§4 化学电源

化学电源性能指标1. 电动势与开路电压；

2. 工作电压与电池内阻；

3. 电池容量与放电深度；

4. 比能量与比功率；

5. 电池寿命；

6. 过充电性能。

（ 3 ）燃料电池 又称为连续电池，一般以天然燃料或其它可燃物质如氢气、甲醇、天然气、煤气等作为负极的反应物质，以氧气作为正极反应物质组成燃料电池。

化学电源分类

（ 2 ）二次化学电源 二次电池在放电后经充电可使电池中的活性物质恢复工作能力。铅蓄电池和可充电电池都是二次电池。

（ 1 ）一次化学电源 电池中的反应物质进行一次氧化还原反应并放电之后，就不能再次利用，如干电池。

化学电源正极：常选用金属氧化物负极：常选用较活泼金属

与活性物质一起构成电极的添加剂一般有：导电剂、粘结剂、缓蚀剂等。

电解液：高导电率，化学稳定性好、不易挥发、易于 长期贮存

隔膜：较高离子传输能力，较低电子导电能力，好的化学稳定性和一定的机械强度。

锌锰电池：

中性锌锰电池： 4 2 2) , (Zn NH Cl ZnCl MnO C

负极： 22Zn e Zn

正极： 2 22 2 2 2 2MnO H O e MnOOH OH

电池反应：

2 4 3 2 22 2 2 ( )Zn MnO NH Cl MnOOH Zn NH Cl

中性锌锰电池： 4 2 2) , (Zn NH Cl ZnCl MnO C

碱性锌锰电池： 2 4 2) ( [ ( ) ]) , (Zn KOH K Zn OH MnO C 浓

负极： 244 2 ( )Zn OH e Zn OH

正极：2 2

2 4

24 4

2

( )

( ) ( )

MnO H O e MnOOH OH

MnOOH H O OH Mn OH

Mn OH e Mn OH

电池反应：

222 2 4 4

2 4 ( ) ( )Zn MnO H O OH Mn OH Zn OH

由于阴极反应不全是固相反应，负极为阳极反应是可溶性的 Zn(OH)4

2- ，故内阻小，放电后电压恢复能力强。 碱性锌锰电池采用了高纯度、高活性的正、负极材料，以及离子导电性强的碱作为电解质，使电化学反应面积成倍增长。特点 : （ 1 ）开路电压为 1 ． 5V ；　　 （ 2 ）工作温度范围宽在－ 20℃～ 60℃之间，　　　　　适于高寒地区使用；　　 （ 3 ）大电流连续放电其容量是酸性锌锰电池 的 5 倍左右； （ 4 ）贮存寿命长。

碱性镍镉电池： ) (Cd KOH NiOOH

负极： 22 2 ( )Cd OH e Zn OH

正极： 2 2( )NiOOH H O e Ni OH OH

电池反应：

2 2 22 2 ( ) ( )Cd NiOOH H O Cd OH Ni OH

特点：自放电小，贮存寿命长，耐过充放电能力强。

镍氢电池： ) (xMH KOH NiOOH

负极：2xMH xOH xe M xH O

正极： 2 2( )NiOOH H O e Ni OH OH

电池反应： 2( )xMH xNiOOH M xNi OH

特点：比能量高，环保，无记忆效应，充放电循环寿命长，耐过充放电能力强

铅酸电池： 2 4 2) ( 1.20 1.31) (Pb H SO PbO

负极： 4 42Pb HSO e PbSO H

正极： 2 4 4 23 2 2PbO HSO H e PbSO H O

电池反应：2 2 4 4 22 2 2Pb PbO H SO PbSO H O

特点：价格低廉，电压高且稳定，电池容量大。

铅酸电池： 2 4 2) ( 1.20 1.31) (Pb H SO PbO

锂离子电池

20 世纪 60 年代开始研制锂电池1990 年日本 Sony 公司率先研制成功锂离子电池

结构：Li(C) │ 含锂盐的有机溶质│ 嵌 Li 的化合物

电池反应： (-) Li →Li+ + e-

(+) Li+ + e- →Li

嵌锂电极材料

正极材料： 层状 LiMO2 化合物： LiCoO2 , LiVO2 , LiNiO2, LiMnO2

尖晶石型 LiM2O4 化合物： LiCo2O4, LiV2O4, LiMn2O4, 。

负极材料：

碳材料

石墨天然或人工石墨

石墨化碳碳纤维介稳相球状碳

非石墨软碳（焦炭）

硬碳Polyacene线性石墨混合物

掺杂型碳

金属氧化物： SnO 、 WO2 、 MoO2 、 TiO2 、 VO2 、 LixFe2O3 、 Li4Ti5O12 等

燃料电池

能量利用率高，清洁环保

燃料电池基本原理

2 2 2

o

o

1H O H O(l)

2

(298K) -285.85 kJ/mol

(298K) -237.19 kJ/mol

m

m

H

G

3 2 2 2

o

o

3CH OH(l) O CO H O(l)

2

(298K) -719.23 kJ/mol

(298K) -698.56 kJ/mol

m

m

H

G

燃料电池是一种高效、无噪音、无污染、直接产生电力的能源，将来必将代替热机。 --Ostwald-- (1894)

热机的理论效率　　　～ 60% 实际效率 20% ～ 30%

燃料电池的理论效率 ＞ 80% 实际效率 ＞ 60%