第2章 化学电源的基本概念

1 概述

电化学电池是一种把氧化还原反应所释放出来的能量直接转变成低压直流电能的装置。化学电源具有其他电源所不具备的优点：

①能释放能量又能储存能量，化学电源中的蓄电池能够把xx能源转换成电能储存起来；

②能量转换率高，工作时对于环境及其设备没有污染，没有噪音；

③工作范围宽广，对环境适应性强，高低温、振动、冲击、失重等条件下均可正常工作；

④电池的主要参数电压、电流、容量及电池形状均可在较宽的范围内变动，因此电池可设计成任意形状和大小；

⑤携带方便、使用简单，具有长期储存能量和瞬时放出能量的能力。

1.1 工作原理

    在化学电源的装置中，可实现氧化还原反应中还原剂失去电子的氧化过程和氧化剂得到电子的还原过程，从而得到电流。为了区别于化学反应中的氧化还原反应，电池中的氧化还原反应称为成流反应。

    电池要实现化学能转变成电能的过程，必须满足如下条件：

    ①化学反应中失去电子的氧化过程（在负极进行）和得到电子的还原过程（在正极进行），必须分别在两个区域进行，这不同于一般化学反应的氧化还原反应；

    ②两电极间具有离子导电性的物质；

    ③化学变化过程中电子的传递必须经过外线路，这一特点区别于腐蚀的。

    实用的蓄电池体系还应满足3个条件。

    ①在一个电极上进行的电化学反应正向和逆向均可顺利进行。放电后的产物，可以借助通过反向直流电使其活性物质恢复。

    ②只采用一种电解液，以避免因两种电解液之间不可逆的扩散导致在充电时不能回复的弊病。

    ③电池放电时生成的固体产物要难溶于电解液中，以避免充电时枝晶过早出现和两极活性物质相互转移，从而保证蓄电池有足够的使用期限。

    这些条件限制了实用蓄电池的电化学体系。

1.2 化学电源的基本组成

    为了满足构成化学电源的条件，电池需包含以下基本组成。

    （1）正极活性物质 也称去极剂，具有较高的电极电势，电池工作（放电）时进行结合电子的还原反应或阴极过程。为了与电解槽的阴极相区别，在电池中称为正极。

    （2）负极活性物质 具有较低的电极电势，电池工作时进行氧化反应或阳极过程，给出电子，通过外电路传给正极。为了与电池槽的阳极相区别，在电池中称为负极。

     （3）电解质 提供电池内部离子导电，有的电解质也参加电极反应而被消耗。大多数为无机电解质水溶物，固体电解质、熔融盐电解质、非水溶液电解质和有机电解质也占有小部分。

    （4）隔膜 为了保证正、负极活性物质{jd1}不因直接接触而短路，又要使正、负极之间尽可能保持小距离，以便使电池具有较小内阻，而需要在正、负极之间置以隔膜。

      对隔膜材料要求：能耐电解质的腐蚀和正极活性物质的氧化作用，制得的隔膜应有足够的孔隙率和吸收电解质溶液的能力，以保证离子运动而导电。

      隔膜材料本身都是绝缘性能良好的材料，如橡胶、玻璃丝、聚丙烯、接枝聚乙烯、聚氯乙烯等，以防止正负极之间的电子传递和接触，此外还要保证离子导电，故要求制成多孔的膜状物，以吸收足够的电解液。

      （5）外壳 是电池的容器。电池的外壳材料必须能经受电解质的腐蚀，而且具有一定的机械强度。蓄电池用硬橡胶，碱性蓄电池用镀镍钢材。近年来，各种工程塑料，诸如尼龙、ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）、聚丙烯（PP）、聚丙乙烯（PS）等已成为电池外壳常用的材料。

    除上述各主要组成外，还常常需要导电栅、汇流体、端子等零件。

    电池可以制成各种形状和结构，如圆柱形、扣式、扁平形和方形，并用各种不同方式进行密封，，以防漏液和干涸。

    基本的电化学电池单元成为电池，由两个或多个电池通过串联、并联或串并联组成所需电压和容量的整体称为电池组。

1.3 电极的组成

    化学电源中实际使用的电池除参加成流反应的活性物质外，还包含其他组成。电极可分为主要或分、次要成分和添加剂三类物质。

（1）主要成分 参加成流反应的物质，称为活性物质。它决定了电池的体系和电压。电池表达式中的物质均为主要成分。例如：

（—）Cd|KOH|NiOOH（+）

（—）Pb|H₂SO₄|PbO₂（+）

（2）次要成分 不参加电极反应，但在构成电极时决不能缺少。例如作为支撑活性物质的极板栅、导电网等，它又是电流的集聚体。

（3）添加剂 这类物质加入量很少，但很重要，有特定的目的。

①阻化剂，加在负极活性物质中，能提高氢的超电势，减小电池的自放电或防止氧化，支撑干荷电极板。

②去钝化剂，加在负极中，防止在充放电过程中比表面积收缩，防止在低温、大电流放电时负极钝化，也成为膨胀剂。

③电催化剂，作用是促进电极反应，减轻极化，如气体扩散电极中使用的催化剂铂、钯、瑞尼镍等。

2    电池分类

    电池的种类及其分类方法均比较多，通常按电池工作的性质，电解质以及电极材料来进行分类。不过各种方法都有一定的局限性，均不能反映电池的全貌。目前常把电池分为四类。

（1）原电池 也称一次电池，其活性物质用尽后不能用充电的方法使之恢复，只能放弃。如锌-二氧化锰电池、铝-氧（空气）电池、锌-氧化汞电池、锂-二氧化锰电池等。电液不流动的电池称“干电池”。

（2）蓄电池 也称二次电池，其活性物质消耗尽后可利用充电的方法使之恢复，因此电池得以再生，如铅-二氧化铅电池、锌-氧化银电池等。

   电池内部反应自发发生并向电池外部用电设备输出电流的过程称为放电。反之，向电池内输入电能既有与放电电流方向相反的电流通过电池，电池内部发生与放电反应相反的反应，此过程称为充电。

二次电池为电能存储装置，故称为蓄电池。

某些称为机械再充电式的电池，是通过更换电池中已经放完电的一个电极，以达到电池可再使用的目的。通常是更换金属阳极，另一极是能叫长期使用的氧（空气）电极。例如铝-空气电池、锌-空气电池。

（3）贮备电池 这类电池的某一重要组成与电池其他组成分开，这是自放电排除，故电池可长期保存。通常电解质被隔离，使用前以不同方法迅速加入电解液，电池即放电，此过程为“”