第11章化学电源.ppt

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1、第11章化学电源本章主要介绍化学电池的电化学原理、一般结构原理、实用电池的种类以及电池的电化学动力学研究方法。表11.1电池的分类利用物质的化学变化或物理变化，并把这些变化所释放出来的能量直接转变成电能的装置，叫做电源或电池。化学电池物理电池活性物质固定在电极上的电池活性物质连续供给电极上的电池太阳能电池原子能电池热电发生器一次电池二次电池（蓄电池）一次燃料电池再生型燃料电池化学电池存放电时，正极活性物质P1获得电干变成P2，负极活性物质N1失去电子后变成N2。电池反应的通式可表示为：在正极上P1+ne→P2在负极上N1→N2+ne总反应，P1+N1→N2+P2总反应中自由能减少的部分(-Δ

2、G)转变为电能。反应如果能够自发进行，ΔG一定是负值。只要满足这个条件，无论是固体、液体、还是气体都可用来做电池的活性物质。化学电池由正极、负极和电解质三部分构成。常用的电解质有酸性水溶液、碱性水溶液或各种盐类的中性水溶液，也有部分非水溶液、熔融盐或者固体电解质。当电池的正、负极用电子导体连接并加上负载时，正极上的活性物质发生还原反应，负极上的活性物质发生氧化反应，电流就在负载上通过。11.1化学电池的基本性能实际使用的电池要求电动势高，放电时电动势的下降及随时间的变化小，质量比容量或体积比容量高，活性物质的利用率大，维护方便、贮存性及耐久性优异，价格低廉。但实际上没有一种电池能同时满足以上

3、的各个条件，一般都是根据电池的用途来选择，或者牺牲电池的性能降低价格，或者是保证性能提高费用。如果是生产再生型二次电池，还要求充放电的化学反应是可逆的，充放电的能量效率必须足够高，电流效率高，充电时的电压上升小。根据电化学热力学可知，电池反应的正、负极电极电位分别为11.1.1电池电动势表10.2正极与负极活性特质的电极电位（25℃）正极活性物质的电极电位负极活性物质的电极电位活性物质溶液浓度/（mol/L）/V电极反应/VPbO2H2SO40.5,PbSO4饱和1.595Li→Li+-3.03MnO2H2SO40.25,MnSO40.251.46Na→Na+-2.71AgONaOH1.00

4、.59Mg→Mg2+-2.37Ni2O3KOH2.80.48Al→Al3+-1.66MnO2KOH0.10.42Zn→Zn2+-0.736CuONaOH1.00.33Fe→Fe2+-0.440HgONaOH0.10.17Cd→Cd2+-0.403Cl2HCl0.5,H2SO40.51.59Pb→PbSO4-0.356CO2H2SO40.51.23Zn→ZnO22--1.216Cl2HCl1.01.36Fe→Fe(OH)3-0.887纯HNO395%1.16Cd→Cd(OH)2-0.809每种电池都有电动势，同一种电池中每个电池的电动势往往不是固定不变的。同此，取其有代表性的数值规定为某种电池

5、的电动势(开路电压)，这个值就叫做额定电压。如锌锰电池的额定电压为1.5V，实际上电池的电压在1.5～1.6V之间，铅酸蓄电池的额定电压为2.0V，实际电池的电压为2.0～2.3V等。为了提高电池的电动势，要使用电子亲和力大的、容易还原的物质(在高度被氧化状态下氧化力强的物质)为正极活性物质；而使用电子亲和力小、容易氧化的物质(在高度被还原状态下还原能力强的物质)为负极活性物质。从表11.2中可以看出，以PbO2作正极活性物质时，电极的电位最高，以Li作负极活性物质时，电极的电位最低，若以这两种物质构成电池的正负极则可得到电动势最高的电池。无论电池的电动势有多高，在放电时，电池的端电压总是要

6、下降，而在充电时又总是要升高。这是电池反应的必然规律，也是影响电池性能的主要问题。这种电压降低或升高主要是由电池内的欧姆电阻及电极极化引起的。若正、负极上的极化由浓差极化和电化学极化混合控制，则：11.1.2充、放电过程中电极极化及端电压随时间的变化在电池的放电过程中，电池的端电压可由下式表示：已知电化学极化过电位和浓差极化过电位分别表示为：代入并求导，可得出电池的极化电阻为电化学极化引起的电压降溶液电阻引起的线性电压降浓差极化使电池端电压降至零图11.1电池端电压与电流关系受极化类型的影响0.500.50.51.01.01.51.0理想电池电压与电流的关系最大热效率能量转化效率电池欧姆内阻

7、RⅠ由电极、活性物质和电解质溶液中的欧姆电阻组成。当活性物质为电子导体(金属、碳、半导体)时，其本身就可以作为电极使用。当气体、液体和导电性差的固体作为活性物质时，则需要使活性物质附着在导电性良好的惰性电极上才能使用。例如：把气体活性物质吸附在金属电极或碳电极使用；把液体活性物质溶解在电解液中，使电流通过插在电解质中的金属电极输出；把固体活性物质填充在惰性金属基板上使用等，都是常用的方法。这些惰性电极材料必须