NH4Cl,HgCl2)例 :Zn

17、MnO2 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 17 隨 著 科 學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 目 前 又 出 現(xiàn) 了 有 機(jī) 電 解 質(zhì) 電 池 ，固 體 電 解 質(zhì) 電 池 ， 膠 體 電 解 質(zhì) 電 池 等 等 。 由 于 化 學(xué) 電 源 的 發(fā) 展 較 快 ， 上 述 的 分 類 不 能 明 確 地 反 映化 學(xué) 電 源 的 全 貌 ， 目 前 常 用 的 分 類 方 法 是 把 化 學(xué) 電 源 分 為 四類 ：（ 1） 原 電 池（ 2） 蓄 電 池（ 3） 儲(chǔ) 備 電 池 ： 該 電 池 在

18、存 放 期 間 不 加 電 解 質(zhì) 溶 液 ， 在 使用 時(shí) 臨 時(shí) 加 入 電 解 質(zhì) 活 化 。 例 如 ： Zn O2電 池（ 4） 燃 料 電 池 ： 是 一 種 能 連 續(xù) 地 把 燃 料 的 化 學(xué) 能 變 為 電能 的 裝 置 。 即 只 要 連 續(xù) 不 斷 地 將 燃 料 （ 反 應(yīng) 物 ） 或 電 解 質(zhì)通 如 電 池 中 ， 電 池 就 能 連 續(xù) 不 斷 地 反 應(yīng) 而 產(chǎn) 生 電 能 。 例 如 ：H 2 O2燃 料 電 池 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 18 需 要

19、 說 明 的 是 ： 以 上 的 分 類 并 不 是 絕 對(duì) 的 ， 隨 著 科學(xué) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ， 有 些 電 池 體 系 往 往 可 以 設(shè) 計(jì) 成 多 種 不 同的 電 池 。 例 如 ： 在 堿 性 溶 液 中 ， 由 鋅 和 空 氣 構(gòu) 成 的 電 池體 系 。 它 根 據(jù) 需 要 就 可 以 做 成 ：1. Zn O2(C) 一 次 電 池2. Zn O2(C) 二 次 電 池3. Zn O2(C) 儲(chǔ) 備 電 池4. Zn O2(C) 燃 料 電 池1.3 描 述 電 池 性 能 的 主 要 參 數(shù) 及 對(duì) 參 數(shù) 的 影 響 因 素 對(duì) 于 一 個(gè) 實(shí) 用 化 的 電 池

20、 ， 有 多 方 面 的 性 能 參 數(shù) 要 求 。 例 如電池的電壓、內(nèi)阻、容量與比容量、能量與比能量、功率與比功率以及電池的貯存性能和循環(huán)壽命等 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 19 1.電 池 的 電 動(dòng) 勢(shì) 及 開 路 電 壓 電 池 在 開 路 時(shí) ， 即 沒 有 電 位 通 過 的 情 況 下 ， 正 負(fù) 極 的 平衡 電 位 之 差 ， 就 是 該 電 池 的 電 動(dòng) 勢(shì) 。 它 的 大 小 取 決 于 電 池 的本 性 及 電 解 質(zhì) 的 性 質(zhì) 與 活 度 ， 而 與 電 池

21、 的 幾 何 結(jié) 構(gòu) 等 無 關(guān) 。即 ：假 設(shè) 電 池 的 正 負(fù) 極 反 應(yīng) 為 ：E 平 平aA ne cCbB ne dD 正 極 ：負(fù) 極 ： 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 20 ln c dc da bA BRTnF a aE a a 平 平GE=- nF則 ： E 平 平0 00 正 負(fù) 正 負(fù)（ G） （ G）G=- nF nF 由 此 可 以 明 確 地 看 出 ， 若 正 極 的 電 位 越 正 ， 負(fù) 極 的 電位 越 負(fù) ， 電 池 的 電 動(dòng) 勢(shì) 也 就 越 高 。 從

22、 元 素 的 標(biāo) 準(zhǔn) 電 位 序 來 看 ， 在 元 素 周 期 表 左 上 邊 的 元 素（ IA,IIA族 ） 具 有 較 負(fù) 的 電 位 ， 右 上 邊 的 元 素 （ VIA,VIIA族 ）具 有 較 正 的 電 位 。 由 這 些 元 素 組 成 的 電 池 可 以 得 到 較 高 的 電動(dòng) 勢(shì) 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 21 其 中 以 Li的 電 位 為 最 負(fù) ： 平 =-3.045VLi e Li (在 酸 性 介 質(zhì) 中 )氟 的 電 位 為 最 正 ：2 -F +2

23、e 2F 平 =2.87V 若 做 成 鋰 氟 電 池 ， 其 電 動(dòng) 勢(shì) 可達(dá) 5.91V。 這 是 化 學(xué) 電 源 中 電 動(dòng) 勢(shì) 最 高 的 數(shù) 值 。22 2Li F LiF 應(yīng) 當(dāng) 注 意 的 是 ， 在 選 擇 電 極 活 性 物 質(zhì) 時(shí) ， 不 能 只 看平 衡 電 位 數(shù) 值 的 高 低 ， 還 要 看 （ 1） 它 在 介 質(zhì) 中 的 穩(wěn) 定性 （ 2） 材 料 來 源 （ 3） 電 化 當(dāng) 量 等 多 方 面 的 因 素 。 例 如Li F 2,若 組 成 電 池 ， 它 具 有 很 高 的 電 動(dòng) 勢(shì) ， 但 由 于 Li只適 用 與 非 水 溶 劑 電 解 質(zhì) ， F2

24、是 活 性 的 氣 體 ， 不 易 儲(chǔ) 存 和 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 22 和 控 制 ， 因 而 由 單 質(zhì) Li與 F2組 成 電 池 也 是 不 切 合 實(shí) 際 的 。 一 般 的 化 學(xué) 電 源 都 是 采 用 水 溶 性 電 解 質(zhì) 。 在 電 位 較 負(fù) 的金 屬 中 ， 以 鋅 、 鉛 、 鎘 、 鐵 最 為 常 用 。 因 在 相 應(yīng) 的 電 解 質(zhì) 中具 有 較 好 的 耐 腐 蝕 性 ， 在 電 位 較 正 的 活 性 物 質(zhì) 中 ， 常 用 的 有二 氧 化 錳 、

25、 二 氧 化 鉛 、 氫 化 鎳 、 氧 化 銀 等 ， 它 們 在 水 溶 液 中都 很 穩(wěn) 定 ， 溶 解 度 小 ， 材 料 來 源 廣 。 在 以 上 所 討 論 的 電 動(dòng) 勢(shì) 是 指 體 系 達(dá) 到 熱 力 學(xué) 平 衡 后 的電 動(dòng) 勢(shì) 。 但 實(shí) 際 上 有 許 多 電 極 體 系 在 水 溶 液 中 ， 即 使 開 路時(shí) ， 也 達(dá) 不 到 熱 力 學(xué) 上 的 平 衡 狀 態(tài) 。 例 如 ： 鋅 錳 干 電 池 ： 4 2( )Zn NH Cl ZnCl Mn L電 極 與 溶 液 的 界 面 上 也 可 能 發(fā) 生 其 它 的 共 軛 反 應(yīng) 。， 即 使 在 沒 有 負(fù) 荷

26、 的 情 況 下 ， 在 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 23 在 負(fù) 極 上 可 能 存 在 的 反 應(yīng) ：在 正 極 上 可 能 存 在 的 反 應(yīng) ：2 2Zn Zn e 2 2 2Zn H O ZnO H e 2 22 ( ) 2 2Zn H O Zn OH H e 4 3 2 22 ( ) 2 2Zn NH Cl Zn NH Cl H e （ 主 要 ）（ 1） 2 2MnO H O e MnOOH OH 22 24 2 2MnO H e Mn H O 22 2 32 2MnO Zn e

27、 Mn O ZnO （ 2） 由 此 可 以 看 出 1.2兩 式 并 不 能 反 映 電 池 的 真 實(shí) 電 動(dòng) 勢(shì) 大小 ， 但 在 開 路 時(shí) ， 電 極 上 建 立 的 仍 是 穩(wěn) 定 電 位 。 該 電 位 的 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 24 數(shù) 值 往 往 是 不 同 于 平 衡 電 位 的 ， 一 般 都 是 小 于 平 衡 電 位 。 習(xí)慣 上 把 開 路 時(shí) 所 測(cè) 得 的 穩(wěn) 定 電 位 的 電 壓 稱 為 開 路 電 壓 。2. 電 池 的 工 作 電 壓 和 放 電

28、曲 線（ 1） 工 作 電 壓 ： 當(dāng) 電 池 有 電 流 通 過 時(shí) ， 這 時(shí) 正 、 負(fù) 極 由 于 電 流 通 過 電 池 回 路 時(shí) 使 電 極 產(chǎn) 生 電 極 極 化 和 歐 姆極 化 ， 這 時(shí) 的 工 作 電 壓 總 是 低 于 電 動(dòng) 勢(shì) 。 即 ：兩 端 的 電 位 差 ， 即 為 工 作 電 壓 （ 放 電 電 壓 ） 。V IR 放 ， 分 別 為 電 流 通 過 正 ， 負(fù) 極 時(shí) 的 工 作 電 位 。 I為 放 電 電 流 R為 電 池 內(nèi) 阻 。 影 響 工 作 電 壓 的 因 素 ： 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源

29、基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 25 1. 放 電 時(shí) 間 一 般 放 電 時(shí) 間 長(zhǎng) ， 電 壓 低2. 放 電 流 密 度 一 般 放 電 流 密 度 大 ， 電 壓 低3. 放 電 深 度 一 般 放 電 深 度 低 ， 電 壓 低（ 2） 放 電 曲 線 若 在 指 定 負(fù) 載和 溫 度 下 放 電 時(shí) ，把 電 池 的 電 壓 隨 時(shí)間 的 變 化 作 圖 ， 就可 以 得 到 電 池 的 放電 曲 線 。 圖 1 2 電 池 的 放 電 曲 圖 線 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 2

30、6日 星 期 三 26 根 據(jù) 電 池 的 放 電 曲 線 ， 通 常 可 以 確 定 電 池 的 放 電 性 能 和電 池 的 容 量1. 通 常 電 池 的 放 電 曲 線 越 平 坦 、 穩(wěn) 定 、 電 池 的 性 能 就 越 好2. 電 池 的 容 量 大 小 注 意 ： 放 電 時(shí) 間 的 長(zhǎng) 短 ， 取 決 于 放 電 的 終 止 電 壓 （ 不 宜再 繼 續(xù) 放 電 的 電 壓 ） 。 通 常 放 電 電 流 大 時(shí) ， 終 止 電 壓 可 低些 ， 放 電 電 流 小 時(shí) ， 終 止 電 壓 可 高 些 。 當(dāng) 衡 量 電 池 的 電 壓 特 性 時(shí) ， 常 用 平 均 工 作

31、 電 壓 來 表 示 ： 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 27圖 1 3 1n iVV N平Ni測(cè) 定 電 壓 的 次 數(shù) 我 們 知 道 ， 若 用 、 分 別 表 示 正 、 負(fù) 極 的 過電 位 ， 則 電 池 的 工 作 電 壓 也 可 表 示 為 ： V E IR 電 動(dòng) 勢(shì) 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 28 對(duì) 原 電 池 的 電 壓 電 流 特 性 與 電 極 極 化 曲 線 ， 歐

32、 姆 電 壓 降的 關(guān) 系 可 用 下 圖 表 示 ：圖 1 4. 電 位 變 化 與 時(shí) 間 的 關(guān) 系 A 電 池 的 電 壓 隨 時(shí) 間變 化 的 曲 線 正 極 極 化 曲 線 負(fù) 極 極 化 曲 線 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 29 （ 3） 電 池 的 容 量 電 池 的 容 量 是 指 電 池 放 電 時(shí) 所 能 給 出 的 電 量 （ AH)。電 池 的 容 量 通 常 分 為 ：1. 理 論 容 量 ： 理 論 容 量 是 根 據(jù) 活 性 物 質(zhì) 的 重 量 按 法 拉第 定

33、 律 計(jì) 算 出 的 電 量 。理 論 容 量 的 計(jì) 算 方 法 （ 舉 例 說 明 ） 例 如 ： 設(shè) 某 電 池 中 的 負(fù) 極 為 Zn， 其 重 量 為 13.5克 ， 求鋅 電 極 的 理 論 容 量 ？電 極 反 應(yīng) ： 22Z n e Z n 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 30 另 外 由 法 拉 第 定 律 知 道 ， 1克 當(dāng) 量 的 活 性 物 質(zhì) 可 產(chǎn) 生96500庫 侖 的 電 量 （ 96500/3600S=26.8AH)， 也 就 是 該 有32.69克 的 Zn

34、, 就 可 以 產(chǎn) 生 26.8Ah的 電 量 ， 所 以 現(xiàn) 在 有 13.5克 的 鋅 ， 理 論 上 所 能 產(chǎn) 生 的 電 量 應(yīng) 為 ：Q理 =13.5/32.69 26.8=11.1Ah 另 外 由 于 32.69克 鋅 可 產(chǎn) 生 26.8Ah的 電 量 ， 故 我 們 又可 以 得 到 ： 從 反 應(yīng) 式 知 鋅 的 反 應(yīng) 電 子 數(shù) 為 2， 故 1克 當(dāng) 量 的 Zn應(yīng) 為65.38 2=32.69克32.69克 /26.8AH=1.22克 /AH 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期

35、 三 31 即 理 論 上 得 到 1Ah的 電 量 ， 就 需 要 消 耗 1.22克 的 鋅 或消 耗 1克 鋅 就 可 得 到 0.82Ah的 電 量 。或 26.8Ah/32.69克 =0.82Ah/克 通 常 把 輸 出 1Ah的 電 量 ， 理 論 所 需 要 的 活 性 物 質(zhì) 的 量稱 為 該 物 質(zhì) 的 電 化 當(dāng) 量 。 有 了 電 化 當(dāng) 量 ， 對(duì) 理 論 電 量 的 計(jì)算 更 為 方 便 了 。如 上 例 ： Q理 =13.5/1.22=11.1Ah2. 實(shí) 際 容 量 ： 實(shí) 際 容 量 指 在 一 定 的 放 電 制 下 （ 一 定 沉度 ， 一 定 的 電 流

36、密 度 和 終 止 電 壓 ） ， 電 池 所 能 給 出 的 電 量 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 32 實(shí) 際 容 量 的 計(jì) 算 ：（ 1） 若 是 恒 電 流 放 電（ 2） 恒 電 阻 放 電由 于 恒 電 阻 放 電 時(shí) ， I 是 不 斷 變 化 的 ， 故 QR要 通 過 積 分的 方 法 計(jì) 算 ： IQ =I t(AH) 0 0 01 1t t tR VQ Idt dt Vdt V tR R R 平3. 額 定 容 量 ： 額 定 容 量 是 指 在 一 定 的 放 電

37、制 度 下 ， 電 池應(yīng) 該 給 出 的 最 低 限 度 的 容 量 。 也 就 是 設(shè) 計(jì) 指 標(biāo) 。電 池 的 容 量 是 電 池 的 一 個(gè) 很 重 要 的 性 能 指 標(biāo) 。 一 個(gè) 電 池 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 33 的 實(shí) 際 容 量 往 往 小 于 其 理 論 容 量 ， 這 主 要 是 由 于 活 性 物 質(zhì)的 利 用 率 低 ， 不 能 達(dá) 到 100%。對(duì) 活 性 物 質(zhì) 的 利 用 率 可 用 下 式 計(jì) 算 ：活 性 物 質(zhì) 利 用 率 （ %） =M/g 100

38、%M 放 電 時(shí) 按 法 拉 第 定 律 計(jì) 算 應(yīng) 消 耗 的 物 質(zhì) 的 重 量g 電 池 中 實(shí) 際 存 在 的 活 性 物 質(zhì) 的 重 量例 如 ： 13.5克 鋅 理 論 上 可 放 出 11.1AH的 電 量 ， 若實(shí) 際 上 用 了 20克 ， 則 :13.5/20=67.5%活 性 物 質(zhì) 利 用 率 的 高 低 與 以 下 因 素 有 關(guān) ：（ 1） 與 其 本 身 的 活 性 物 質(zhì) 有 關(guān) ， 自 身 的 活 性 高 ， 利 用 率 就 高 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 3

39、4 （ 2） 與 放 電 機(jī) 制 有 關(guān) ， （ 即 與 放 電 電 流 密 度 有 關(guān) ）（ 3） 與 電 池 的 結(jié) 構(gòu) 有 關(guān)（ 4） 與 放 電 深 度 有 關(guān) 圖 1 5： 溫 度 對(duì) 鋅 氧 化 汞 電 池 容 量 的 影 響 圖 1 6： 鉛 酸 電 池 的 容 量 與電 流 密 度 的 關(guān) 系例 如 ： 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 35 由 圖 1 5 可 看 出 ， 溫 度 降 低 ， 電 池 的 容 量 下 降 ， 這 是 由于 當(dāng) 溫 度 下 降 時(shí) 造 成 了 ： 圖

40、1 6 所 示 為 鉛 酸 電 池 的 容 量 隨 電 流 密 度 的 變 化 圖 。 由圖 可 知 ， 隨 電 流 密 度 的 提 高 ， 電 池 的 容 量 下 降 。 這 是 由 于 當(dāng) 電流 密 度 上 升 時(shí) ， 導(dǎo) 致 電 極 極 化 增 加 ， 消 耗 在 歐 姆 內(nèi) 阻 上 的1. 反 應(yīng) 物 擴(kuò) 散 困 難 ；2. 電 解 液 內(nèi) 阻 增 大 ， 電 極 易 鈍 化 。能 量 也 增 加 ， 使 電 池 的 容 量 下 降 ， 活 性 物 質(zhì) 的 利 用 率 降 低 。另 外 ， 所 謂 放 電 制 （ 放 電 率 ） 是 表 示 放 電 電 流 的 大 小 。 即 ： 放

41、電 率 =Q電 池 的 額 定 容 量 (AH)/I放 電 時(shí) 間 (H)例 如 ： 若 電 池 的 額 定 容 量 為 10Ah,以 5小 時(shí) 放 電 ， 則 :I放 電 電 流 =10AH/5H=2A 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 36 4. 電 池 的 能 量 電 池 的 能 量 ： 指 電 池 在 一 定 的 放 電 條 件 下 ， 所 能 給 出的 能 量 ， 通 常 用 瓦 時(shí) （ WH)表 示電 池 的 能 量 分 類 為 ：（ 1） 理 論 能 量 ： 從 熱 力 學(xué) 上 看 ，

42、 電 池 的 理 論 能 量 等 于 可 逆過 程 電 池 所 能 做 的 最 大 有 用 功 ：（ 2） 電 池 的 實(shí) 際 能 量 ：2.恒 電 阻 放 電 時(shí) ( )W G nFE Q E WH 理電1.恒 電 位 放 電 時(shí) 0tIW IVdt TV t 平2 20 0 1t tI VW IVdt dt V tR R 平 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 37 （ 3） 比 能 量1. 體 積 比 能 量 ： 單 位 體 積 電 池 輸 出 的 能 量 （ 瓦 時(shí) /L）2. 重 量 比 容

43、 量 ： 單 位 重 量 電 池 所 能 輸 出 的 能 量a. 理 論 重 量 比 能 量又 可 分 為 ： b. 實(shí) 際 重 量 比 能 量 總 之 ： 在 評(píng) 定 電 池 的 質(zhì) 量 或 是 在 開 發(fā) 新 的 電 源 時(shí) ， 對(duì) 電 池的 比 能 量 是 常 常 需 要 考 慮 的 一 個(gè) 指 標(biāo) 。 以 下 就 對(duì) 電 池 比 能 量的 理 論 重 量 比 能 量 和 實(shí) 際 重 量 比 能 量 再 做 進(jìn) 一 步 的 說 明 ： A. 理 論 比 能 量 ： 是 指 1Kg電 池 反 應(yīng) 物 質(zhì) 反 應(yīng) 完 全 后 ， 理B. 實(shí) 際 比 能 量 是 ： 指 1Kg電 池 反 應(yīng)

44、物 質(zhì) 在 實(shí) 際 放 電 時(shí) 所 能論 上 所 能 給 出 的 電 能 。給 出 的 電 能 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 38 下 面 以 鉛 酸 電 池 為 例 說 明 理 論 比 能 量 的 計(jì) 算 ：電 池 的 總 反 應(yīng) ：參 加 反 應(yīng) 的 總 物 質(zhì) ： 該 反 應(yīng) 能 產(chǎn) 生 兩 個(gè) 法 拉 第 的 電 量 ， 如 果 642.6克 物 質(zhì) 都能 全 部 反 應(yīng) ， 則 就 能 產(chǎn) 生 2 26.8=53.6AH的 電 量 。另 查 表 可 知 ： 2 2 4 4 22 2

45、 2Pb PbO H SO PbSO H O M=207.2（ Pb） 239.2(PbO2) 2 98.08(H2SO4) =642.6克 ( 2/ 4) 1.685PbO PbSO V 正 ( 4/ ) 0.355PbSO Pb V 負(fù) 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 39 所 以 ： 2.04E V 正 負(fù) 故 ： 642.6克 反 應(yīng) 物 在 理 論 上 所 能 產(chǎn) 生 的 電 能 為 ：設(shè) 比 能 量 為 X， 則642.6:109.3=1000:XW理 =53.6 2.04=Q理 E=

46、109.3WHX=170.2WH/Kg 對(duì) 鉛 酸 電 池 來 說 ， 由 于 H2SO4參 加 了 反 應(yīng) ， 故 其 電 動(dòng) 勢(shì)與 H 2SO4的 濃 度 有 關(guān) 。 若 取 d=1.25的 硫 酸 ， 換 成 活 度 V=2.104V。 表 1 1給 出 了 一 些 電 池 的 理 論 比 能 量 和 實(shí) 際 比能 量 。 見 下 表 ：得 到 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 40 電池電池反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（ V） 理論比能量(WH/Kg) 實(shí)際比能量(WH/Kg) 鉛 酸 2.104 175.5

47、 1050CdNi 1.326（ E0） 214.3 1540FeNi 1.399（ E0） 272.4 1025ZnAg 1.8521.59V 平 =1.721 487.5 60160Zn-Mn 1.623（ 開 ） 251.3 1050Zn空氣 1.646（ E ） 1350 1002502 2 4 4 22 2 2Pb PbO HSO PbSO HO 2 2 22 2 2 ( ) ( )Cd NiOOH HO NiOH CdOH 2 2 22 2 2 ( ) ( )Fe NiOOH HO NiOH FeOH 22AgO Zn Ag O ZnO 第 一 段 ： 2 2Ag O Zn Ag

48、ZnO 第 二 段 ： 22 2A gO Z n A g Z nO 2 2 4 32 2 2 ( )Zn MnO NHCl MnOOH ZnNH Cl 1 22Z n O Z n O 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 41 從 表 中 的 數(shù) 據(jù) 可 以 看 出 ， 電 池 的 實(shí) 際 比 能 量 都 要 比 理論 值 低 的 多 ， 這 是 由 于 除 了 電 池 活 性 物 質(zhì) 的 利 用 率 不 可 能達(dá) 到 100%外 ， 在 電 池 中 還 有 其 它 的 輔 助 部 件 所 致 （ 電

49、解 液 、集 流 體 、 外 殼 ）5.電 池 的 功 率 在 一 定 的 放 電 制 下 ， 單 位 時(shí) 間 內(nèi) 電 池 所 能 給 出 的能 量 ， 稱 為 電 池 的 功 率 （ W， KW)。 單 位 重 量 或 單 位 體 積 電 池 輸 出 的 功 率 ， 稱 為 電 池的 比 功 率 （ W/Kg， W/L). 比 功 率 是 電 池 的 重 要 性 能 之 一 。 一 個(gè) 電 池 的 比 功 率 越 大 ，表 示 它 可 以 承 受 的 放 電 電 位 越 大 ， 或 者 說 其 可 以 在 高 倍 率 下放 電 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章

50、化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 42 理 論 上 電 池 的 功 率 可 以 用 下 式 表 示 ： P=IE若 設(shè) R外 為 電 路 的 電 阻 , R內(nèi) 表 示 電 池 的 內(nèi) 阻 , 則 上 式 可 寫 作 ：(P I IR IR 2 2理 外 外內(nèi) 內(nèi)） =IE=I R +I R 上 式 中 的 第 一 項(xiàng) 為 有 用 功 率 P有 。 第 二 項(xiàng) 的 功 率 則 是 消 耗 在電 池 內(nèi) 部 的 發(fā) 熱 上 ， 而 不 能 利 用 。 所 以 通 常 將由 P有 =I2R外 可 知 ， 外 電 阻 對(duì) K， P有 ， P有 影 響P KP 有 理

51、 稱 為 功 率 利 用 系 數(shù) 。 由 圖 可 知 ， 若 增 大 R外 ， 會(huì) 提 高 功 率 的 利 用 率 ， 使 總功 率 中 消 耗 于 電 池 內(nèi) 部 發(fā) 熱 發(fā) 熱 的 那 一 部 分 減 少 。 但 是 ， 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 43 當(dāng) R外 增 大 時(shí) ， 工 作 電 流 I 將 減 少 ， 有 用 功 率 的 數(shù) 值 就 將減 少 ， 因 而 就 存 在 一 個(gè) R外 最 佳 值 問 題 。圖 1 7. 外 電 阻 對(duì) K， P 有 ， P的 影 響 上一內(nèi)容下一

52、內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 44 2P IE P I R 有 有 內(nèi)2P IE I R 有 內(nèi)2dP E IRdI 有 內(nèi)因 要 想 有 極 大 值 ， 只 需 使 。 即 ：0d Pd I 有2 0E IR 內(nèi)2 2E I R I R 外內(nèi)即 ： 2 2 2 0I R I R IR 外內(nèi) 內(nèi)0R R 外 內(nèi) 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 45 0R R 外 內(nèi)上 式 表 明 ： 當(dāng) 外 電 阻 等 于 內(nèi)

53、 電 阻 時(shí) ， 電 池 的 有 用 功 率 可 達(dá) 最 大 。 另 外 ， 從 電 池 的 本 身 來 看 ， 電 池 的 反 應(yīng) 物 活 性 高 ， 電極 中 有 良 好 的 電 解 液 通 道 。 電 池 的 歐 姆 內(nèi) 阻 小 ， 電 池 的 比功 率 就 大 ， 也 就 是 說 欲 提 高 電 池 的 比 能 量 的 途 徑 是 一 樣 的 。即 電 池 的 比 功 率 和 比 能 量 具 有 一 定 的 聯(lián) 系 ， 也 有 一 定 的 矛盾 。 因 此 比 功 率 和 比 能 量 都 與 放 電 率 有 關(guān) 。 即 P=IE ， W=QE。高 放 電 率 放 電 ： 電 池 的 比

54、 功 率 增 大 ， 而 比 能 量 下 降低 放 電 率 放 電 ： 電 池 的 比 功 率 下 降 ， 而 比 能 量 上 升 。 因在 小 電 流 放 電 時(shí) ， 活 性 物 質(zhì) 的 利 用 率 提 高 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 46 下 圖 （ 1 8） 所 示 是 幾 種 物 質(zhì) 的 比 能 量 和 比 功 率 的 關(guān) 系 。圖 （ 1 8） . 幾 種 物 質(zhì) 的 比 能 量 和 比 功 率 的 關(guān) 系1. ZnHg電 池2. ZnMn電 池3. ZnAg電 池5.鉛 酸 蓄

55、 電 池4. 無 極 板 盒ZnCd電 池 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 47 另 外 需 說 明 的 是 ， 即 使 是 同 一 種 電 池 體 系 ， 由 于 電 池 的結(jié) 構(gòu) 和 制 造 工 藝 不 同 ， 電 池 的 比 功 率 和 比 能 量 特 性 也 會(huì) 有 很大 的 差 別 。6. 電 池 的 儲(chǔ) 存 性 能 和 自 放 電 化 學(xué) 電 源 的 特 點(diǎn) 之 一 是 在 使 用 時(shí) 能 夠 輸 出 電 能 ， 不 用 時(shí)能 夠 保 存 能 量 。 因 而 好 的 電 池 具 有 較

56、 好 的 儲(chǔ) 存 性 能 。 所 謂 的放 電 性 能 是 指 在 一 定 條 件 （ 一 定 溫 度 、 濕 度 等 ） 下 ， 儲(chǔ) 存 時(shí)容 量 的 下 降 率 。 通 常 表 示 為 ：% 100% TQ QX Q 。 。 Q。 、 QT分 別 為 電 池 儲(chǔ) 存 前 后 的 容 量 ， t為 儲(chǔ) 存 的 時(shí) 間 ，一 般 用 天 、 月 、 年 計(jì) 算 。 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 48 容 量 的 下 降 率 主 要 是 由 電 池 的 自 放 電 引 起 的 ， 故 也 叫自 放

57、 率 。 從 熱 力 學(xué) 上 看 ， 產(chǎn) 生 自 放 電 的 根 本 原 因 是 由 于 電 極 活 性物 質(zhì) 在 電 解 液 中 不 穩(wěn) 定 引 起 的 。 因 大 多 數(shù) 的 負(fù) 極 活 性 物 質(zhì) 是活 潑 的 金 屬 ， 它 在 水 溶 液 中 的 還 原 電 位 比 氧 負(fù) 極 要 負(fù) ， 因 而會(huì) 形 成 金 屬 的 自 溶 解 和 氫 析 出 的 共 軛 反 應(yīng) 。 使 負(fù) 極 活 性 物 質(zhì)不 斷 被 消 耗 。 同 樣 正 極 活 性 物 質(zhì) 也 會(huì) 與 電 解 液 或 電 極 中 的雜 質(zhì) 發(fā) 生 作 用 被 還 原 而 產(chǎn) 生 自 放 電 。 2+Zn Zn +2e(i)

58、 +2 2Zn+2H O Zn(OH)+2H +2e +Zn+H2O ZnO+2H +2e 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 49 另 外 電 池 的 自 放 電 也 有 可 能 由 正 負(fù) 極 之 間 的 微 短 路 或 正 極活 性 溶 解 轉(zhuǎn) 移 到 負(fù) 極 上 去 而 引 起 自 放 電 。 這 時(shí) 必 須 采 用 良 好 的隔 膜 來 解 決 。 另 外 還 可 以 采 用 低 沉 和 干 荷 電 儲(chǔ) 存 ， 都 可 減 少 自 放 電 ， 而使 電 池 的 儲(chǔ) 存 壽 命 延 長(zhǎng) 。7.

59、 蓄 電 池 的 充 放 電 特 性 蓄 電 池 放 電 后 ， 用 一 個(gè) 直 流 電 源 對(duì) 它 充 電 ， 即 此 時(shí) 發(fā) 生 克 服 自 放 電 的 方 法 ， 一 般 是 采 用 高 純 的 原 材 料 ， 或 在 負(fù)極 材 料 中 加 入 氫 過 電 位 高 的 金 屬 （ Hg， Cd， Pb)， 或 在 電 極或 溶 液 中 加 入 緩 蝕 劑 來 抑 制 氫 的 析 出 等 。4 4 2 22 ( ) 2 2Zn NHCl Zn NH CL H e 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三

60、 50V E I r R 充 充 電（ ） 的 電 極 反 應(yīng) 恰 是 放 電 反 應(yīng) 的 逆 反 應(yīng) 。 這 樣 使 電 極 活 性 物 質(zhì)得 到 恢 復(fù) ， 電 池 又 可 重 復(fù) 使 用 ， 充 電 過 程 是 一 個(gè) 電 解 過 程 。充 電 時(shí) ， 直 流 電 源 的 正 極 與 電 池 的 正 極 相 連 ， 負(fù) 極 與 直 流電 源 的 負(fù) 極 相 連 。 這 時(shí) 電 池 的 端 電 壓 稱 為 充 電 電 壓 ， 電 池的 充 電 電 壓 總 是 高 于 它 的 電 動(dòng) 勢(shì) ， 其 關(guān) 系 式 如 下 ：r 為 電 極 的 等 效 極 化 電 阻 r r r R 為 R+、 R

61、 、 Rl的 歐 姆 電 阻 之 和 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 51 因 原 電 池 總 可 以 等 效 為 ：原 電 池 的 簡(jiǎn) 化 等 效 電 路 蓄 電 池 的 充 電 方 法 有 恒 流 法 和 恒 壓 法 ， 通 常 使 用 的 是 恒電 流 法 。 隨 著 充 電 的 進(jìn) 行 ， 活 性 物 質(zhì) 不 斷 被 恢 復(fù) （ 負(fù) 極 物 質(zhì)還 原 ， 正 極 活 性 物 質(zhì) 氧 化 ） ， 電 極 反 應(yīng) 存 積 不 斷 縮 小 ， 充 電電 流 密 度 不 斷 增 大 ， 使 電 極

62、 的 極 化 不 斷 增 大 。 充 電 電 壓 不 斷增 大 。 對(duì) 電 壓 的 增 大 的 貢 獻(xiàn) ， 開 始 主 要 是 I 充 R項(xiàng) ， 而 后 才 是 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 52 IiR項(xiàng) 。 充 電 電 壓 隨 時(shí) 間 的 變 化 即 為 充 電 曲 線 。 如 下 圖 所 示 ：圖 1 9. 鉛 酸 蓄 電 池 的 充 放 電 曲 線 ( ) ( ) 2 2 4 4 2Pb PbO H SO PbSO H O 放充 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章

63、 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 53 實(shí) 際 上 充 電 時(shí) 常 為 兩 個(gè) 階 段 ， 前 期 以 正 常 的 電 流 ， 后 期由 于 不 斷 發(fā) 生 水 的 電 解 ， 而 析 出 H2,O2,故 此 時(shí) 的 充 電 電 流 宜減 小 一 倍 ， 以 免 過 多 的 電 量 消 耗 于 水 的 電 解 。 基 于 在 充 電 過 程 中 有 能 量 的 損 耗 ， 因 而 就 有 一 個(gè) 充 電 效率 的 問 題 。 可 用 容 量 輸 出 效 率 和 能 量 輸 出 效 率 來 表 示 。1. 容 量 輸 出 效 率 （ 又 稱 安 時(shí) 效 率

64、） ： 是 指 電 池 放 電輸 出 能 量 與 充 電 輸 入 能 量 之 比 。100% Q Q A HQ 放充 （ ） 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 54 2. 能 量 輸 出 效 率 （ 又 稱 WH效 率 ） ： 是 指 電 池 放 電 輸 出 能 量 與充 電 輸 入 能 量 之 比 。 100%W W WHW 放充 （ ） 超 過 了 充 電 終 止 電 壓 ， 繼 續(xù) 充 電 稱 為 過 充 電 。 若 低 于放 電 終 止 電 壓 ， 繼 續(xù) 放 電 稱 為 過 放 電 。 過

65、 充 電 不 僅 造 成 了 能 量 的 無 益 消 耗 ， 而 且 會(huì) 對(duì) 電 池 的性 能 和 工 作 環(huán) 境 造 成 危 害 ； 過 放 常 造 成 電 池 難 以 再 充 電 。8. 蓄 電 池 的 循 環(huán) 壽 命 蓄 電 池 經(jīng) 歷 一 次 充 電 和 放 電 ， 稱 為 一 次 循 環(huán) （ 或 稱 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 55 一 個(gè) 周 期 ） 。 在 一 定 的 放 電 制 下 ， 當(dāng) 電 池 的 容 量 降 到 某 一定 值 之 前 ， 電 池 所 能 承 受 多 少 次

66、 充 放 電 ， 稱 為 蓄 電 池 的 使用 周 期 （ 或 稱 循 環(huán) 壽 命 ） 。 周 期 越 長(zhǎng) ， 表 示 電 池 的 性 能 越好 。 不 同 的 電 池 使 用 周 期 是 不 相 同 的 ， 例 如 ： 一 般 說 來 ，F(xiàn)e Ni， Cd Ni 電 池 的 使 用 壽 命 可 達(dá) 數(shù) 千 次 。 鉛 蓄 電 池約 300 500次 ， Zn Ag電 池 約 40 100 次 。 另 外 ， 蓄 電 池 的 使 用 壽 命 與 放 電 深 度 、 沉 度 、 充 放 電率 等 條 件 都 有 關(guān) 。 （ 放 電 深 度 是 指 電 池 放 出 的 容 量 與 額 定 容量 的 百 分 比 ） 。下 表 即 為 Cd Ni電 池 的 放 電 深 度 與 使 用 壽 命 的 關(guān) 系 ： 上一內(nèi)容下一內(nèi)容回主目錄O返回 化 學(xué) 電 源 第 一 章 化 學(xué) 電 源 基 本 知 識(shí) 2021年 5月 26日 星 期 三 56 放 電 深 度 （ %）255075 使 用 壽 命 （ 次 ）50000150005000一 般 說 來 ， 放 電 深 度 小 ， 使 用 壽 命 長(zhǎng)