1、應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電池基礎知識化學電池基礎知識鋅鋅- -錳干電池錳干電池鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池堿性蓄電池堿性蓄電池鋰離子電池鋰離子電池燃料電池燃料電池主要內容：第三講第三講 化學電池與電源化學電池與電源應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 伏打電池的出現使人們第一次獲得了比較強的穩伏打電池的出現使人們第一次獲得了比較強的穩定而持續的電流，為科學家們從對定而持續的電流，為科學家們從對靜電靜電的研究轉的研究轉入對入對動電動電的研究創造了物質條件，導致了的研究創造了物質條件，導致了電化學、電化學、電磁

2、聯系電磁聯系等一系列重大的科學發現。等一系列重大的科學發現。 由于它的誕生，世紀的第一年成了電氣文明由于它的誕生，世紀的第一年成了電氣文明時代生活的開端。時代生活的開端。 第一部分第一部分 化學電源基礎化學電源基礎應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 1936年年Konig在巴格在巴格達附近考古時發掘達附近考古時發掘到一個大約到一個大約二千年二千年以前以前的由的由Fe和和Cu組組成的類似裝置成的類似裝置(圖圖1-3).所以也有人認為所以也有人認為這才是化學電源的這才是化學電源的最早發明。最早發明。圖圖1-3 巴格達電池巴格達電池應用電化學應用電化學上一內

3、容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回第一部分第一部分 化學電源基礎化學電源基礎化化學學電電池池按電池構造分按能量轉化方式分：原電池與電解池按能量轉化方式分：原電池與電解池 雙液電池：兩個電極插在不同的電解質溶液中，雙液電池：兩個電極插在不同的電解質溶液中， 兩種電解質溶液可用膜或素燒瓷杯分兩種電解質溶液可用膜或素燒瓷杯分 開，也可以分盛在兩容器中用鹽橋相聯開，也可以分盛在兩容器中用鹽橋相聯. .按電池電動勢產生原因分：按電池電動勢產生原因分： 化學電池化學電池( (狹義狹義) )和濃差電池和濃差電池應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電

4、池的基本術語和表示方法化學電池的基本術語和表示方法 電極系統電極系統：如果系統由兩個相組成，一個相是電子如果系統由兩個相組成，一個相是電子導體導體(叫電子導體相叫電子導體相)，另一個相是離子導體，另一個相是離子導體(叫離子叫離子導體相導體相)，且通過它們，且通過它們互相接觸的界面上有電荷在這互相接觸的界面上有電荷在這兩個相之間轉移兩個相之間轉移，這個系統就叫電極系統，這個系統就叫電極系統(圖圖1-5)。 將一塊金屬將一塊金屬(比如銅比如銅)浸在清除了氧的硫酸銅水溶液中，浸在清除了氧的硫酸銅水溶液中，就構成了一個電極系統。在兩相界面上就會發生下就構成了一個電極系統。在兩相界面上就會發生下述物質變

5、化：述物質變化：Cu(M)Cu2+(Sol)+2e-(M) 。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電池的基本術語和表示方法化學電池的基本術語和表示方法 半電池半電池：電池的一半，通常一個電極系統即構成：電池的一半，通常一個電極系統即構成一個半電池，連接兩個半電池構成電池。一個半電池，連接兩個半電池構成電池。 電對電對：在原電池的每一個電極中，一定包含一個：在原電池的每一個電極中，一定包含一個氧化態物質和一個還原態物質。氧化態物質和一個還原態物質。一個電極中的這一個電極中的這一對物質稱為一個氧化還原電對，簡稱電對一對物質稱為一個氧化還原電對，簡稱電對，

6、表，表示為：示為：氧化態氧化態/還原態還原態(如：如：Zn2+/Zn，Cu2+/Cu，Fe3+/Fe2+，I3-/I-，H+/H2，S2O82-/SO42-等等電對符號電對符號)。注意：無論它作正極還是負極，都注意：無論它作正極還是負極，都表示為表示為“Ox/Re”。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電池的基本術語和表示方法化學電池的基本術語和表示方法 電極電極(electrode)：電對以及傳導電子的導體，其作用電對以及傳導電子的導體，其作用為傳遞電荷，提供氧化或還原反應的地點。電極符為傳遞電荷，提供氧化或還原反應的地點。電極符號為（電子導電材料

7、號為（電子導電材料/電解質），如：電解質），如：Zn|Zn2+，Cu|Cu2+，(Pt)H2|H+，(C)|Fe2+，Fe3+。 在電化學中，按照發生的電極反應分類：在物理學在電化學中，按照發生的電極反應分類：在物理學中，中，正負極由電位高低來確定正負極由電位高低來確定： 陽極陽極(anode)發生氧化作用的電極正極發生氧化作用的電極正極(positive electrode)電勢高的電極電勢高的電極 陰極陰極(cathode)發生還原作用的電極負極發生還原作用的電極負極(negative electrode)電勢低的電極電勢低的電極應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄

8、回主目錄返回返回化學電池的基本術語和表示方法化學電池的基本術語和表示方法 電極反應電極反應(reactions on the electrode)：在電極上進行在電極上進行的有電子得失的化學反應。的有電子得失的化學反應。 反應反應Cu(M)Cu2+(Sol)+2 e-(M) 就叫電極反應，就叫電極反應，也可以說是也可以說是在電極系統中伴隨著兩個非同類導體相在電極系統中伴隨著兩個非同類導體相(Cu和和CuSO4溶液溶液)之間的電荷轉移而在兩相界面上之間的電荷轉移而在兩相界面上發生的化學反應發生的化學反應。這時將。這時將Cu稱為銅電極。電極總稱為銅電極。電極總是要產生一定電勢的，稱為是要產生一定電

9、勢的，稱為“電極電勢電極電勢”。 電池反應電池反應(cell reaction)：兩個電極反應的總和。：兩個電極反應的總和。 氧化反應氧化反應 +)還原反應還原反應 電池反應電池反應。 圖1-5 電極系統應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電池的基本術語和表示方法化學電池的基本術語和表示方法 充電與放電充電與放電：在電解池的兩極反應中，在電解池的兩極反應中，氧化態物氧化態物質得到電子或還原態物質給出電子的過程都叫做質得到電子或還原態物質給出電子的過程都叫做充電充電。在。在原電池中則叫放電原電池中則叫放電（即使用電池的過（即使用電池的過程）。或者定義：

10、化學能轉化為電能程）。或者定義：化學能轉化為電能放電；放電；電能轉化為化學能電能轉化為化學能放電。放電。 在電化學中，電極系統和電極反應這兩個術語的在電化學中，電極系統和電極反應這兩個術語的意義是很明確的，但意義是很明確的，但電極這個概念的含義卻并不電極這個概念的含義卻并不很肯定很肯定，有時僅指組成電極系統的電子導體相或，有時僅指組成電極系統的電子導體相或電子導體材料，有時指的是某一特定的電極系統電子導體材料，有時指的是某一特定的電極系統或相應的電極反應，而不是僅指電子導體材料。或相應的電極反應，而不是僅指電子導體材料。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返

11、回化學電池的基本術語和表示方法化學電池的基本術語和表示方法 在電極和電池的表示法中有如下規定：在電極和電池的表示法中有如下規定： (-)左，左，(+)右，電解質在中間；按實際順序，用化學式右，電解質在中間；按實際順序，用化學式從左至右依次排列出各相的組成及相態。若電解質溶液中從左至右依次排列出各相的組成及相態。若電解質溶液中有幾種不同的物質，則這些物質用有幾種不同的物質，則這些物質用“，”分開。分開。 電池表達式：電池表達式：(-) 電極電極a 溶液溶液(a1) 溶液溶液(a2) 電極電極b (+) 用實垂線用實垂線“”表示相與相之間的界面，用虛垂線表示相與相之間的界面，用虛垂線”表示可混液相

12、之間的接界，用表示可混液相之間的接界，用“”或或“”表示液體接表示液體接界電勢已用鹽橋等方法消除。界電勢已用鹽橋等方法消除。 注明物質的存在形態注明物質的存在形態(固態固態(s)，液態，液態(l)等等)、溫度與壓強、溫度與壓強(298.15K，p常可省略常可省略)、活度、活度(a)；若不寫明，則指；若不寫明，則指298.15K和和p。 氣體電極必須寫明載氣體電極必須寫明載(導導)體金屬體金屬(惰性惰性)，如，如 (-)Pt，H2(g，p) | HCl(m)| Cl2 (g，0.5p) ，Pt(+)應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電池的基本術語和表

13、示方法化學電池的基本術語和表示方法 下面以丹尼爾電池(圖1-6)為例，簡述電池的基電池的基本術語和表示方法本術語和表示方法：圖1-6 Zn-Cu原電池 Zn-Cu原電池 半電池 Zn-ZnSO4 Cu-CuSO4 電對 Zn2+/Zn Cu2+/Cu 電極反應 Zn=Zn2+2e Cu2+2e = Cu 氧化反應陽極 還原反應陰極 外電路 (-)電子多 (+)電子少電流方向電流方向 電子流向電子流向 應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回圖1-6 Zn-Cu原電池應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電池的基本術語

14、和表示方法化學電池的基本術語和表示方法 電池符號 (-)Zn | Zn2+(m1)| Cu2+(m2)|Cu(+) 原電池的電動勢 Emf= (+)- (-) (高) (低)。電池反應CuSO4 + Zn = Cu + ZnSO4 +2e-2e應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電池的基本術語和表示方法化學電池的基本術語和表示方法 電化學系統的工作原理電化學系統的工作原理溶液中的陽離子向負極遷移，從負極上取得電子而發生還原反應溶液中的陰離子向正極遷移，在正極上失去電子而發生氧化反應電 極 反電 極 反應應凡是進行氧化反應的電極稱為陽極電位低的電極稱為

15、負極凡是進行還原反應的電極稱為陰極電位高的電極稱為正極在電解池中正極為陽極，負極為陰極；在原電池中則相反- -陰陰極極+ +陽陽極極ee電解質溶液電解質溶液電源電源- -陰陰極極+ +陽陽極極ee陽極陽極正正極極陰極陰極負負極極電流應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回原電池和電解池的對比原電池原電池電解池電解池裝置圖裝置圖負負極極氧氧化化反反應應正正極極還還原原反反應應陽陽極極氧氧化化反反應應陰陰極極還還原原反反應應CuClCuCl2 2(aq)(aq)CuClCuCl2 2(aq)(aq)形成條件形成條件 活動性不同的兩種電極活動性不同的兩種電極 電解

16、質溶液電解質溶液 閉合回路閉合回路 兩極兩極( (可同可不同可同可不同) ) 電解質溶液電解質溶液 直流電源直流電源判斷依據判斷依據無外電源無外電源 有外電源有外電源電極名稱電極名稱負極負極電子流出的電極電子流出的電極正極正極電子流入的電子流入的電極電極陽極陽極與外電源正極與外電源正極相連相連陰極陰極與外電源負與外電源負極相連極相連應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回電極反應電極反應 失電子被氧化失電子被氧化 離子得電離子得電子被還子被還原原氧化反應氧化反應陽離子得陽離子得電子被電子被還原還原反應自發反應自發性性可自發進行可自發進行在外電壓作用下才能進在

17、外電壓作用下才能進行行電子流向電子流向 負極負極外電路外電路正極正極陽極陽極電源正極電源正極電源電源負極負極陰極陰極離子流向離子流向 陽離子陽離子正極，陰離子正極，陰離子負極負極 陽離子陽離子陰極，陰離子陰極，陰離子陽極陽極能量轉化能量轉化 化學能化學能電能電能電能電能化學能化學能相互聯系相互聯系 原電池可作電解池的電源原電池可作電解池的電源應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回表表1-5 1-5 熱化學反應和電化學反應的區別熱化學反應和電化學反應的區別熱化學反應熱化學反應電化學反應電化學反應反應質點必須接觸反應質點必須接觸反應質點彼此分開反應質點彼此分開

18、電子轉移路徑短，且電子無規電子轉移路徑短，且電子無規則運動則運動電子轉移路徑長，且是有序運電子轉移路徑長，且是有序運動動活化能來自于分子碰撞，反應活化能來自于分子碰撞，反應速率取決于溫度速率取決于溫度活化能來自于電能，反應速率活化能來自于電能，反應速率取決于電勢取決于電勢釋放能量的形式：熱釋放能量的形式：熱釋放能量的形式：電能釋放能量的形式：電能應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回圖1-8 電化學反應 圖1-9 熱化學反應應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 可逆電池可逆電池 在化學能和電能相互轉化時，始終處于熱在

19、化學能和電能相互轉化時，始終處于熱力學平衡狀態的電池稱為可逆電池力學平衡狀態的電池稱為可逆電池(reversible cell)。 可逆電池也可定義為：可逆電池也可定義為：充、放電時進行的充、放電時進行的任何反應與過程均為可逆的電池任何反應與過程均為可逆的電池。 可逆電池必須同時具備下列可逆電池必須同時具備下列3個條件，缺一個條件，缺一不可：不可：應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回1）電池反應可逆）電池反應可逆放電時發生的電池反應與充電時發生的電解反放電時發生的電池反應與充電時發生的電解反應正好互為逆反應應正好互為逆反應物質轉移可逆。物質轉移可逆。首先

20、，電極上的化學反應可向正、反兩個方向首先，電極上的化學反應可向正、反兩個方向進行。進行。其次，當外加電勢其次，當外加電勢E外外與電池電動勢與電池電動勢Emf方向相方向相反時，反時，EmfE外情況下放電時發生的原電池反外情況下放電時發生的原電池反應，與應，與EmfE外外情況下充電時發生的電解反應情況下充電時發生的電解反應互為逆反應。互為逆反應。即即充放電之后，參與電極反應的物質恢復原狀充放電之后，參與電極反應的物質恢復原狀。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (2) 能量轉變可逆能量轉變可逆 第二點要求電池在充放電過程中能量的轉第二點要求電池在充放電過程

21、中能量的轉變也是可逆的。即工作電流無限小變也是可逆的。即工作電流無限小(I0)，或充、放電的電勢差或充、放電的電勢差E=|Emf-E外外|0，即充、放電過程的即充、放電過程的Emf=E外外dE，電池在，電池在近平衡狀態下工作。若電池經歷充、放電近平衡狀態下工作。若電池經歷充、放電循環，則可以使系統和環境都恢復到原來循環，則可以使系統和環境都恢復到原來的狀態。的狀態。（3）電池中進行的其它過程也必須是可逆的電池中進行的其它過程也必須是可逆的應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回凡是不能滿足可逆電池條件的電池稱為凡是不能滿足可逆電池條件的電池稱為不可逆電池不可

22、逆電池(irreversible cell)。如圖。如圖2-1所示的電池，其電池反應不可逆，因此所示的電池，其電池反應不可逆，因此該電池不是可逆電池。該電池不是可逆電池。 放電：放電：Zn+2H+=Zn2+ H2(g) （2.2a）充電：充電：Cu+2H+=Cu2+ H2(g) (2.2b)使用鹽橋的雙液電池可近似認為是可逆使用鹽橋的雙液電池可近似認為是可逆電池，但電池，但并非是嚴格的熱力學可逆電池，并非是嚴格的熱力學可逆電池，因為鹽橋與電解質溶液界面存在因離子因為鹽橋與電解質溶液界面存在因離子擴散而引起的相間電勢差，而擴散是不擴散而引起的相間電勢差，而擴散是不可逆的可逆的。 應用電化學應用電

23、化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回例如例如Daniell(丹尼爾丹尼爾)電池電池(圖圖2-2)： -) Zn| ZnSO4(aq) CuSO4(aq) |Cu (+雖然兩個電極反應是可逆的，但電池放電時，在雖然兩個電極反應是可逆的，但電池放電時，在ZnSO4和和CuSO4溶液的接界處，還要發生溶液的接界處，還要發生 Zn2+ 向向CuSO4溶液中的擴散過程。當進行充電時，電極反溶液中的擴散過程。當進行充電時，電極反應雖然可以逆向進行，但是在兩溶液接界處離子的應雖然可以逆向進行，但是在兩溶液接界處離子的移動與原來不同，是移動與原來不同，是Cu2+向向ZnSO4溶液中遷移

24、，因溶液中遷移，因此整個電池工作過程實際上是不可逆的。此整個電池工作過程實際上是不可逆的。現實中的電池一般不是可逆電池，因為實際用的電現實中的電池一般不是可逆電池，因為實際用的電池不是處在平衡狀態下充放電池不是處在平衡狀態下充放電。44Zn + CuSOCu + ZnSO 放電充電應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 可逆電極可逆電極 構成可逆電池的兩個電極為可逆電極，可逆電極需要滿足構成可逆電池的兩個電極為可逆電極，可逆電極需要滿足單一電極和反應可逆兩個條件單一電極和反應可逆兩個條件。 單一電極是指電極上單一電極是指電極上只能發生一種電化學反應只能發生

25、一種電化學反應，能同時發，能同時發生多個反應的多重電極不可能構成可逆電極；反應可逆是生多個反應的多重電極不可能構成可逆電極；反應可逆是指指充電和放電時發生同一反應只是方向相反充電和放電時發生同一反應只是方向相反。 此外，一般還要求此外，一般還要求可逆電極必須能夠迅速建立和保持平衡可逆電極必須能夠迅速建立和保持平衡態，即要求可逆電極具有較高的平衡離子濃度及高的交換態，即要求可逆電極具有較高的平衡離子濃度及高的交換電流密度電流密度(見第五章見第五章)。可逆電極可分為兩大類型：基于電。可逆電極可分為兩大類型：基于電子交換反應的電極和基于離子交換或擴散的電極。也可以子交換反應的電極和基于離子交換或擴散

26、的電極。也可以細分為：細分為：應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (1) 第一類電極第一類電極(the first-class electrode) 只有一個相界面的電極稱為第一類電極只有一個相界面的電極稱為第一類電極。主要包括金屬電極。主要包括金屬電極(metal electrode)、汞齊電極、汞齊電極(amalgam electrode)、配合物電、配合物電極極(complex electrode)、氣體電極、氣體電極(gas electrode)等。等。 金屬電極金屬電極 金屬金屬(板、棒或條板、棒或條)浸入含有該金屬離子的溶液中浸入含有該金屬

27、離子的溶液中所形成的電極。以銅電極為例：所形成的電極。以銅電極為例：Cu2+(a)|Cu(s)，電極反應：，電極反應： 汞齊電極汞齊電極 例如：例如：Cd(Hg)x|Cd2+(a)，電極反應：，電極反應：Cd2+2e+xHgCd(Hg)x(a1)。 配合物電極配合物電極 例如：例如：Ag|Ag(CN)2-(a)，電極反應：，電極反應：Ag(CN)2- +eAg+2CN-。 氣體電極氣體電極 例如氫電極例如氫電極 (圖圖2-3a)：Pt(s),H2(p) |H+(a)，電極反應：，電極反應：2H+2eH2。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (2) 第二

28、類電極第二類電極(the second-class electrode) 有兩個相界面的電極為第二類電極。主要是有兩個相界面的電極為第二類電極。主要是金屬金屬-微溶鹽微溶鹽(或絡離子或絡離子)-微溶鹽的負離子電極微溶鹽的負離子電極 (或配位離子或配位離子)。如：。如：Ag-AgCl電極電極(Ag(s)AgCl(s)Cl-，見圖，見圖2-3b)；氧化汞電極；氧化汞電極(Hg(l)HgO(s)OH-)；銀；銀-銀氰絡離子電極銀氰絡離子電極 (Ag/Ag(CN)2-,CN-)。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (3) 第三類電極第三類電極(氧化還原電極氧化

29、還原電極，the third electrode or redox electrode)： 例如：例如：Pt|FeFe(圖圖2-3c)電極反應：。電極反應：。又如化學修飾電極又如化學修飾電極(圖圖2-4)。在導體或半導體。在導體或半導體的表面涂敷了單分子的、多分子的、離子的的表面涂敷了單分子的、多分子的、離子的或聚合物的薄膜，借或聚合物的薄膜，借Faraday反應反應(電荷消耗電荷消耗)而呈現出此修飾薄膜的化學的、電化學的以而呈現出此修飾薄膜的化學的、電化學的以及及/或光學的性質。或光學的性質。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (a)標準氫電極標準氫

30、電極 (b) Ag-AgCl電極電極 (c) Fe3+/Fe2+電極電極 圖圖2-3 三種常見的電極三種常見的電極應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (4) 第四類電極第四類電極(膜電極膜電極) 利用隔膜對單種離子透過性或膜表面與電解液中利用隔膜對單種離子透過性或膜表面與電解液中的離子交換平衡所建立起來的電勢，測定電解液的離子交換平衡所建立起來的電勢，測定電解液中特定離子活度的電極，如玻璃電極、離子選擇中特定離子活度的電極，如玻璃電極、離子選擇電極等。電極等。 (5) 第五類電極第五類電極(嵌入電極嵌入電極) 發生嵌入反應發生嵌入反應(intercal

31、ation reaction)的電極。所的電極。所謂嵌入反應就是客體粒子謂嵌入反應就是客體粒子(也稱嵌質也稱嵌質,主要是陰、主要是陰、陽離子陽離子) 嵌入主體晶格嵌入主體晶格(也稱嵌基也稱嵌基) 生成非化學計量生成非化學計量化合物的反應。典型的嵌入電極是鋰離子電池的化合物的反應。典型的嵌入電極是鋰離子電池的正負極正負極(見見2.2.6.2 二次電池之二次電池之“鋰離子電池鋰離子電池”)。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回電池的組成電池的組成 任何電池都由四個基本部分組成，即由電極、電任何電池都由四個基本部分組成，即由電極、電解質、隔離物及外殼組成。解質

32、、隔離物及外殼組成。陰極正極、集流體陽極負極、集流體電解質外殼、接線柱、外殼、接線柱、密封圈等密封圈等隔膜應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回(1) (1) 電極電極 電極是電池的核心部分，由電極是電池的核心部分，由活性物質、導電活性物質、導電材料和添加劑組成，有時還包含集流體材料和添加劑組成，有時還包含集流體( (圖圖2-6)2-6)。 活性物質是活性物質是能夠通過化學變化將化學能轉變能夠通過化學變化將化學能轉變為電能的物質為電能的物質，導電骨架主要起傳導電流、支撐，導電骨架主要起傳導電流、支撐活性物質的作用，電池內的電極又分正極和負極。活性物質的作用

33、，電池內的電極又分正極和負極。 導電材料也常用作集流體，如圖導電材料也常用作集流體，如圖2-72-7和圖和圖2-82-8所示鉛銻合金柵架和泡沫鎳所示鉛銻合金柵架和泡沫鎳(MH-Ni(MH-Ni電池常用導電電池常用導電材料材料) )；應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 在碳鋅電池、堿性鋅錳電池中分別用碳棒在碳鋅電池、堿性鋅錳電池中分別用碳棒和銅針作為正極、負極集流體，外殼也常和銅針作為正極、負極集流體，外殼也常用于正負極電流匯集，例如在堿性鋅錳電用于正負極電流匯集，例如在堿性鋅錳電池中是正極集流體，池中是正極集流體，在在Cd-Ni、MH-Ni電池電池中則

34、是負極集流體。中則是負極集流體。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (2) 電解質電解質 電解質也電解質也不能與電池其它組分反應不能與電池其它組分反應。在有的電池。在有的電池系列中，電解質還參與電化學反應，如干電池中的系列中，電解質還參與電化學反應，如干電池中的氫化銨氫化銨(NH4Cl)，鉛酸電池中的硫酸，鉛酸電池中的硫酸(H2SO4)等。等。 電解質一般是酸、堿、鹽的水溶液，當構成電池的電解質一般是酸、堿、鹽的水溶液，當構成電池的開路電壓大于開路電壓大于2.3V時，水易被電解成氫氣和氧氣，時，水易被電解成氫氣和氧氣，故故一般使用非水溶劑的電解質一般使

35、用非水溶劑的電解質。 很多電池系列的電解質有較強的腐蝕性，所以無很多電池系列的電解質有較強的腐蝕性，所以無論電池是否用過，消費者不要解剖電池論電池是否用過，消費者不要解剖電池。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (3) (3) 隔離物隔離物 防止正、負極短路，但充許離子順利通過防止正、負極短路，但充許離子順利通過( (如圖如圖2-5b2-5b所示所示) )。在電池內部，如果正負兩極材料相接觸，。在電池內部，如果正負兩極材料相接觸，則電池出現內部短路，其結果如同外部短路，電池則電池出現內部短路，其結果如同外部短路，電池所貯存的電能也被消耗所貯存的電能也被

36、消耗. .所以，在電池內部需要一種所以，在電池內部需要一種材料或物質將正極和負極隔離開來，以材料或物質將正極和負極隔離開來，以防止兩極在防止兩極在貯存和使用過程中被短路貯存和使用過程中被短路，這種隔離正極和負極的，這種隔離正極和負極的材料被稱作隔離物。材料被稱作隔離物。 隔離物可分三大類：隔離物可分三大類：板材板材，如鉛酸電池用的微孔，如鉛酸電池用的微孔橡膠隔板和塑料板；橡膠隔板和塑料板；膜材膜材，如漿層紙、無紡布、玻，如漿層紙、無紡布、玻璃纖維等；璃纖維等；膠狀物膠狀物，如漿糊層、硅膠體等。，如漿糊層、硅膠體等。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 (

37、4) (4) 外殼外殼 主要主要作容器作容器。 電池的殼體是電池的殼體是貯存電池其它組成部分貯存電池其它組成部分( (如電極、如電極、電解質、隔離物等電解質、隔離物等) )的容器，起到保護和容納其它的容器，起到保護和容納其它部分的作用部分的作用，所以一般要求殼體有，所以一般要求殼體有足夠的機械性足夠的機械性能和化學穩定性能和化學穩定性，保證殼體不影響到電池其它部，保證殼體不影響到電池其它部分的性能。為防止電池內外的相互影響，通常將分的性能。為防止電池內外的相互影響，通常將電池進行密封，所以還要求殼體便于密封。電池進行密封，所以還要求殼體便于密封。防爆防爆蓋是為了防止電池內部意外出現高壓發生危險

38、而蓋是為了防止電池內部意外出現高壓發生危險而配套的安全裝置，所以在封口工序點焊防爆蓋時，配套的安全裝置，所以在封口工序點焊防爆蓋時，不得將泄氣孔封死，以免出現危險不得將泄氣孔封死，以免出現危險。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回一一. 化學電源的發展化學電源的發展化學電源是將化學電源是將物質化學反應產生的能量直接轉換成物質化學反應產生的能量直接轉換成電能的一種裝置電能的一種裝置。1859 年年 普朗克（普朗克（Pantle） 試制成功化成式鉛試制成功化成式鉛 酸電池酸電池1868 年年 勒克朗謝（勒克朗謝（Lelanche）研制成功以）研制成功以NH4

39、Cl 為電解液的為電解液的Zn-MnO2 電池電池1888 年年 加斯納（加斯納（Gassner）制出了）制出了Zn-MnO2 干電池干電池1895 年瓊格（年瓊格（Junger）發明）發明Cd-Ni 電池電池第一部分第一部分 化學電源基礎化學電源基礎應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回1900 年年 愛迪生（愛迪生（Edison）創制了）創制了Fe-Ni 蓄電池蓄電池二十世紀四、五十年代以后電池發展更加迅速二十世紀四、五十年代以后電池發展更加迅速60 年代：年代：“雙子星座雙子星座”和和“阿波羅阿波羅”飛船應用培根飛船應用培根H2-O2 燃料電池燃料電

40、池70 年代：中東戰爭年代：中東戰爭 能源危機能源危機 燃料電池、鈉硫電池燃料電池、鈉硫電池、鋰硫化鐵電池得到廣泛發展、鋰硫化鐵電池得到廣泛發展80 年代：貯氫材料的突破年代：貯氫材料的突破 氫鎳電池氫鎳電池90 年代：嵌入化合物鋰離子電池年代：嵌入化合物鋰離子電池應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回二二.化學電源的應用化學電源的應用：航空航天飛行器：飛機、人造衛星、宇宙飛船等；航空航天飛行器：飛機、人造衛星、宇宙飛船等；機動車輛：啟動、點火、照明、動力；機動車輛：啟動、點火、照明、動力；大型發電站：調解電站；大型發電站：調解電站；醫院、郵電通訊部門：應

41、急電源；醫院、郵電通訊部門：應急電源；便攜式電子產品：移動電話、攝像機、手提電腦等。便攜式電子產品：移動電話、攝像機、手提電腦等。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 三三. 電池的發展規律電池的發展規律 電池的發展與電池的發展與新型電器的開發和應用新型電器的開發和應用密切相關密切相關 。 世紀年代后各種低壓電器的普及，特別世紀年代后各種低壓電器的普及，特別是是半導體收音機的出現帶動了干電池半導體收音機的出現帶動了干電池的發展。的發展。 年代年代半導體的廣泛應用，促進了紙板電池半導體的廣泛應用，促進了紙板電池的的發展。發展。 年代以后，年代以后，、和、和

42、計算機的出現，促進了電池的微型化計算機的出現，促進了電池的微型化。 。 應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 年代以后，隨著移動電話的出現，年代以后，隨著移動電話的出現，-電池逐漸完善和商品化，并出現了高能量密電池逐漸完善和商品化，并出現了高能量密度鋰離子電池度鋰離子電池 材料的開發利用大大促進了電池的進步材料的開發利用大大促進了電池的進步 堿錳電池的改進得益于堿錳電池的改進得益于電解二氧化錳電解二氧化錳，而，而吸吸氫材料氫材料促進了促進了-電池的興起。鋰離子電池電池的興起。鋰離子電池的開發有賴于的開發有賴于碳素碳素的研究，而的研究，而導電聚合物材料導電

43、聚合物材料的的研究很有可能大大改變固態電解質電池的面貌。研究很有可能大大改變固態電解質電池的面貌。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 環保問題為電池的發展提出了新的要求環保問題為電池的發展提出了新的要求 一次電池的大量使用造成了資源的浪費，為了一次電池的大量使用造成了資源的浪費，為了節約資源，世紀年代研究的重點是節約資源，世紀年代研究的重點是可重復使用的二次電池，原有的一次電池也向二次可重復使用的二次電池，原有的一次電池也向二次電池轉向。電池轉向。 為了保護環境及人體的健康，禁止在電池中使為了保護環境及人體的健康，禁止在電池中使用有害元素，盡管用有害元

44、素，盡管- -電池性能優異，而且電池性能優異，而且技術不斷成熟，卻開發了取代它的技術不斷成熟，卻開發了取代它的- -電池電池。汽車工業中大量使用的鉛酸電池已經實現了密閉。汽車工業中大量使用的鉛酸電池已經實現了密閉化和免維護。化和免維護。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 為了應對未來可預料的能源危機和減少汽車尾為了應對未來可預料的能源危機和減少汽車尾氣污染，氣污染，新型清潔電動汽車新型清潔電動汽車的研究成為全世界科學的研究成為全世界科學工作者注目的焦點，目前已取得很大的進展。工作者注目的焦點，目前已取得很大的進展。 例如國外已經開發出使用鋅空氣電池的微

45、型汽例如國外已經開發出使用鋅空氣電池的微型汽車，一次充電可行駛里程已達車，一次充電可行駛里程已達；而使用燃料電池，據稱驅動座小車最高時速可；而使用燃料電池，據稱驅動座小車最高時速可達以上，持續行駛超過。達以上，持續行駛超過。 應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 隨著各種便攜性電子設備的廣泛應用，電池的需求隨著各種便攜性電子設備的廣泛應用，電池的需求量正在飛速增長，同時電池的性能也不斷地提高和完量正在飛速增長，同時電池的性能也不斷地提高和完善。善。 世紀年代，工業（計算機、移動電世紀年代，工業（計算機、移動電話、攝像機和無線電動工具）的普及，日常生活對電

46、話、攝像機和無線電動工具）的普及，日常生活對電池的需要已經到了須臾不可分離的地步。池的需要已經到了須臾不可分離的地步。 因此有人預測，高性能電池工業將是世紀最因此有人預測，高性能電池工業將是世紀最有前景的產業，因此有前景的產業，因此電池的發展必須能趕上電器用具電池的發展必須能趕上電器用具的發展。的發展。現在各種形狀、各種規格、性能各異的電池現在各種形狀、各種規格、性能各異的電池在日常生活和生產的各個領域發揮著不可替代的作用在日常生活和生產的各個領域發揮著不可替代的作用。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回化學電源的分類化學電源的分類：化學電源分類的方法很

47、多，通常有如下幾種：化學電源分類的方法很多，通常有如下幾種：1.按電池的工作性質分類：按電池的工作性質分類： （1）原電池（一次電池）：這種電池中的活性物質消）原電池（一次電池）：這種電池中的活性物質消耗后，即失去了工作能力，也就是說這種電池只能使用一耗后，即失去了工作能力，也就是說這種電池只能使用一次。例如：次。例如：ZnMnO2，MgAgCl等電池。等電池。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回（2）蓄電池（二次電池）蓄電池（二次電池） 該電池中的活性物質消耗后，可進行充電使其恢復，該電池中的活性物質消耗后，可進行充電使其恢復，電池得到再生，使電池能夠

48、反復使用。例如鉛酸蓄電池，電池得到再生，使電池能夠反復使用。例如鉛酸蓄電池，OHNi電池，電池，AgZn電池等。電池等。2. 按按電解質的性質電解質的性質可將電池分為以下三類：可將電池分為以下三類：（1）堿性電池（電解質為堿性，）堿性電池（電解質為堿性，NaOH, KOH) 例：例：CdNi（2）酸性電池（電解質為酸性，）酸性電池（電解質為酸性，H2SO4)例：鉛酸電池例：鉛酸電池（3）中性電池（電解質為中性，）中性電池（電解質為中性，NH4Cl,HgCl2)例例:ZnMnO2應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 隨著科學技術的發展，目前又出現了隨著科學

49、技術的發展，目前又出現了有機電解質電池，有機電解質電池，固體電解質電池，膠體電解質電池固體電解質電池，膠體電解質電池等等。等等。 由于化學電源的發展較快，上述的分類不能明確地反映由于化學電源的發展較快，上述的分類不能明確地反映化學電源的全貌，化學電源的全貌，目前常用的分類方法是把化學電源分為四目前常用的分類方法是把化學電源分為四類：類：（1）原電池）原電池（2）蓄電池）蓄電池（3）儲備電池：該電池）儲備電池：該電池在存放期間不加電解質溶液，在使在存放期間不加電解質溶液，在使用時臨時加入電解質活化用時臨時加入電解質活化。例如：。例如：ZnO2電池電池（4） 燃料電池：燃料電池：是一種能連續地把燃

50、料的化學能變為電是一種能連續地把燃料的化學能變為電能的裝置。只要連續不斷地將燃料（反應物）或電解質通能的裝置。只要連續不斷地將燃料（反應物）或電解質通如電池中，電池就能連續不斷地反應而產生電能如電池中，電池就能連續不斷地反應而產生電能。例如：。例如：H2O2燃料電池。燃料電池。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 需要說明的是：以上的分類并不是絕對的，隨著科需要說明的是：以上的分類并不是絕對的，隨著科學技術的發展，學技術的發展，有些電池體系往往有些電池體系往往 可以設計成多種不同可以設計成多種不同的電池的電池。例如：在堿性溶液中，由鋅和空氣構成的電池。例

51、如：在堿性溶液中，由鋅和空氣構成的電池體系。它根據需要就可以做成：體系。它根據需要就可以做成：1. ZnO2(C) 一次電池一次電池2. ZnO2(C) 二次電池二次電池3. ZnO2(C) 儲備電池儲備電池4. ZnO2(C) 燃料電池燃料電池1.3 描述電池性能的主要參數及對參數的影響因素描述電池性能的主要參數及對參數的影響因素 對于一個實用化的電池，有多方面的性能參數要求。例如對于一個實用化的電池，有多方面的性能參數要求。例如電池的電壓、內阻、容量與比容量、能量與比能量、功率與比電池的電壓、內阻、容量與比容量、能量與比能量、功率與比功率以及電池的貯存性能和循環壽命功率以及電池的貯存性能和

52、循環壽命等等 。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回1）. 電池的電動勢及開路電壓電池的電動勢及開路電壓 電池在開路時，即電池在開路時，即沒有電流通過的情況下，正負極的平沒有電流通過的情況下，正負極的平衡電位之差，就是該電池的電動勢衡電位之差，就是該電池的電動勢。開路電壓。開路電壓(open circuit voltage)：電池不放電時，電池兩極之間的電位差被稱為開：電池不放電時，電池兩極之間的電位差被稱為開路電壓。它的路電壓。它的大小取決于電池的本性及電解質的性質與活度，大小取決于電池的本性及電解質的性質與活度，而與電池的幾何結構等無關而與電池的幾何

53、結構等無關。即：。即：E平平 由此可以明確地看出，若正極的電位越正，負極的電由此可以明確地看出，若正極的電位越正，負極的電位越負，電池的電動勢也就越高。位越負，電池的電動勢也就越高。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回元素中以元素中以Li的電位為最負：的電位為最負：平=-3.045VLieLi(在酸性介質中在酸性介質中)氟的電位為最正：氟的電位為最正：2-F +2e2F平=2.87V 若做成鋰氟電池若做成鋰氟電池 ，其電動勢可，其電動勢可達達5.91V。這是化學電源中電動勢最高的數值。這是化學電源中電動勢最高的數值。222LiFLiF 應當注意的是，在選

54、擇電極活性物質時，不能只看應當注意的是，在選擇電極活性物質時，不能只看平衡電位數值的高低，還要看平衡電位數值的高低，還要看（1）它在介質中的穩定）它在介質中的穩定性（性（2）材料來源（）材料來源（3）電化當量等多方面的因素。）電化當量等多方面的因素。例如例如LiF2,若組成電池，它具有很高的電動勢，但由于若組成電池，它具有很高的電動勢，但由于Li只只適用于適用于非水溶劑電解質非水溶劑電解質，F2是活性的氣體，不易儲存和是活性的氣體，不易儲存和應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回和控制，因而由和控制，因而由單質單質Li與與F2組成電池也是不切合實際的組成電

55、池也是不切合實際的。 一般的化學電源都是采用一般的化學電源都是采用水溶性電解質水溶性電解質。在。在電位較負的電位較負的金屬中，以鋅、鉛、鎘、鐵最為常用金屬中，以鋅、鉛、鎘、鐵最為常用。因在相應的電解質中。因在相應的電解質中具有較好的耐腐蝕性，在具有較好的耐腐蝕性，在電位較正的活性物質中，常用的有電位較正的活性物質中，常用的有二氧化錳、二氧化鉛、氫化鎳、氧化銀等二氧化錳、二氧化鉛、氫化鎳、氧化銀等，它們在水溶液中，它們在水溶液中都很穩定，溶解度小，材料來源廣。都很穩定，溶解度小，材料來源廣。 在以上所討論的在以上所討論的電動勢是指體系達到熱力學平衡后的電動勢是指體系達到熱力學平衡后的電動勢。電動

56、勢。但但實際上有許多電極體系在水溶液中，即使開路實際上有許多電極體系在水溶液中，即使開路時，也達不到熱力學上的平衡狀態時，也達不到熱力學上的平衡狀態。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回2. 電池的電池的工作電壓和放電曲線工作電壓和放電曲線（1）工作電壓：）工作電壓：當電池有電流通過時，這時正、負極當電池有電流通過時，這時正、負極 由于電流通過電池回路時使電極產生電極極化和歐姆由于電流通過電池回路時使電極產生電極極化和歐姆極化，這時的工作電壓總是低于電動勢。即：極化，這時的工作電壓總是低于電動勢。即：兩端的電位差，即為工作電壓（放電電壓）兩端的電位差，即

57、為工作電壓（放電電壓）。VIR放 ， 分別為電流通過正，負極時的工作電位。分別為電流通過正，負極時的工作電位。 I為放電電流為放電電流 R為電池內阻。為電池內阻。影響工作電壓的因素：影響工作電壓的因素：應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回1. 放電時間放電時間 一般放電時間長，電壓低一般放電時間長，電壓低2. 放電流密度放電流密度 一般放電流密度大，電壓低一般放電流密度大，電壓低3. 放電深度放電深度 一般放電深度低，電壓低一般放電深度低，電壓低（2）放電曲線）放電曲線 若在指定負載若在指定負載和溫度下放電時，和溫度下放電時，把把電池的電壓隨時電池的電壓

58、隨時間的變化作圖，就間的變化作圖，就可以得到電池的放可以得到電池的放電曲線。電曲線。圖圖1-1電池的電池的 放電曲圖線放電曲圖線應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回 根據電池的放電曲線，通常可以確定電池的放電性能和根據電池的放電曲線，通常可以確定電池的放電性能和電池的容量電池的容量1. 通常電池的通常電池的放電曲線越平坦、穩定、電池的性能就越好放電曲線越平坦、穩定、電池的性能就越好2. 電池的容量大小電池的容量大小 注意：放電時間的長短，取決于放電的注意：放電時間的長短，取決于放電的終止電壓終止電壓（不宜（不宜再繼續放電的電壓）。通常放電電流大時，終止電

59、壓可低再繼續放電的電壓）。通常放電電流大時，終止電壓可低些，放電電流小時，終止電壓可高些。些，放電電流小時，終止電壓可高些。 當衡量電池的電壓特性時，常用當衡量電池的電壓特性時，常用平均工作電壓平均工作電壓來表示：來表示：應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回（3）電池的容量）電池的容量 電池的容量是指電池的容量是指電池放電時所能給出的電量（電池放電時所能給出的電量（AH)。電池的容量通常分為：電池的容量通常分為：1. 理論容量：理論容量： 理論容量是根據活性物質的重量按法拉理論容量是根據活性物質的重量按法拉第定律計算出的電量。第定律計算出的電量。2. 實

60、際容量：實際容量： 實際容量指在一定的放電條件下實際容量指在一定的放電條件下 電池所能給出的電量。電池所能給出的電量。應用電化學應用電化學上一內容上一內容下一內容下一內容回主目錄回主目錄返回返回實際容量的計算：實際容量的計算：（1）若是恒電流放電）若是恒電流放電（2）恒電阻放電）恒電阻放電由于恒電阻放電時，由于恒電阻放電時，I 是不斷變化的，故是不斷變化的，故QR要通過積分要通過積分的方法計算：的方法計算：IQ =I t(AH)00011tttRVQIdtdtVdtV tRRR平 3. 額定容量額定容量： 額定容量是指在一定的放電制度下，電池額定容量是指在一定的放電制度下，電池應該給出的應該給