化学电源 教学课件 ppt 作者 程新群 主编化学电源 第1章 绪论.ppt

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，2009,4,参考期刊,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. Power Sources Solid State Ionics Fuel Cell Electrchemica Acta Electrochemical communication J. Electrochem Soc. Electrochemical and solid state letters J. Solid state electrochemistry J. Applied electrochemistry Electrochemistry J. New materials for electrochemical system Others,5,1. 化学电源的重要意义,化学电源——电池 electrochemical power source —— 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：、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”,8,2. 生活中的电池品种,9,2. 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 Fuel Cell 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,12,3. 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） Electrochemical power source, 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,15,4. 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,17,5. 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、、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,18,02:49,18,第一章 化学电源概论,19,1.1 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,20,1786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,23,200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：、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 acid battery 碱性电解液电池 alkaline battery 中性电解液电池 neutral battery 有机电解质溶液电池 organic electrolyte battery 固体电解质电池 solid electrolyte battery 熔融盐电解质电池 melton electrolyte battery 聚合物电解质电池 polymer electrolyte battery,1.2 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/ round battery 扣式电池 button/coin battery 方形电池 prismatic battery 纸式电池 paper battery 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,32,电池的分类（工作性质和储存方式）,一次电池（原电池）Primary battery / Galvanic battery 电池放电后，不能用充电方法将它回复到放电前的初始状态的一类电池 锌-二氧化锰干电池 Zn︱NH4Cl、ZnCl2︱MnO2（dry cell） 扣式锌-氧化银 Zn︱KOH︱Ag2O或AgO 锌-汞电池 Zn︱KOH︱HgO 锌-空气电池 Zn︱KOH︱O2 锂电池(锂锰)： Li︱LiClO4，PC-DME︱MnO2 特点：小型，携带方便,33,电池的分类（工作性质和储存方式）,二次电池（蓄电池）Secondary battery / storage battery / rechargeable battery，accumulator 电池放电后，可以用充电方法使活性物质恢复到放电前状态，从而能够再次放电的一类电池，充放电过程可以反复进行 铅酸：Pb | H2SO4 | PbO2 镉镍 Cd | KOH | NiOOH 铁镍 Fe | KOH | NiOOH 锂离子电池 LiC6︱LiPF6，EC-DEC-EMC︱LiCoO2 循环使用,34,电池的分类（工作性质和储存方式）,贮备电池 (激活电池）Reserve battery / activated battery 在贮存期间，电解质和电极活性物质分离或电解质处于惰性状态，使用前注入电解质或通过其他方式使电池激活，电池立即开始工作。

锌一银电池 Zn︱KOH︱Ag2O(AgO)，使用前注入电解液 热电池: Ca︱LiCl-KCl︱PbSO4，铁粉燃烧产生大量热量，使得电解质熔融 热电池种类很多 激活时间短,35,电池的分类（工作性质和储存方式）,燃料电池 full cell 电池中的电极材料是惰性的，是活性物质进行电化学反应的场所，而正负极活性物质分别储存在电池体外，当活性物质连续不断地注入电池时，电池就能不断地输出电能 连续工作 种类：AFC、PAFC、MCFC、SOFC、PEMFC、DMFC,36,36,1.3 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37,37,化学电源内部的电势变化,discharge,Charge,38,38,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,39,39,几个概念：,成流。