一、化学能到电能燃烧氧化还原反应是使化学能转换为电能的关键。而氧化还原反应的本质是氧化剂和还原剂之间发生电子转移的过程。电子转移引起化学键的重新组合。同时伴随着体系能量的变化。如煤的燃烧、铝和盐酸反应放热氧化剂与还原剂直接接触发生反应。为了使氧化还原反应释放的能量直接转变为电能需要使氧化反应和还原反应分别在两个不同的区域进行并使其间的电子转移在一定条件下形成电流化学电池。有时为了方便还需要把可产生的电能以化学能的形式储存起来化学电池就是这样一种装置可以将氧化还原反应体系的能量储存起来。二、氧化还原反应氧化还原反应方程式要求反应前后得失电子数相等氧化还原反应Reduction-oxidation reaction是在反应前后元素的氧化数具有相应的升降变化的化学反应。这种反应可以理解成由两个半反应构成即氧化反应和还原反应。此类反应都遵守电荷守恒。在氧化还原反应里氧化与还原必然以等量同时进行。氧化反应指还原剂失去电子化合价上升而还原反应是指氧化剂得到电子化合价下降。还原剂 氧化剂 → 氧化产物氧化数升高 还原产物氧化数降低一般来说同一反应中还原产物的还原性比还原剂弱氧化产物的氧化性比氧化剂弱这就是所谓“强还原剂制弱还原剂强氧化剂制弱氧化剂”。换言之氧化剂得电子化合价降低会“消耗”自己的氧化能力将还原剂氧化本身被还原还原剂失电子化合价升高会“消耗”自己的还原能力将氧化剂还原本身被氧化通常氧化还原反应可以做成一个原电池。其中发生氧化反应的一极为阳极即外电路的负极还原反应的一极为阴极即外电路的正极。两个电极之间有电势差电化学上通常叫电动势因此反应可以进行同时可以用来做功。三、铜锌电池原料铜、锌、稀硫酸原理铜锌活动性不同锌容易失去电子被氧化成Zn2进入溶液电子由锌片通过导线流入铜片溶液中的 H 从铜片获得电子被还原成氢原子得到电子化合价降低氢原子再结合成氢分子从铜片上逸出。表示如下锌片阳极“原电池内部”Zn - 2e- Zn2 Zn化合价升高失去电子Zn是还原剂Zn被氧化成Zn2氧化反应铜片阴极“原电池内部”2H 2 e- H2 ⬆化合价降低得到电子H是氧化剂被还原成H2还原反应被氧化oxidized被还原reduced。原电池将化学能转变为电能的装置。四、充电电池充电电池又称二次电池它在放电时所进行的氧化还原反应再充电时可以逆向进行一般通过充电器将交流电转变为直流电进行充电使电池恢复到放电前的状态。这样可以实现化学能转变为电能放电、再由电能转变为化学能充电的循环。充电电池是在一次性电池基础上的发展更加经济实用。由于电池制造工艺等方面存在不足。实际上充电电池的充电次数仍有限制且使用是否得当对电池的工作状态及寿命影响也很大。最早使用的电池是铅蓄电池目前汽车上使用的电瓶大多仍是铅蓄电池。五、镍镉电池现代社会对耗电量高的便携式电器的需求量越来越大由此研制了新型的封闭式的体积较小的充电电池镍镉电池。镍镉电池以Cd为负极NiOOH氢氧化亚镍为正级以KOH为电解质。电解质electrolyte [1] 是指在水溶液或熔融状态可以产生自由离子而导电的化合物。通常指在溶液中导电的物质而固态可导电的物质不算电解质。这包括大多数可溶性盐、酸和碱。一些气体例如氯化氢在高温或低压的条件下也可以作为电解质。电解质通常分为强电解质和弱电解质。与此相对地在溶液中可溶解但不导电的物质则被成为非电解质 non-electrolyte。放电反应Cd2NiOOH2H2O 2NiOH2 2CdOH2充电反应时相反。充电时将蓄电池的正、负极分别与充电机的正极和负极相连电池内部发生与放电时完全相反的电化学反应即负极发生还原反应正极发生氧化反应。1负极反应充电时负极板上的氢氧化镉先电离成镉离子和氢氧根离子然后镉离子从外电路获得电子生成镉原子附着在极板上而氢氧根离子进入溶液参与正极反应。(2)正极反应在外电源的作用下正极板上的氢氧化亚镍晶格中两个二价镍离子各失去一个电子生成三价镍离子同时晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子将氧负离子留在晶格上释出的氢离子与溶液中的氢氧根离子结合生成水分子。然后两个三价镍离子与两个氧负离子和剩下的二个氢氧根离子结合生成两个氢氧化镍晶体。蓄电池充电终了时充电电流将使电池内发生分解水的反应在正、负极板上将分别有大量氧气和氢气析出。从上述电极反应可以看出氢摒化钠或氢氧化钾并不直接参与反应只起导电作用。从电池反应来看充电过程中生成水分子放电过程中消耗水分子因此充、放电过程中电解液浓度变化很小不能用密度计检测充放电程度。缺点1由于镉是致癌物质。废弃的镍镉电池会造成严重的环境污染需要回收。2记忆效应是一种发生在某些充电电池上如镍镉电池或镍氢电池经过多次充电后导致电池容量减少的现象。当镍镉电池NiCd或镍氢电池NiMH在多次没有完全放电的情况下又充满电时就会产生记忆效应。其实这种效应极少发生通常只出现于镍镉电池等较古老且十分昂贵、稀有、无人管理的电子设备身上比如通信卫星每次经过地球阴影时它都会消耗相同的电量却不能消耗完所有电量。以镍镉电池、镍氢电池与锂离子电池三者比较镍镉电池记忆效应最明显镍氢电池记忆效应次之锂离子电池的记忆效应最不明显。解决电池记忆效应的方法是完全放电后再重新充电但不论电池是否有记忆效应电池容量本身也会随着使用时间越长久充放电次数越多而逐渐下降此为电池寿命。优点1其寿命比铅蓄电池长可以充电500次以上广泛用于收录机、无线对讲机、电子闪光灯、电动剃须刀等。2放电时电压变化不大充电为吸热反应内阻小对轻度的过充过放相对镍氢电池和锂电池来说容忍度较大。六、袋式镍镉电池组单体蓄电池1极板装配正极板、负极板是袋式锦镉 蓄电池重要组成部分。正极板、 负极板的结构式相同但活性物质不同充电时正极是由氢氧化镍和石墨组成负极是由氢氧化镉组成。每一片极板均由数片小极板条组成每一片小极板条通过穿孔钢带将活性物质包裹在内部 并在机械力的作用下与另一片小极板条拼接成矩形毛坯然后通过极板框被固定成类似被单的平板。几片相同极性的极板按照一定的间距焊接在一个与极柱相连的集流板上这样就做成了正极/ 负极板组。一个正极板组和一个负极板组按照“…一正极板一负极板一正极板一…”正负极板相间的顺序依次组装在一起然后通过隔板隔开形成了一个完整的蓄电池极板组。2蓄电池壳体蓄电池极板组安装在蓄电池壳体内蓄电池壳体是由工程塑料注塑而成具有高强度、耐老化、耐高温、耐强碱等性能。3电解液袋式锦镉蓄电池的常用电解液是含少量LiOH的KOH水溶液。4其它部分蓄电池的少部分部件是由 橡胶合成树脂制作而成大部分部件都是由镀银钢制件制作的具有很高的机械强度。5组合蓄电池根据工作电压要求将两个或多个单体蓄电池组合在木制或金属制组合框里成为蓄电池组。单体蓄电池之间由跨接板连接在 一起蓄电池使用一般采用串联。6充放电过程中的化学反应袋式银镉蓄电池Ni(OH)2作为正极活性物质Cd(OH)2作为负极活性物质 。电解液中添加LiOH的目的是提高蓄电池循环寿命和高温性能。电解质在充放电循环过程中只起离子传导作用并不发生化学变化不会产生数量的减少。镍镉蓄电池极板骨架为机械强度很高的钢带在蓄电池使用过程中正极NiOOH变成Ni(OH)2同时负极的金属Cd变Cd(OH)2 充电时发生逆反应直到皆电池电压上升到能使负极析出H2正极析出O2为止这样就导致了电解液中水的分解.具体的充放电反应式CdOH2 2NiOH2 充电 放电 Cd2NiOOH 2H2O蓄电池充电时会生成水放电时会吸收水。因此蓄电池在充放电过程中液位高度有变化电解液密度有变化。电解质KOH不参与反应使用过程中几乎没有减少。7电池特性电池特性额定容量蓄电池容量以安培-小时(Ah) 计算。在20℃±5℃的环境下 蓄电池以0.2 It A充电8h后0.2 It A放电时间不小于5h。电压单体蓄电池的标称电压为1.2V,是来自氢氧化钾电解液中镍离子与镉离子游离所产生的电位差。蓄电池组的标称电压为n X 1.2V (n为串联蓄电池的只数)。单体蓄电池的开路电压正常范围为1.2V〜1.5V。单体蓄电池开路电压大小取决于能电池在充满电后维持开路状态时间的长短、环境温度和蓄电池内阻等有关。放电倍率和容量之间的关系蓄电池放电容量随放电倍率变化而变化放电倍率越大蓄电池放出的电量就会越小。我们将蓄电池在20℃±5℃ 环境下 按照 标准倍率(0.2 It A)放电5h所获得的容量视为100%。内阻蓄电池的内阻与蓄电池使用温度和荷电状态有关因此很难准确的定义蓄电池的内阻。在20℃±5℃环境中 相同结构 、容量的蓄电池100%荷电态下内阻最小完全放电态下内阻最大在一40℃〜60℃的使用环境中相同结构、容量、荷电状态的蓄电池环境温度越高蓄电池内阻相对越小。七、镍镉电池配液1摩尔mole ——物质的量 amount of substance 的单位物质的量是一个物理量它表示有一定数目粒子的集合体符号为n。物质的量的单位为摩尔简称摩符号为mol。国际上规定1mol粒子集体所含的粒子数与0.012kg 12C中所含的碳原子数相同约为6.02✖10的23次方。把1mol任何粒子的离子数叫做阿伏伽德罗常数符号为NA,通常用6.02✖10的23次方每mol表示。物质的量、阿伏伽德罗常数与粒子数N之间存在着下述关系nN / NA 作为物质量的单位mol可以计量所有微观粒子包括原子、分子、离子、原子团、电子、质子、中子等。1mol不同物质中所含的粒子数是相同的但由于不同粒子的质量不同1mol不同物质的质量也不同。如一摩尔H2O质量为18g一摩尔AL质量为27g。物质的量n、质量m、摩尔质量M之间存在下述关系nm/M。2物质体积大小取决于构成这种物质的粒子数目、粒子的大小和粒子之间的距离这三个要素。在粒子数目相同时物质体积大小主要取决于构成物质的粒子的大小和粒子之间的距离。1mol不同的固态物质或液态物质所含的粒子数目相同而粒子之间的距离是非常小的这就使得固态或液态物质的体积主要决定于粒子的大小但因为粒子大小是不相同的所以1mol不同的固态物质或液态物质的体积是不相同的。3对于气体而言粒子间距离远远大于粒子本身的直径所以当粒子数相同时气体的体积主要决定于气体之间的距离。而在相同的温度和压强下任何气体粒子之间的距离可以看成时相等的。因此粒子数相同的任何气体都具有相同的体积。即在相同的温度和压强下相同体积的任何气体都含有相同数目的粒子。同温同压下同体积同粒子数同粒子数同体积。单位物质的量的气体所占的体积叫做气体摩尔体积符号Vm常用的单位有L/mol或L·mol-1和m3/mol或m3·mol-1Vm V / n 气体摩尔体积的数值不是固定不变的它决定于气体所处的温度和强度。例如在0℃和101kPa标准状况的条件下气体摩尔体积约为22.4L/mol在25℃和101kPa的条件下气体摩尔体积约为24.5L/mol。4溶液的配置我们有时用溶质的质量分数来表示溶液的组成一般取溶液时是量取它的体积。在化学反应中反应物与生成物之间的比例关系是由化学方程式中的化学计量数[2、1、2]所决定的。 [2] H2[1] O2 [2] H2O 使用物质的量浓度这个物理量来表示单位体积溶液里所含溶质B的物质的量也称为B的物质的量浓度符号为CB。B表示为CB NB / V;物质的量浓度常用的单位为mol / L。如1L 的溶液中含有1mol溶质这种溶液中溶质的物质的量浓度就是1mol/L。八、镍氢电池镍氢电池NiMH是由镍镉电池NiCd battery改良而来的其以能吸收氢的金属代替镉Cd还原剂。它以相同的价格提供比镍镉电池更高的电容量、较不明显的记忆效应、以及较低的环境污染不含有毒的镉。其回收再用的效率比锂离子电池好被称为是最环保的电池。但是与锂离子电池比较时却有一定的记忆效应。旧款的镍氢电池有较高的自我放电反应新款的镍氢电池已俱有相当低的自我放电与碱电相约而且可于低温下工作-20℃。镍氢电池比碳锌或碱性电池有更大的输出电流相对地更适合用于高耗电产品某些特别型号甚至比普通镍镉电池有更大输出电流。镍氢电池的容量较高以体积计以AA电池为例镍氢电池标示容量可达2900mAh毫安培小时中国普遍称mAh为“毫安时”而碱性电池只有~2100mAh不过碱性电池初始放电电压一般高于镍氢电池当然也远高于镍镉电池的1100mAh但仍未及得上锂离子电池。碱性电池在长期不使用后可能会漏出具轻微腐蚀性及有害液体会对人体有害又或损坏使用该电池的装置而锂电池在不适当使用时有机会燃烧或爆炸。相对来说镍氢电池算是比较安全的电池。化学原理镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属互化物。许多种类金属互化物都已运用于镍氢电池制造主要分为两大类。最常见的是AB5一类A是稀土元素混合物或者再加上钛TiB则是镍Ni、钴Co、锰Mn或者还有铝Al。而一些高容量电池“含多种成分”的电极则主要由AB2构成这里的A则是钛Ti或者钒VB则是锆Zr或镍Ni再加上一些铬Cr、钴Co、铁Fe和或锰Mn。所有这些化合物都担当相同角色可逆地形成金属氢化物。电池充电时氢氧化钾KOH电解液中的氢离子H会释放出来由这些化合物吸收避免形成氢气H2以保持电池内部压力和体积。电池放电时这些氢离子便会经由相反过程回到原来地方。现今的镍氢电池含有一种催化剂可以及时的解除因为过充所造成的危险。2H2O2 催化剂2H2O九、锂离子电池元素周期表中IA族的锂Li——最轻的金属也是活动性极强的金属是制造电池的理想物质。锂离子电池是新一代可充电的绿色能源已成为笔记本电脑、移动电话、数码相机、摄像机等低功耗电器的主流电源。锂离子电池Lithium-ion battery是一种充电电池它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。锂离子电池使用一个嵌入的锂化合物作为一个电极材料。目前用作锂离子电池的正极材料主要常见的有锂钴氧化物LiCoO2、锰酸锂LiMn2O4、镍酸锂LiNiO2及磷酸锂铁LiFePO4。这些锂离子电池与其发展产品是在消费电子领域常见的。它们是便携式电子设备中可充电电池最普遍的类型之一具有高能量密度无记忆效应在不使用时只有缓慢电荷损失。除了消费类电子产品越来越进步的锂离子电池也越来越普及可用于军事纯电动汽车和航空航天应用[7]。例如磷酸锂铁电池正在成为铅酸蓄电池的一种常见的替代蓄电池在历史上铅酸蓄电池用于高尔夫球车和多用途车但这种高效的新型电池已经能够突破旧有锂电池与铅酸电池的各种缺点达成全面替代的目标。此外锂离子电池容易与下面两种电池混淆锂电池Lithium battery虽然常常用作为锂离子电池的简称但严格意义的锂电池是锂原电池内含纯态的锂金属为一次性使用、不可充电。锂离子聚合物电池Lithium-ion polymer batteries也常称为“锂聚合物电池”大致上其实也是锂离子电池是普通锂离子电池的改良利用胶态或固态聚合物取代液态有机溶剂的可充电锂离子电池其安全性较好不会爆炸且可以塑造各种不同形状的电芯成为了现在的主流形式电池。优点1、高能量密度因电极材料不同而不同按质量计算可达150200Wh/kg(540720kJ/kg)按体积计算可达250530Wh/L(0.91.9kJ/cm3)。2、开路电压高因电极材料不同而不同可达3.34.2V。3、输出功率大因电极材料不同而不同可达3001500W/kg(20秒)。4、无记忆效应:磷酸铁锂锂离子电池无记忆效应电池在未放空电的情况下可随时充放电使用维护简便。5、低自放电510/月。智能锂离子电池由于有内建的监测电路这个监测电路的工作电流甚至高于自放电电流。6、工作温度范围宽可在-20℃60℃之间正常工作。7、充、放电速度快。因此锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军用产品、航空产品等。缺点1、不耐受过放过放电时过量嵌入的锂离子会被固定于晶格中无法再释放导致寿命加速缩短深度放电电压小于3.0V时放电更可能使电池损坏因此应避免没电的时候存放。电池损耗一般为500次完全充放从最高电压4.2V开始放电至3V作为100减少深度放电80%的动作改为浅度放电30%电池的最高电压就能得到有效维持可保养电池长期的健康电压较高的条件下驱动电子设备的循环次数可以提高根据不同的电池配方有效再放电次数甚至可达到近五到十倍的提升。所以使用至极低电量是损伤电池耐久性的行为也就是说增高的电压有可能活化电池的最大放电能力。2、不耐受过充过充电时电极脱嵌过多锂离子又没有及时得到补充长久可导致晶格坍塌从而不可逆的损毁电池性能更有可能因为带电离子不易流动能量蓄积而导致过热爆炸。因此厂商运送与储藏锂电池产品的时候一般是留仅三分之一以下的电量而持续插上充电器接头时首重的是避免保持满电状态以锂电池作为能量源的电动车常设计有70%左右的充电限制就是根据此点特性有些产品甚至建议日常保持低于50%如此容量衰退相对会比较少也代表锂电池必须经常使用要定时适当的使内储的电子流动。3、衰老怕热与其它充电电池不同锂离子电池会在使用循环中不可避免的自然缓慢衰退就算是储放着不使用容量也会减少这其实与使用次数无关除非是过度充放的循环导致的晶格损失这样的衰老过程称之为损耗较为合适除了本身化学材料的质变而且也与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高所以在工作电流高的电子产品更容易体现热衰现象另外也要避免外部气温所带来的影响。用钛酸锂取代石墨似乎可以延长寿命。储存电池的温度与容量永久损失速度的关系如下十、燃料电池燃料燃烧是一种剧烈的氧化反应通过燃料燃烧所释放的热能再转化为电能火力发电其能量转化率不高。那么能否利用原电池的工作原理将燃料和氧化剂如O2反应所放出的化学能直接转化为电能以此提高燃料的利用率呢燃料电池正是在这种思想下研制出来的。燃料电池是一种高效、环境友好的发电装置。燃料电池的能量转化率理论上高达85%—90%实际上已经达到40%—60%。以氢气作为燃料时产物为H2O以CH4作为燃料时产物为H2O和CO2CO2的排放量比常规发电厂可减少40%以上。燃料电池与干电池或蓄电池的主要差别在于反应物不是储存在电池内部而是由外设装备提供燃料和氧化剂等。这时的电池起着类似于试管、烧杯等反应器的作用。十一、钠离子电池钠离子电池Sodium-ion battery是一种充电电池主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作与锂离子电池相似。由于钠离子比锂离子更大所以重量和能量密度不及锂电但当对材料性能要求不高时钠离子电池是一种划算的替代品。因为钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐相较于锂盐而言储量更丰富价格更低廉。2021年宁德时代宣布将会在年内投产钠离子电池提供在有需要的使用场景中使用。