化学电源设计第1章绪论..pptx
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化学电源设计第1章绪论..pptx
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化学电源设计与制造工艺学,化学电源设计与制造工艺学,彭文杰冶金科学与工程学院中南大学,教材,化学电源设计我国第一部全面系统论述化学电源优化设计的专著。
着重介绍了化学电源设计中的相关理论、设计原则及一般的计算方法。
同时,以常规电池为例,对设计方法、进行了详细阐述。
此外还介绍了化学电源壳体材料、隔膜材料的选择原则以及清洁生产等重要知识与技术。
化学电源设计与制造工艺学,教材,第1章绪论化学电源发展现状化学电源设计概述第2章化学电源概述化学电源的组成电池的分类化学电源的工作原理化学电源的基本性能第3章化学电源设计中的相关理论化学电源中的电传导法拉第定律及其应用电化学热力学基础电化学动力学基础电池设计中的表界面现象与应用电池组合原理,化学电源设计与制造工艺学,教材,化学电源设计与制造工艺学,第4章化学电源设计过程电池设计的终极目标与实现电池设计的基本程序电池设计前的准备电池设计的一般步骤第5章哈电源的隔膜及壳体材料常规电池用隔膜材料化学电源的壳体材料选择第6章各类电池设计举例铅酸蓄电池设计镉镍电池设计锌银电池的设计与计算圆柱形单体镍氢电池设计圆柱形锌锰电池设计计算中的若干问题锂离子电池设计),教材,第7章电池行业的清洁生产概述清洁生产的含义与实施电池生产过程中“三度”的危害与防治措施参考文献附录一固定型阀控密封式铅酸蓄电池(GB/T19638.2-2005)附录二起动用铅酸蓄电池产品品种和规格(GB/T5008.2-2005)附录三起动用铅酸蓄电池技术条件(GB/T5008.1-2005)附录四起动用铅酸蓄电池端子的尺寸和标记(GB/T5008.3-2005)附录五蜂窝电话用锂离子电池总规范(GB/T18287-2000)附录六原电池(GB8897.1-2003),化学电源设计与制造工艺学,第一章绪论,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,彭文杰冶金科学与工程学院中南大学,目录化学电源的发展及分类化学电源的工作原理及组成化学电源的工作原理化学电源的组成化学电源的基本性能化学电源设计概述,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源,化学电源:
是一种直接把化学能转变成低压直流电能的装置,实际上是一个小的直流发电器或能量转换器,是为用电的电器设备、仪器配套的能量供应系统。
化学电源(电池):
原电池(一次电池)蓄电池(二次电池)贮备电池燃料电池,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.1化学电源的发展及分类,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源的发展历史:
早在远古时代,就有了类似今天的电池装置.但人们公认的第一个电池还是Volta在1800年利用不同金属与电解质接触所构成的“Votal堆”电池技术取得实质性进展始于19世纪。
1839年VilliamGrove提出的空气电池原理1859年Plante的铅蓄电池及电池组,接着Faure在铅酸电池中使用涂膏极板.1882年Sellon使用锑一铅栅板,完成了铅酸电池的商品化。
1812年Zanibom使用二氧化锰作正极,1.1化学电源的发展及分类,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源的发展历史:
1844年Jacobi提出了以中性氯化铵水溶液拌砂作电液的方案。
1868年Lechnche的ZnNH4CI电池1888年Gassner成功构成干电池商品化.而电池的应用是1874年Edison的四路电报发送。
在20世纪80年代出现了较高比能量并能大电流工作的小型镍金属氢化物(NIMH)蓄电池90年代又出现了更高比能量的锂离子(Liion)蓄电池及有实用前景的聚合物电解质膜(PEM)燃料电池。
1.1化学电源的发展及分类,化学电源的发展现状:
最大的电池市场在美国、日本、欧洲,约占全球电池市场的60%。
近几年,全球电池产量的年均增长率约为5%,中国约为15%。
一次电池中,碱性锌锰电池增速最快;二次电池中,普通铅酸电池和镉镍电池的增速趋缓,密封铅酸蓄电池,特别是锂离子电池的增速最快。
此外,新型高能电池发展很快,例如燃料电池、电化学电容器、锌镍蓄电池、金属燃料电池等依然受到极大的重视。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.1化学电源的发展及分类,化学电源的分类:
按电解质种类划分:
碱性电池:
以氢氧化钾溶液为电解质,如碱性锌锰电池(碱锰电池、碱性电池)、镉镍电池、氢镍电池。
酸性电池:
以硫酸水溶液为介质,如铅酸蓄电池。
中性电池:
以盐溶液为介质,如锌锰干电池(酸性电池)、海水电池有机电解质电池:
以有机溶液为介质,如锂电池、锂离子电池。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.1化学电源的发展及分类,化学电源的分类:
按工作性质和贮存方式分:
原电池(一次电池):
锌锰干电池、锂电池蓄电池(二次电池):
铅酸电池、氢镍电池、锂离子电池燃料电池:
活性材料在电池工作时才连续不断地从外部加入电池,如氢氧燃料电池贮存电池:
电池贮存时不直接接触电解质,直到电池使用时才加入电解液,如镁氯化银电池(海水电池)。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.1化学电源的发展及分类,化学电源的分类:
按电池所用正负极材料分:
锌系列电池:
锌锰电池、锌银电池镍系列电池:
镉镍电池、氢镍电池铅系列电池:
铅酸电池锂系列电池:
锂离子电池、锂锰电池二氧化锰系列电池:
锌锰电池、碱锰电池空气(氧气)系列电池:
锌空电池,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.1化学电源的发展及分类,化学电源的分类:
按活性物质保存方式分:
活性物质保持在电极上分为非再生型一次电池和再生型二次电池(蓄电池);活性物质连续地供给电极,分为非再生型燃料电池和再生型燃料电池。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.2化学电源的工作原理及组成,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源的工作原理:
化学电源是一个低压直流的能量转化装置。
放电时,将化学能直接转变成电能;充电时,将电能直接转变成化学能贮存起来。
电池放电时负极活性物质发生氧化反应放出电子,并沿着预先确定的外电路向正极迁移,正极活性物质发生还原反应,接收由外电路传导过来的电子。
在电池内部,电解质溶液中的阴阳离子在电场作用下,分别向两极移动,构成了闭合的放电电路。
1.2化学电源的工作原理及组成,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源能量转化过程中具备的条件:
组成电池的两个电极进行氧化还原反应的过程中,必须分别在两个分开的区域进行,有别于一般的氧化还原反应;两个电极的活性物质进行氧化还原反应时,所需要的电子必须有外电路传递,有别于腐蚀过程的微电池反应。
化学电源的组成(电池构成四要素):
电极(正极和负极)电解质(液)隔离物(隔膜)外壳,1.2化学电源的工作原理及组成,电极(正极和负极):
电极是电池的核心,由活性物质和导电骨架组成。
正负极活性物质:
是产生电能的源泉,是决定电池基本特征的重要组成部分。
活性物质是正负极参加成流反应的物质,放电时能通过化学反应产生电能的电极材料。
有固态、液态和气态三种,后二者一般用于燃料电池。
导电骨架(导电集流体):
传导电流、均分电极表面电流电位,有的集流体还起支撑和保持活性物质作用,如铅酸电池的板栅、镍氢电池的发泡镍。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.2化学电源的工作原理及组成,活性物质的要求:
组成电池的电动势高,即正极活性物质的标准电极电势愈正,负极活性物质的标准电极电势愈负,组成的电池电动势愈高;活性物质具有电化学活性,其自发的反应能力越强越好;质量比容量和体积比容量要大;活性物质在电解液中化学稳定性要高,且具有不溶性,以减少电池贮存过程中的自放电,从而提高电池的贮存性能;高的电子导电性,以降低电池内阻;物质来源广泛,价格便宜。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.2化学电源的工作原理及组成,电解质(液):
是具有高离子导电性的物质,在电池内部起传递正负极之间电荷的作用,有时电解质也参与成流反应(如铅酸电池中的硫酸)。
电解质(液)应具备以下条件:
稳定性强:
贮存期间电解质与活性物质界面电化学反应速度应小,自放电容量损失小。
电导率高:
电解液电导率高,溶液欧姆压降小,电池内阻小,放电性能好。
不同系列的电池要求不同(如锂电池、镉镍电池、碱锰电池。
)不具备电子导电性,否则会产生漏电现象。
电解液与活性物质间的稳定性、高低温特征。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.2化学电源的工作原理及组成,隔离物(隔膜):
置于电池两极之间,有薄膜、板材、棒材等,防止正负极活性物质接触,避免电池内短路,其特点是允许离子通过但不导电。
隔膜的要求:
具有良好的化学稳定性,耐活性物质的氧化还原反应;具有一定的机械强度,因为电池安装和使用过程中易破坏,极板充电过程中弯曲变形易于破坏;离子通过隔膜的能力大,产生的阻力应小于欧姆压降;是电子的良好绝缘体,并能防止活性物质脱落,防止充放电过程中活性物质枝晶生长及穿透。
材料来源丰富,价格低廉,使用方便。
较常用的隔膜材料:
棉纸、浆层纸、微孔橡胶、微孔塑料、玻璃纤维、尼龙、石棉、水化膜、聚丙烯膜等,可根据不同系列的要求选取。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.2化学电源的工作原理及组成,外壳:
电池的容器,起着保护电极及保持活性物质的作用,只有锌锰电池的外壳兼作负极。
外壳需要良好的机械强度,耐振动冲击,并要耐高低温的变化和耐电解液的腐蚀。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,原电池的电动势电池的开路电压电池的工作电压电池的内阻电池的容量电池的能量电池的功率电池的贮存性能电池的寿命,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,
(1)原电池的电动势-rGm=nFEn为电极在氧化或还原中电子的计量个数;F为法拉第常数(约为96500库仑);E为可逆电池的电动势。
式(1-1)揭示了化学能转变为电能的最大值,为电池设计与改进提供了理论依据。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,
(2)电池的开路电压电池处于不放电的断路状态时,电池两极之间的电位差被称为开路电压。
开路电压测量:
高内阻电表和万用表。
开路电位-实质:
正极稳定电位和负极稳定电位的差。
属于动力学范畴。
稳定电位是电极-溶液界面的电位差。
电动势-是热力学平衡体系下的参数,在数值上是正负极两极平衡电极电位的差。
一般开路电压在数值上小于或接近于电池电动势。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(3)电池的工作电压(放电电压、端电压)工作电压:
是电池放电时电池两极之间的电位差。
由于电池存在内阻,当电池工作电流渡过电池内部时,必须克服由电极极化和欧姆内阻所造成的压力,因此,工作电压总是低于开路电压与电池的电动势。
工作电压受放电制度的影响很大。
V=E-IR内=E-I(R+RL)或V=E-+-IR=+-IR,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(3)电池的工作电压(放电电压、端电压)放电制度:
电池放电时所规定的各种放电条件,包括放电方式是连续的还是间歇的,放电电阻的大小,放电电流的高低,放电时间的长短,终止电压的高低及放电环境温度的高低等。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(3)电池的工作电压(放电电压、端电压)终止电压:
指电池放电时,电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值。
根据不同的电池类型及不同的放电条件,对电池的容量和寿命的要求也不同,所规定的电池放电的终止电压也不相同,一般在低温或大电流放电时,终止电压规定得低一些,小电流长时间或间歇放电时,终止电压值规定得高一些。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(3)电池的工作电压(放电电压、端电压)放电曲线:
指在一定的放电条件下,电池的工作电压随放电时间的变化曲线。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(4)电池的内阻电流通过电池内部受到的阻力使电池的电压降低,此阻力被称为电池的内阻。
电池的内阻不是常数,在放电过程中随放电时间不断变化,因为活性物质的组成、电解液的浓度、温度都在不断变化。
全内阻欧姆内阻极化内阻内阻的存在使电池放电时的端电压低于电池的电动势和开路电压,充电时端电压高于电池的电动势和开路电压。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(4)电池的内阻欧姆内阻是电池电传导方向上所遇到的阻力,主要有电极、电极材料、集流体、电解液、隔膜等的电阻以及各部分零件的接触电阻所组成。
它与电池的尺寸、结构,电池的成型方式、装配松紧度等因素有关,欧姆内阻遵从欧姆定律。
极化内阻是正极、负极进行电化学反应时,因极化引起的内阻。
它与活性物质的本性、电极的结构、电池的制造工艺等因素有关,尤其与电池的工作条件有关,放电电流和温度对其影响很大。
在大电流密度时,电化学极化和浓差极化均增加,甚至可能引起负极的钝化;温度降低对活化极化、离子的扩散均有不利影响,故在低温条件下电池的全内阻增加,极化内阻随电流密度的增加而增加,但不是直线关系。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(5)电池的容量电池的容量是指在一定的放电条件下,可以从电池获得的电量。
单位:
Ah。
电池的容量有理论容量、实际容量和额定容量之分。
理论容量(C0):
假设活性物质全部参加电极的成流反应所给出的电量。
根据活性物质的质量按照法拉第定律计算求得:
C026.8nm0/M式中:
m0为活性物质完全反应时的质量,M为活性物的摩尔质量,n为成流反应时的得失电子数。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(5)电池的容量实际容量在一定的放电条件下电池实际放出的电量。
恒电流放电时:
CIT恒电阻放电时:
C近似公式:
C1/RV平T式中:
I放电电流,R放电电阻,T放电至终止电压的时间,V平电池的平均放电电压,即电池放电刚开始的初始工作电压与终止电压的平均值,严格讲V平应该是电池整个放电过程中放电电压的平均值。
化学电源的实际容量决定于活性物质的数量及其利用率,由于内阻的存在以及其他原因,活性物质不能完全被利用,即活性物质的利用率总是小于1,因而实际容量总是低于理论容量。
降低电池内阻、改进电极结构和工艺条件、提高活性物质的表观活性均可提高其利用率。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(5)电池的容量额定容量:
是指设计和制造电池时,规定或保证电池在一定的放电条件下,应该放出的最低限量的电量。
电池的比容量:
是指单位质量或单位体积的电池所给出的容量,称为质量比容量或体积比容量,分为实际质量比容量或实际体积比容量及理论质量比容量或理论体积比容量。
电池的质量不仅包括活性物质的质量,而且还包括除活性物质外的其他组成部分的质量,提高活性物质的利用率和降低其他络腮胡子部分(如壳体等)的质量或电池体积是提高电池比容量的重要方法。
注:
一个电池的容量就是其中正极(或负极)的容量,而不是正极容量与负极容量之和。
一般实际生产中多为正极容量控制整个电池的容量,而负极容量过剩。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(6)电池的能量电池的能量:
指电池在一定放电条件下对外做功所能输出的电能,单位wh。
理论能量:
假设电池在放电过程中始终处于平衡状态,其放电电压保持电动势的数值,而且活性物质的利用率为100%,即放电容量为其理论容量,则此条件下电池输出的能量为理论能量。
W=C0E即可逆电池在恒温恒压下所做的最大功。
W=-rGm=nFE在电池设计时,选择能给出高的电动势和大的理论能量是电池实际给出能量大的基本保证。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(6)电池的能量实际能量:
是电池在放电时实际输出的能量,在数值上等于电池实际容量与电池平均工作电压的乘积:
WCV平由于活性物质不可能被完全利用,而且因各种极化作用使电池的工作电压小于电动势,所以电池的实际能量总是小于理论能量。
提高电池的工作电压是提高电池输出实际能量的关键措施之一。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(6)电池的能量比能量:
单位质量或单位体积的电池所给出的能量叫质量比能量或体积比能量,也称能量密度。
单位:
Wh/kg或Wh/L比能量可分为理论比能量和实际比能量。
电池实际质量比能量的影响因素:
电压效率、反应效率、质量效率电压效率:
指电池的工作电压与电动势的比值。
减小极化和降低内阻是提高电池效率的根本方法。
反应效率:
是活性物质的利用率。
负极的腐蚀及钝化,负极的变形及枝晶的形成,正极活性物质的溶解和脱落等会阻碍正常反应的进行。
质量效率:
指参加成流反应的物质量与电池总质量的比值。
不参加成流反应的物质有:
过剩的活性物质、电解质溶液、电极的添加剂和电池的外壳、电极板栅、骨架、隔膜等。
电池的比能量是电池性能的一个重要的综合指标。
提高电池的比能量始终是化学电源工作者的努力目标。
较好的电池实际比能量可以达到理论值的1/3-1/5.,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(7)电池的功率电池的功率:
是指在一定放电制度下单位时间内电池输出的能量.单位:
瓦(W),千瓦(kW)。
比功率:
单位质量或单位体积的电池输出的功率。
单位:
W/kg,W/L。
比功率的大小表征电池所能承受的工作电流的大小。
eg:
锌银电池在中等电流密度下放电时,比功率可达100W/kg以上,说明这种电池的内阻小,高速率放电的性能好。
锌锰干电池在小电流密度下工作时,比功率也只能达到10W/kg,说明电池的内阻大,高速率放电的性能差。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(7)电池的功率理论上电池的功率:
P0=W0/t=C0E/t=ItE/t=IE式中:
t放电时间,C0电池理论容量,I恒定的电流。
电池的实际功率:
PIVI(EIR内)IEI2R内I2R内是消耗于电池全内阻上的功率。
放电制度对电池输出功率有显著影响。
当以高倍率放电时,电池的比功率增大,但由于极化增大,电池的电压降低很快,因此能量必降低。
反之,当电池以低倍率放电时,电池的比功率降低而比能量却增大。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(7)电池的功率,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,放电制度对电池输出功率有显著影响。
当以高倍率放电时,电池的比功率增大,但由于极化增大,电池的电压降低很快,因此能量必降低。
反之,当电池以低倍率放电时,电池的比功率降低而比能量却增大。
图2-4,各种电池系列的比功率与比能量1ib=0.45359237kg,1.3化学电源的基本性能,(8)电池的贮存性能指荷电态电池开路时,在一定条件下(温度、湿度等)贮存时荷电保持能力。
通常用容量下降率来表示。
电极的自放电:
杂质的存在形成的腐蚀微电池及各种副反应的发生电极结构变化引起的容量下降电极物质表面性质变化引起的容量下降,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.3化学电源的基本性能,(9)电池的寿命电池的搁置寿命(贮存寿命):
在标准规定或人为规定的条件下电池荷电贮存的时间。
一次电池的使用寿命:
在一定放电制度下连续的或间歇的放电,放电至终止电压的时间。
(影响因素:
放电制度、电池的容量、活性物质的利用率、内阻等)二次电池的循环寿命:
在一定的充放电制度下,电池容量降低至规定值之前,所经历的充放电次数(循环次数、循环周期)。
(影响因素:
电池内部的杂质、电池和电极结构、电解液的性质、活性物质的稳定性等),化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,1.4化学电源设计概述,化学电源设计:
寻求使化学电源能最大限度地满足用电器具技术要求的过程。
化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源设计分类:
原电池设计蓄电池设计,单体电池设计:
实现构成化学电源基本单元的设计过程。
电池组设计:
实现多个单体电池组合的设计过程。
按不同设计内容:
研究开发性设计产品更新换代设计工艺优化设计,1.4化学电源设计概述,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源设计需解决的主要问题:
在允许的尺寸质量范围内进行结构和工艺设计,使其尽可能地满足用电器具的要求;寻找可行和尽可能简单方便的工艺;(3)尽量降低成本;在条件允许的情况下,尽量提高产品的技术性能;尽量克服和解决环境污染的问题,以满足清洁生产的要求。
1.4化学电源设计概述,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源设计定位:
尽可能地满足最大限度地满足一般满足,化学电源设计评价:
产品均匀率成品率生产效率,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,谢谢!
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- 化学 电源 设计 绪论