1、第七章第七章 化学电源化学电源7.1 基本概念基本概念7.1.1 化学电源的分类与组成化学电源的分类与组成7.1.2 化学电源的基本性能指标化学电源的基本性能指标7.1.3 电池的命名与型号电池的命名与型号 电池是储存电能并可输出电能的装置。将化学电池是储存电能并可输出电能的装置。将化学能直接转变成能直接转变成直流电能直流电能的装置称为的装置称为化学电池化学电池或或化学化学电源电源。把光能或热能转变为电能的装置称为。把光能或热能转变为电能的装置称为物理电物理电池池，例如太阳能电池。，例如太阳能电池。电池的突出优势在于：电池的突出优势在于：能量转化率高能量转化率高，使用中，使用中无污染、无噪声、
2、可做成任意大小、使用方便、易无污染、无噪声、可做成任意大小、使用方便、易于控制。于控制。7.1.1 化学电源的分类与组成化学电源的分类与组成（1）化学电源的分类）化学电源的分类 化学电源通常分为以下化学电源通常分为以下4类：类：a)原电池：原电池：又称又称一次电池一次电池，放电后不能用充电的方法，放电后不能用充电的方法使之复原，因此两电极的活性物质只利用一次。原使之复原，因此两电极的活性物质只利用一次。原电池的特点是小型、携带方便，但放电电流不大，电池的特点是小型、携带方便，但放电电流不大，一般用于仪器及各种电子器件。常用的原电池如锌一般用于仪器及各种电子器件。常用的原电池如锌锰电池、锂电池。
3、锰电池、锂电池。b)蓄电池：蓄电池：又称又称二次电池二次电池，充电后可使之复原。能多，充电后可使之复原。能多次充放电，循环利用。常见的蓄电池如铅酸蓄电池次充放电，循环利用。常见的蓄电池如铅酸蓄电池、锂离子电池、镉镍电池。铅酸蓄电池的产量很大、锂离子电池、镉镍电池。铅酸蓄电池的产量很大，而且多数用在汽车启动、照明和点火。，而且多数用在汽车启动、照明和点火。c)贮备电池：贮备电池：在贮存期内电极活性物质和电解质不接在贮存期内电极活性物质和电解质不接触，或电解质处于固态；能贮存几年或十几年，使触，或电解质处于固态；能贮存几年或十几年，使用时借助动力源或水作用于电解质使电池激活。例用时借助动力源或水作
4、用于电解质使电池激活。例如，镁氯化银电池，铅高氯酸电池。如，镁氯化银电池，铅高氯酸电池。d)燃料电池：燃料电池：又称又称连续电池连续电池，其正负极本身不包含活，其正负极本身不包含活性物质，将燃料（电极活性物质）输入电池就能长性物质，将燃料（电极活性物质）输入电池就能长期放电。例如，氢氧燃料电池、直接甲醇或甲酸燃期放电。例如，氢氧燃料电池、直接甲醇或甲酸燃料电池等。料电池等。目前，广泛使用或已投产的化学电源是锌锰电目前，广泛使用或已投产的化学电源是锌锰电池、铅酸蓄电池、锂电池、锂离子电池、镉镍电池池、铅酸蓄电池、锂电池、锂离子电池、镉镍电池、镍氢电池、锌银电池、碱性锌锰电池、空气湿电、镍氢电池、
5、锌银电池、碱性锌锰电池、空气湿电池、镁氯化银贮备电池等。池、镁氯化银贮备电池等。（2）化学电源的研制发展方向）化学电源的研制发展方向1、车辆动力电池及储备电池车辆动力电池及储备电池：高比能量和长寿命；：高比能量和长寿命；2、燃料电池燃料电池：高能量转换率，无污染、低成本；：高能量转换率，无污染、低成本；3、军用电池军用电池：核武器、导弹、炮弹、坦克、鱼雷；：核武器、导弹、炮弹、坦克、鱼雷；4、用作空间探索和海洋开发的辅助电源用作空间探索和海洋开发的辅助电源：例如空气飞：例如空气飞行器的启动、回收，海洋探测器的照明等；行器的启动、回收，海洋探测器的照明等；5、小型及微型电池小型及微型电池：集成电
6、路，携带式小型化仪器；：集成电路，携带式小型化仪器；近年来人体植入电池引人关注。近年来人体植入电池引人关注。（3）化学电源（简称电池）的基本组成）化学电源（简称电池）的基本组成1、正极和负极、正极和负极：由活性物质和导电材料以及添加剂等：由活性物质和导电材料以及添加剂等组成，其主要作用是参与电极反应和导电，决定电组成，其主要作用是参与电极反应和导电，决定电池的电性能。池的电性能。原则上正极和负极的电位相差越大越好，参加原则上正极和负极的电位相差越大越好，参加反应的物质的电化当量越小越好，（用很少的活性反应的物质的电化当量越小越好，（用很少的活性物质可得到更多的电量）。除考虑电极电位和电化物质可
7、得到更多的电量）。除考虑电极电位和电化当量外，当量外，还要考虑活性物质的稳定性及材料来源还要考虑活性物质的稳定性及材料来源。2、电解质、电解质：保证正负极之间离子导电作用，有的参：保证正负极之间离子导电作用，有的参与成流反应或二次反应，有的只起导电作用。与成流反应或二次反应，有的只起导电作用。电解质通常是水溶液，也有用有机溶剂、熔融电解质通常是水溶液，也有用有机溶剂、熔融盐和固体电解质。盐和固体电解质。要求电解质的化学性质稳定和电要求电解质的化学性质稳定和电导率高。导率高。3、隔膜隔膜：又叫：又叫隔离物隔离物，防止正、负极短路，但允许离，防止正、负极短路，但允许离子顺利通过。例如，石棉纸、微孔
8、橡胶、微孔塑料子顺利通过。例如，石棉纸、微孔橡胶、微孔塑料、尼龙、玻璃纤维。、尼龙、玻璃纤维。4、外壳外壳：起保护作用。除干电池由锌极兼做容器外，：起保护作用。除干电池由锌极兼做容器外，其他均不用活性物质做容器。其他均不用活性物质做容器。要求外壳具有良好的要求外壳具有良好的机械强度、耐腐蚀、耐振动、抗冲击强度机械强度、耐腐蚀、耐振动、抗冲击强度。实用的电池对电性能、贮存性能、机械性能、实用的电池对电性能、贮存性能、机械性能、密封性能、几何形状、工作条件、经济性等多方面密封性能、几何形状、工作条件、经济性等多方面都有一定的要求。而首要的是具有良好的电性能和都有一定的要求。而首要的是具有良好的电性
9、能和贮存性能。下面介绍主要的电性能和贮存性能。贮存性能。下面介绍主要的电性能和贮存性能。7.1.2 化学电源的基本性能指标化学电源的基本性能指标（1 1）开路电压和工作电压：开路电压和工作电压：没有通电时电池的电压称为没有通电时电池的电压称为开路电压开路电压，等于两电，等于两电极之间的电位差。开路电压取决于正负极材料的本性极之间的电位差。开路电压取决于正负极材料的本性、电解质和温度。电池的、电解质和温度。电池的额定电压额定电压或或标称电压标称电压是指开是指开路电压的最低值。路电压的最低值。工作电压工作电压又称又称闭路电压闭路电压，是指电池接通负荷时的，是指电池接通负荷时的电压。欧姆电阻和过电位
10、的存在使得工作电压低于开电压。欧姆电阻和过电位的存在使得工作电压低于开路电压。工作电压的数值及稳定度依赖于放电条件。路电压。工作电压的数值及稳定度依赖于放电条件。（2）内阻内阻：包括：包括欧姆内阻欧姆内阻R和和极化电阻极化电阻Rr,前者由电前者由电解质、电极材料、隔膜的电阻及各部分零件的接触解质、电极材料、隔膜的电阻及各部分零件的接触电阻组成，后者由极化引起。电阻组成，后者由极化引起。为了减少极化，可提高电极的活性和增大电为了减少极化，可提高电极的活性和增大电极的面积，例如，采用多孔电极。极的面积，例如，采用多孔电极。内阻和开路电压内阻和开路电压E开开、工作电压、工作电压E的关系为：的关系为：
11、E=E开开-I(R+Rr)（3）放电曲线放电曲线：即电池的工作电压随时间变化的曲线。：即电池的工作电压随时间变化的曲线。评价电池的性能常采用放电曲线，放电曲线越平坦性能评价电池的性能常采用放电曲线，放电曲线越平坦性能越好。电压下降到不宜继续放电的最低工作电压称为越好。电压下降到不宜继续放电的最低工作电压称为终终止电压止电压，例如锌锰干电池的终止电压为，例如锌锰干电池的终止电压为0.9 V。放电方。放电方法主要有法主要有恒流放电恒流放电和和恒阻放电恒阻放电两种，还分为两种，还分为连续放电连续放电和和间歇放电间歇放电。（4）放电速率放电速率：一般以：一般以小时率小时率和和倍率倍率来表示，小时率是来
12、表示，小时率是以一定放电电流放完额定容量所需要的小时数，而倍率以一定放电电流放完额定容量所需要的小时数，而倍率是指在规定时间内放完全部额定容量需要的电流值。是指在规定时间内放完全部额定容量需要的电流值。几种一次电池在几种一次电池在250 mA电流下的放电曲线电流下的放电曲线 锌锰电池不同条件下的放电曲线：锌锰电池不同条件下的放电曲线：（a）连续放电；（）连续放电；（b）每日）每日2次，每次次，每次30 min。（5）容量与比容量容量与比容量：在：在一定放电条件下一定放电条件下可从电池获得可从电池获得的电量，称为的电量，称为容量容量，以，以Q表示，单位为表示，单位为Ah或或mAh。Q理理=nFw
13、/M(C，库仑库仑)=26.8nw/M(A.h，安时安时)额定容量额定容量：全新的一次电池或刚完全充电的二次电：全新的一次电池或刚完全充电的二次电池，以规定的池，以规定的温度和放电率温度和放电率放电到放电到一定终止电压一定终止电压的的容量称为额定容量，常用容量称为额定容量，常用C来表示。来表示。比容量比容量：电池单位重量或单位体积所输出的能量，：电池单位重量或单位体积所输出的能量，Ah/kg,Ah/LtIdtQ0（6）能量与比能量能量与比能量：在一定条件下电池输出的能量：在一定条件下电池输出的能量（电能）单位（电能）单位Wh。比能量比能量为单位重量或单位体积为单位重量或单位体积电池对外输出的能
14、量，又叫电池对外输出的能量，又叫能量密度能量密度，单位，单位Wh/Kg和和Wh/L。W=EIt=EQ（7）比功率比功率：单位时间电池的比能量，单位：单位时间电池的比能量，单位W/Kg和和W/L。比功率与内阻有关。比功率与内阻有关。P=EI E=E开开-I(R+Rr)P=IE开开-I2(R+Rr)（8）贮存性能贮存性能：主要针对一次电池，是指电池贮存期：主要针对一次电池，是指电池贮存期间容量的下降率。间容量的下降率。Qa：电池放置前的容量；电池放置前的容量；Qb：电池放置后的容量；电池放置后的容量；T：放置时间。放置时间。电池容量下降到某一规定容量所经过的时间，称为电池容量下降到某一规定容量所经
15、过的时间，称为搁置寿命搁置寿命或或贮存寿命贮存寿命。放置期间电池容量下降是由于两个电极的放置期间电池容量下降是由于两个电极的自放电自放电引引起的。起的。%100TQQQaba（9）循环寿命循环寿命：蓄电池充电和放电一次称为一个周蓄电池充电和放电一次称为一个周期或循环。电池容量降到某一规定值之前，能反复期或循环。电池容量降到某一规定值之前，能反复充、放电的次数称为循环寿命。充、放电的次数称为循环寿命。蓄电池的循环寿命除取决于电池的本性外，还蓄电池的循环寿命除取决于电池的本性外，还与使用和维护是否恰当有关。与使用和维护是否恰当有关。为了确保不同厂家的电池产品在电器上与物理为了确保不同厂家的电池产品
16、在电器上与物理上的可互换性，以及确定质量标准，有必要定出一上的可互换性，以及确定质量标准，有必要定出一套有关电池的标准。国际电工委员会制定的原电池套有关电池的标准。国际电工委员会制定的原电池的的IEC标准已为许多国家所采用。标准已为许多国家所采用。我国推行我国推行IEC标准。用字母标准。用字母R、S、F分别表示为分别表示为圆形、方形、扁平形电池，迭层电池也用圆形、方形、扁平形电池，迭层电池也用F表示，字表示，字母后跟着的数字表示电池的大小。例如母后跟着的数字表示电池的大小。例如R20（即（即1号号电池）。电池）。7.1.3 电池的命名与型号电池的命名与型号 根据我国颁布标准，铅酸蓄电池的产品型
17、号分三根据我国颁布标准，铅酸蓄电池的产品型号分三段：段：1、串联单个电池数；串联单个电池数；2、电池的类型和特征；电池的类型和特征；3、额定容量。额定容量。电池类型根据其主要用途划分，主要代号如下：电池类型根据其主要用途划分，主要代号如下：Q-启动用；启动用；G-固定用；固定用；D-蓄电池车用；蓄电池车用；N-内燃机车用；内燃机车用；T-铁路客用；铁路客用；M-摩托车用。摩托车用。电池特征代号为：电池特征代号为：A-干荷电式；干荷电式；F-防酸式；防酸式；M-密闭式。密闭式。例如例如6-QA-20：6个单体电池；启动用，装有干式荷个单体电池；启动用，装有干式荷电极板；电极板；20小时额定容量为
18、小时额定容量为120 Ah。7.2.1 锌锰电池锌锰电池7.2.2 碱性锌锰电池碱性锌锰电池7.2 一次电池一次电池原电池生产主要有几个系列原电池生产主要有几个系列:普通锌锰；普通锌锰；碱性锌锰；碱性锌锰；锌汞；（汞有毒）锌汞；（汞有毒）锌空气；锌空气；镁锰；（用于军事）镁锰；（用于军事）锌银；（消耗银）锌银；（消耗银）锂电池（不是锂离子电池）锂电池（不是锂离子电池）一次电池的种类及结构一次电池的种类及结构电池电池种类种类负极活性负极活性物质物质电解质电解质正极活性正极活性物质物质电压电压锰干电池锰干电池ZnNH4Cl+ZnCl2MnO21.5碱性锰干碱性锰干电池电池ZnKOH/NaOHMnO
19、21.5镍镍-锌电池锌电池ZnKOH/NaOHNiOOH1.6氧化银电氧化银电池池ZnKOH/NaOHAg2O1.5空气电池空气电池ZnKOH/NaOHNH4Cl+ZnCl2O21.3-1.4锂电池锂电池LiLi盐盐+非水溶非水溶液液MnO2/(CF)n3.0 糊式电池：糊式电池：以锌筒为负极，天然以锌筒为负极，天然MnO2和活性炭粉混和活性炭粉混合物作正极，用合物作正极，用NH4Cl（20%）、）、ZnCl2（20%）水水溶液作电解液，加淀粉糊使电解液凝固而不流动。这溶液作电解液，加淀粉糊使电解液凝固而不流动。这是第一代锌锰干电池。是第一代锌锰干电池。纸板电池或氯化锌电池：纸板电池或氯化锌电
20、池：改用人工精制的化学改用人工精制的化学MnO2或电解或电解MnO2，用浆层纸（厚用浆层纸（厚0.1 0.2 mm的牛皮纸上的牛皮纸上涂以合成糊等物质涂以合成糊等物质）夹在正负极之间代替了淀粉糊，）夹在正负极之间代替了淀粉糊，并且以氯化锌为主要成分。并且以氯化锌为主要成分。7.2.1 锌锰电池锌锰电池(-)Zn|ZnCl2 10%,NH4Cl 20%(糊状糊状)|MnO2|C(+)负极：负极：Zn(s)=Zn2+(aq)+2e正极：正极：2 MnO2(s)+2NH4+(aq)+2e=Mn2O3(s)+2NH3(aq)+H2O电池反应：电池反应：2 MnO2(s)+2NH4+(aq)+Zn(s)
21、=Zn2+(aq)+Mn2O3(s)+2NH3(aq)+H2O 糊式电池糊式电池开路电位开路电位1.5 V，放电电压稳定；，放电电压稳定；低温性能差，防漏性低温性能差，防漏性欠佳（欠佳（NH4+H2O）；NH3被石墨吸附，被石墨吸附，引起极化，导致电池引起极化，导致电池电位降低。电位降低。(-)Zn|ZnCl2(aq,20%35%)|MnO2|C(+)负极：负极：4Zn(s)+ZnCl2(aq)+8OH-(aq)=ZnCl2.4Zn(OH)2+8e正极：正极：8MnO2(s)+8H2O(aq)+8e=8MnOOH+8OH-(aq)电池反应：电池反应：8 MnO2(s)+ZnCl2(aq)+4Z
22、n+8H2O=ZnCl2.4Zn(OH)2+8MnOOH ZnCl2.4ZnO.5H2 O 氯化锌作电解液电池的锌锰电池氯化锌作电解液电池的锌锰电池开路电位开路电位1.5 V，放，放电电压稳定；水作为反应物被消耗，并转化为结晶水电电压稳定；水作为反应物被消耗，并转化为结晶水，因此，大大地提高了电池的防漏性能。这是目前使，因此，大大地提高了电池的防漏性能。这是目前使用最普遍的干电池。用最普遍的干电池。纸板式锌锰电池的结构特点纸板式锌锰电池的结构特点 电解液电解液：20%35%ZnCl2，添加添加NH4Cl以减少极化以减少极化。此外，还添加缓蚀剂，以抑制锌的腐蚀。以往用。此外，还添加缓蚀剂，以抑制
23、锌的腐蚀。以往用面粉或玉米淀粉作糊层或浆层纸的浆料，现已使用面粉或玉米淀粉作糊层或浆层纸的浆料，现已使用变性淀粉改善防漏性能，提高放电性能。变性淀粉改善防漏性能，提高放电性能。负极负极：锌含有少量铅（：锌含有少量铅（0.3%0.5%）和镉（）和镉（0.2%0.3%），前者改善其延展性，后者可提高其强度，），前者改善其延展性，后者可提高其强度，并可提高锌电极上的氢过电位。为减少锌的腐蚀，并可提高锌电极上的氢过电位。为减少锌的腐蚀，常使锌表面汞齐化，并严格控制镍、铁、铜等杂质常使锌表面汞齐化，并严格控制镍、铁、铜等杂质的含量。的含量。正极集流体正极集流体：碳棒，由石墨和沥青（酚醛树脂）制成。：碳棒
24、，由石墨和沥青（酚醛树脂）制成。为防止碳棒孔滤过多，要把碳棒在真空中浸蜡碳棒的电为防止碳棒孔滤过多，要把碳棒在真空中浸蜡碳棒的电阻一般在阻一般在3 5 m之间。之间。密封剂密封剂：目前所用密封剂主要是沥青，加入少量石蜡与：目前所用密封剂主要是沥青，加入少量石蜡与树脂，也有塑料封口的。必须保证树脂，也有塑料封口的。必须保证60 70 oC下保持不变下保持不变形，而且有良好的气密性。形，而且有良好的气密性。外壳外壳：纸壳、金属壳、塑料三种，但只有生产廉价电池：纸壳、金属壳、塑料三种，但只有生产廉价电池才用纸壳。才用纸壳。结构形式结构形式：常用的锌锰干电池有圆筒式和迭层式两种。：常用的锌锰干电池有圆
25、筒式和迭层式两种。圆筒式锌锰电池的结构圆筒式锌锰电池的结构1-铜帽；铜帽；2-垫圈；垫圈；3-碳棒；碳棒；4-锌筒；锌筒；5-电解液淀粉；电解液淀粉；6-垫片；垫片；7-正极碳包；正极碳包；8-绵绵纸；纸；9-硬壳纸；硬壳纸；10-空气室空气室；11-封口剂；封口剂；12-胶纸盖。胶纸盖。迭层式锌锰电池的迭层式锌锰电池的结构结构1-炭饼；炭饼；2-浆纸层；浆纸层；3-锌片；锌片；4-导电膜；导电膜；5-塑料套；塑料套；6-导线。导线。v干电池在高温及潮湿环境下贮存，自放电较为严重干电池在高温及潮湿环境下贮存，自放电较为严重，主要是负极锌腐蚀引起。，主要是负极锌腐蚀引起。v在低温下贮存自放电较小
26、，但如果密封不好使氧气在低温下贮存自放电较小，但如果密封不好使氧气进入电池，则自放电加剧。进入电池，则自放电加剧。v因自放电而产生的氢气积累到一定程度会发生气胀因自放电而产生的氢气积累到一定程度会发生气胀或漏液，这是应该防止的。或漏液，这是应该防止的。碱性锌锰电池与锌锰干电池相比，放电性能和贮碱性锌锰电池与锌锰干电池相比，放电性能和贮存性能都更好。比能量高于锌锰干电池，价格虽然较存性能都更好。比能量高于锌锰干电池，价格虽然较贵，但可较好地满足使用要求。因此贵，但可较好地满足使用要求。因此20世纪世纪60年代以年代以来得到迅速发展，而且已大量生产。来得到迅速发展，而且已大量生产。碱性锌锰电池所使
27、用电极活性物质与普通锌锰干碱性锌锰电池所使用电极活性物质与普通锌锰干电池相同，但其电解液则是电池相同，但其电解液则是KOH溶液。溶液。KOH液较之液较之NH4Cl、ZnCl2液有强得多的导电能力，反应机理也液有强得多的导电能力，反应机理也与干电池不同。与干电池不同。7.2.2 碱性锌锰电池碱性锌锰电池(-)Zn|KOH（aq)|MnO2|C(+)负极：负极：Zn(s)+2OH-(aq)=ZnO(s)+H2O+2e正极：正极：MnO2(s)+2H2O(aq)+2e=Mn(OH)2+2OH-(aq)电池反应：电池反应：MnO2(s)+Zn(s)+H2O=ZnO +Mn(OH)2 由于锌箔在碱液中极
28、易钝化，故不能像干电池那样采由于锌箔在碱液中极易钝化，故不能像干电池那样采用锌筒作负极。锌粉有足够大的表面积，在碱液中也用锌筒作负极。锌粉有足够大的表面积，在碱液中也不易钝化，是碱锰电池负极较为合适的材料。负极这不易钝化，是碱锰电池负极较为合适的材料。负极这一差别使碱锰电池的结构与干电池大不相同。一差别使碱锰电池的结构与干电池大不相同。圆筒形碱锰电池圆筒形碱锰电池的结构的结构R20型锌锰电池外接型锌锰电池外接2.25 电阻电阻时时的放电曲线。的放电曲线。碱锰电池的开路电压约为碱锰电池的开路电压约为1.52，工作电压约为，工作电压约为1.25 V。电池内阻小，在快速放电时能提供足够的容量，而电池
29、内阻小，在快速放电时能提供足够的容量，而且在低温（且在低温（-21 C）下，其放电容量相当于干电池）下，其放电容量相当于干电池室温下的容量。室温下的容量。放电曲线相当平坦，放电到终止电压（放电曲线相当平坦，放电到终止电压（0.9 V）时，）时，放电量明显高于其他锌锰电池。放电量明显高于其他锌锰电池。贮存性能相当好，贮存性能相当好，20 C时自放电率低于时自放电率低于0.8%，一，一年后还能保持年后还能保持90%以上的容量，甚至以上的容量，甚至4年后仍有年后仍有80%的容量。的容量。7.3.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池7.3.2 镉镍电池镉镍电池7.3.3 镍氢电池镍氢电池7.3.4 锂电池与锂离子
30、电池锂电池与锂离子电池7.3 二次电池二次电池二次电池综述二次电池综述 二次电池放电后，可以反向充电，使活性物质再生二次电池放电后，可以反向充电，使活性物质再生，恢复到放电前的状态，故可以重复使用，所以它是，恢复到放电前的状态，故可以重复使用，所以它是一种一种电能储存器电能储存器。日常生活中常见的二次电池：日常生活中常见的二次电池：铅蓄电池；镍镉二次电池；镍氢二次电池；锂离子铅蓄电池；镍镉二次电池；镍氢二次电池；锂离子二次电池；导电聚合物二次电池等二次电池；导电聚合物二次电池等（如聚乙炔（如聚乙炔/Li电池，输出功率是铅酸电池的电池，输出功率是铅酸电池的30倍，倍，无酸雾和氢气，既安全又易操作
31、）。无酸雾和氢气，既安全又易操作）。铅蓄电池（铅蓄电池（1859年问世）是工业用蓄电池的一年问世）是工业用蓄电池的一种，已有种，已有152年的历史。由于它的原材料来源丰富，年的历史。由于它的原材料来源丰富，价格低廉，可循环使用，被作为各种仪器设备及计价格低廉，可循环使用，被作为各种仪器设备及计算机等的电源；还可作为开关电源、储能电源、启算机等的电源；还可作为开关电源、储能电源、启动电源、照明电源以及应急电源等，应用于各种不动电源、照明电源以及应急电源等，应用于各种不同的环境和领域。应用十分广泛，而且用量巨大。同的环境和领域。应用十分广泛，而且用量巨大。7.3.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池 人们常常
32、把铅酸蓄电池看成一种落后、没有发展人们常常把铅酸蓄电池看成一种落后、没有发展前途的技术。事实上，铅酸蓄电池的产品技术和制造前途的技术。事实上，铅酸蓄电池的产品技术和制造技术都取得了巨大的进步，铅酸蓄电池比以前更可靠技术都取得了巨大的进步，铅酸蓄电池比以前更可靠、更便宜、更便宜而且不需要维护而且不需要维护。由于环境保护的要求，提高了铅的回收率。蓄电由于环境保护的要求，提高了铅的回收率。蓄电池可得到有效的回收，而且不会散逸到环境中。工厂池可得到有效的回收，而且不会散逸到环境中。工厂的有害物质的散逸已得到了完全的控制，工人的健康的有害物质的散逸已得到了完全的控制，工人的健康也得到严格措施的保护。也得
33、到严格措施的保护。铅酸蓄电池在未来还是有相当的发展前途的。铅酸蓄电池在未来还是有相当的发展前途的。铅酸蓄电池铅酸蓄电池结构结构 铅酸蓄电池一般由正极板组、负极板组、隔板、铅酸蓄电池一般由正极板组、负极板组、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成。电池槽、电解液和接线端子等部分组成。正极板由板栅和活性物质二氧化铅板正极板由板栅和活性物质二氧化铅板(PbO2)构成构成，负极板由板栅和活性物质铅，负极板由板栅和活性物质铅(Pb)构成。板栅一般使构成。板栅一般使用铅锑合金，有时也用纯铅或铅钙合金。用铅锑合金，有时也用纯铅或铅钙合金。汽车用铅酸蓄电池汽车用铅酸蓄电池铅酸蓄电池原理铅酸蓄电池原理 蓄电池
34、的原理是通过将化学能和直流电能相互转蓄电池的原理是通过将化学能和直流电能相互转化，在放电后经充电后能复原，从而达到重复使用效化，在放电后经充电后能复原，从而达到重复使用效果。铅蓄电池的电压为果。铅蓄电池的电压为2的倍数的倍数 铅酸电池（硫酸电解液型）的两极反应如下铅酸电池（硫酸电解液型）的两极反应如下：ePbPb22放电充电阴极（负极）阴极（负极）4242PbSOSOPb放电充电阳极（正极）阳极（正极）OHPbeHPbO22224放电充电4242PbSOSOPb放电充电总反应总反应OHPbSOSOHPbOPb24422222放电充电铅酸电池的自放电反应：铅酸电池的自放电反应：负极自放电反应：负
35、极自放电反应：Pb(s)+HSO4-(aq)=PbSO4(s)+H+2e2H+2e=H2正极自放电反应：正极自放电反应：2H2O=O2+4H+4ePbO2(s)+HSO4-(aq)+3H+2e=PbSO4(s)+2H2O铅酸蓄电池的优点铅酸蓄电池的优点 据统计，目前世界电池产品中，近一半是据统计，目前世界电池产品中，近一半是铅酸蓄电池。由于它具有铅酸蓄电池。由于它具有较高的工作电压、较较高的工作电压、较好的大电流和高低温放电性能，而且适合于循好的大电流和高低温放电性能，而且适合于循环使用，环使用，因此被广泛地用于备用电源、能量储因此被广泛地用于备用电源、能量储备和动力电源等领域。备和动力电源等
36、领域。缺点缺点 铅酸电池的致命弱点是，电极上的活性物铅酸电池的致命弱点是，电极上的活性物质质PbSO4会逐渐污染极板，使之不能发生正会逐渐污染极板，使之不能发生正常的化学反应，导致蓄电池无法再次充电而常的化学反应，导致蓄电池无法再次充电而报废，缩短了铅酸蓄电池的使用寿命。报废，缩短了铅酸蓄电池的使用寿命。铅酸电池充电时变成铅酸电池充电时变成 PbSO4 的阴阳两极的海绵的阴阳两极的海绵状状 Pb把固定在其中的把固定在其中的 H2SO4 成分释放到电解液中，成分释放到电解液中，分别变成海绵状分别变成海绵状 Pb 和和 PbO2，电解液中的，电解液中的 H2SO4浓浓度不断变大；反之放电时阳极板上
37、的度不断变大；反之放电时阳极板上的 PbO2 和阴极和阴极板上的海绵状板上的海绵状 Pb 与电解液中的与电解液中的 H2SO4 发生反应变发生反应变成成 PbSO4，而电解液中的，而电解液中的 H2SO4浓度不断降低。浓度不断降低。问题产生的原因问题产生的原因 当铅酸电池充电不足时，阴阳两极板的当铅酸电池充电不足时，阴阳两极板的 PbSO4不能完全转化变成海绵状不能完全转化变成海绵状 Pb 和和 PbO2。如果长期充。如果长期充电不足，则会造成电不足，则会造成 PbSO4 结晶，使极板硫化，电池结晶，使极板硫化，电池性能严重下降；反之如果电池过度充电阳极产生性能严重下降；反之如果电池过度充电阳
38、极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增使得蓄电池内压增大，导致气体外溢。电解液减少，还可能导致活性大，导致气体外溢。电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。目前常用的铅酸电池的平均寿命目前常用的铅酸电池的平均寿命用途用途寿命寿命/年年电动车（电动车（12 V，17 Ah）出租车（出租车（12 V,50 60 Ah）私家车（私家车（12 V,35 55 Ah）铲车（铲车（48 V，250 540 Ah）大型工程机械（大型工程机械（48 V，250 540 Ah）11.2 1.53 43 45 8铅酸电池
39、污染的危害性铅酸电池污染的危害性 铅酸电池造成污染的主要物质铅酸电池造成污染的主要物质 PbO2、Pb、PbSO4、H2SO4。其中，。其中，Pb 造成的污染最为严重造成的污染最为严重。铅酸电池不仅在生产过程中产生铅酸电池不仅在生产过程中产生 Pb 蒸汽污染空气，蒸汽污染空气，而且在使用和回收处理过程中产生的废酸液和铅尘而且在使用和回收处理过程中产生的废酸液和铅尘将污染水体和土壤。将污染水体和土壤。电动自行车使用后产生的废旧铅酸电池一般含电动自行车使用后产生的废旧铅酸电池一般含有有20%25%的电解液其中含有的电解液其中含有15%25%的硫酸的硫酸以及悬浮的含铅化合物经过静置澄清的废电解液以及
40、悬浮的含铅化合物经过静置澄清的废电解液含含 Pb 的质量浓度达的质量浓度达7 10 g/L。据粗略统计，若废。据粗略统计，若废旧电池得不到妥善的处置每年约有旧电池得不到妥善的处置每年约有5万吨含铅废酸万吨含铅废酸溶液流入土壤和地下水中，对生态环境和人的健康溶液流入土壤和地下水中，对生态环境和人的健康所造成的危害是极其严重的所造成的危害是极其严重的。应对措施应对措施 设计与制造绿色的铅酸电池设计与制造绿色的铅酸电池 材料的选择：材料的选择：即少用有害的、难回收的材料，优先即少用有害的、难回收的材料，优先采用相容性好的、可再利用的绿色环保材料；采用相容性好的、可再利用的绿色环保材料；拆卸设计与制造
41、：拆卸设计与制造：一方面从产品或部件上有规律地一方面从产品或部件上有规律地拆下可用的零部件过程同时保证不因拆卸过程造拆下可用的零部件过程同时保证不因拆卸过程造成该零部件的损伤从而提高零件的重复回收利用成该零部件的损伤从而提高零件的重复回收利用率；另一方面在拆卸过程中不因零部件的损伤而导率；另一方面在拆卸过程中不因零部件的损伤而导致有害物质的外泄；致有害物质的外泄；回收设计与制造：回收设计与制造：即在产品设计与制造时充分考即在产品设计与制造时充分考虑产品零部件及材料的回收可能性、回收价值大小虑产品零部件及材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法以及与回收有关的系列问题。、回收处理方法以及与回
42、收有关的系列问题。v同时，应该建立废旧电动自行车用铅酸电池的回收同时，应该建立废旧电动自行车用铅酸电池的回收处理体系，控制其污染。处理体系，控制其污染。v发达和中等发达国家再生铅金属产量超过原生铅金发达和中等发达国家再生铅金属产量超过原生铅金属产量。再生铅产量占总产量的比值：美国在属产量。再生铅产量占总产量的比值：美国在70%以上，欧洲占以上，欧洲占78%，全球平均为，全球平均为50%。我国仅占。我国仅占25.30%，低于世界平均水平。我国的再生铅冶炼技，低于世界平均水平。我国的再生铅冶炼技术落后，回收工作不完善，造成废铅对环境的严重术落后，回收工作不完善，造成废铅对环境的严重污染。污染。铅酸
43、蓄电池尽管有其缺点与不足，但也有成熟、廉价、铅酸蓄电池尽管有其缺点与不足，但也有成熟、廉价、安全的优点。安全的优点。目前新型的铅酸电池，如阀控式铅酸蓄电池（目前新型的铅酸电池，如阀控式铅酸蓄电池（VRLA）、采用吸附式玻璃纤维棉作膈膜的采用吸附式玻璃纤维棉作膈膜的AGM-VRLA以及采用以及采用SiO2作凝固剂的作凝固剂的GEL-VRLA 已经广泛应用。已经广泛应用。未来应致力于设计出具有高比能量，高比功率，循环寿未来应致力于设计出具有高比能量，高比功率，循环寿命更长的超级铅酸电池，使其在大型纯电动车、增程式电动命更长的超级铅酸电池，使其在大型纯电动车、增程式电动车、混合电动车、短程车等方面的
44、应用有更广阔的前景。车、混合电动车、短程车等方面的应用有更广阔的前景。镍镉电池（镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cadmiun Batteries,Ni-Cd Rechargeable Battery）是最早应）是最早应用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类，它具用于手机、笔记本电脑等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单。维护简单。7.3.2 镍镉电池镍镉电池 位于负极的镉位于负极的镉(Cd)和氢氧化钾和氢氧化钾(KOH)中的氢氧根中的氢氧根离子离子(OH-)化合成氢氧化镉，并附着在阳极上，同时放化合成氢氧化镉，并附
45、着在阳极上，同时放出电子。电子沿着电线至阴极，和阴极的二氧化镍与出电子。电子沿着电线至阴极，和阴极的二氧化镍与氢氧化钠溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子氢氧化钠溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子，氢氧化镍会附着在阴极上，氢氧根离子则又回到氢，氢氧化镍会附着在阴极上，氢氧根离子则又回到氢氧化钠溶液中，故氢氧化钠溶液浓度不会随着时间而氧化钠溶液中，故氢氧化钠溶液浓度不会随着时间而下降。电解液是比重为下降。电解液是比重为1.16 1.19的的KOH 溶液。溶液。电池原理电池原理放电反应式：放电反应式：负极反应：负极反应：Cd+2OH-Cd(OH)2+2e-正极反应：正极反应：2NiOOH+2
46、H2O+2e-2Ni(OH)2+2OH-总反应：总反应：Cd+2NiOOH+2H2O Cd(OH)2+2Ni(OH)2充电反应式：充电反应式：阳极反应：阳极反应：2Ni(OH)2+2OH-2NiOOH+2H2O+2e-阴极反应：阴极反应：Cd(OH)2+2e-Cd+2OH-总反应：总反应：Cd(OH)2+2Ni(OH)2 Cd+2NiOOH+2H2O电池结构电池结构正极板上的活性物质由羟基氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参正极板上的活性物质由羟基氧化镍粉和石墨粉组成，石墨不参加化学反应，其主要作用是增强导电性。加化学反应，其主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉、海绵镉、氢氧化镉和氧化铁
47、粉负极板上的活性物质由氧化镉、海绵镉、氢氧化镉和氧化铁粉组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结组成，氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。块，并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负活性物质分别包在穿孔钢带中，加压成型后即成为电池的正负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或有孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。优点：优点：循环寿命长，一般寿命为循环寿命长，一般寿命为500 1000次，有的甚至次，有的甚至达到达到2000
48、次以上；次以上；自放电较小，镉的析氢过电位较高，在碱性溶液自放电较小，镉的析氢过电位较高，在碱性溶液中不发生自溶解，因此自放电率较小；中不发生自溶解，因此自放电率较小；性能稳定，并可以大电流放电；性能稳定，并可以大电流放电；使用温度范围宽，可在使用温度范围宽，可在-40 C 40 C范围内使用；范围内使用；良好的力学性能，牢固、耐冲击和振动；良好的力学性能，牢固、耐冲击和振动；结构紧凑等。结构紧凑等。缺点：缺点：活性物质利用率低；活性物质利用率低；电压低，开路电压为电压低，开路电压为1.38 V，工作电压为工作电压为1.25 V左左右，充电到右，充电到1.40 1.45 V截止。截止。电流效率
49、和能量效率低；电流效率和能量效率低；价格较高；价格较高；存在二次污染。存在二次污染。特别注意：特别注意：1、镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当、镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的，会出现严重的“记忆效应记忆效应”，使得服务寿命大大缩短。，使得服务寿命大大缩短。所谓所谓“记忆效应记忆效应”：就是电池在充电前，电池的电量没有：就是电池在充电前，电池的电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低，在电池充放被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低，在电池充放电的过程中（放电较为明显），会在电池极板上产生些许的小电的过程中（放电较为明显），会在电池
50、极板上产生些许的小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。电池的容量。2、镉是有毒的，镍镉电池不利于生态环境的保护。为此，镍、镉是有毒的，镍镉电池不利于生态环境的保护。为此，镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。7.3.3 镍氢电池镍氢电池金属氢化物镍电池金属氢化物镍电池(简称简称MHNi电池电池)系二十世纪系二十世纪八十年代末快速发展起来的高新技术产品，是一种很八十年代末快速发展起来的高新技术产品，是一种很有发展潜力的化学电源系列。镍氢电池（有发展潜力的化学电源
