《科学探究：电流的热效应》教学设计 ————附：《科学探究：电流的热效应》导学案 【教学目标】 知识与技能 1、知道电流的热效应。 2、知道电流的热效应与那些因素有关。 过程与方法 通过实验探究电流的热效应与哪些因素有关。 情感、态度与价值观 1、领悟“从生活走向物理，将物理应用于生活”这一课改基本理念。 2、通过实验探究，培养合作学习的态度与意识。 【教学重难点】 重点探究电流的热效应与哪些因素有关。 难点培养学生的科学探究能力。 【教具准备】 1.5v 电池四节、开关、导线、定值电阻5Ω 一个、10Ω 两个、电流表、滑动变阻器、探头式数字温度计、口香糖锡纸等。 课前准备 观察：（1）在你家有哪些用电器属于电热器?记录下来。 （2）利用网络了解野外生存取火法之一“口香糖纸+电池”。 【创设情景，引入新课】 导入新课 生活中，许多用电器接通电源后，都伴有热现象发生。 教师提问： （1）PPT 图中用电器通电时都会产生什么现象？ （2）说明电流在工作过程中消耗的电能转化成了什么能？ 学生根据课本129 页上半部分内容总结得出：电流通过导体时电能转化成热能，这个现象叫电流 的热效应。 观看户外取火视频：电池+口香糖锡纸。
结合学案问题思考，用锡纸把电池两极直接相连，相当于把电池路，造成线路中过大。 模拟视频实验，验证真假。 演示实验1：用裁成细条的锡纸直接连接电源两极。 现象：锡纸热得冒烟后燃烧起来。 演示实验2：用一模一样但没有裁成细条的锡纸连接电源两极。 现象：锡纸没有燃烧。 演示实验3：用和1 一样裁成细条的锡纸串联一个小灯泡连接电源。 现象：锡纸没有燃烧。 同学们考虑：为什么有时电池能点燃锡纸，有时又不能。 1.教师提问：根据演示实验1,2 猜想电流的热效应与哪些因素有关？ 根据演示实验2,3 猜想电流的热效应与哪些因素有关？ 2.学生猜想：电流的热效应与导体的电阻有关； 电流的热效应与通过导体的电流有关； 电流的热效应与通电时间有关； 3、设计实验 问：要研究与多个因素是否有关时，我们得采用什么研究方法？（控制变量法）。课件 展示： 实验一、研究电流产生的热量与电阻的关系 问：①实验中要控制相同，使不同。②如何控制电流和通电时间相同？ ③如何比较电流通过导体产生热量的多少？引 导学生讨论实验步骤 4、进行实验 5、得出结论：1、在电流和通电时间相同时，电阻越大，电流通过导体产生的热量越多。实验 二、探究电流产生的热量与电流的关系 问：①实验中要控制相同，使不同。 ②如何改变通过导体的电流？ 引导学生讨论实验步骤 得出结论：在电阻和通电时间相同时，电流越大，电流通过导体产生的热量越多。引导 学生得出结论：在电流和电阻相同时，通电时间越长，产生的热量越多。
热分析技术在化学电池行业的应用 焦联联 耐驰科学仪器商贸（上海）有限公司 摘要： 电池是将物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置。在充电时它将电能转换为化学能，并以化学形式储存能量，放电时将化学能转换为电能，以电能形式释放能量。化学电池各个组成部分：如电极、电解质、隔膜、外壳等涉及材料类型众多，为了深入了解电池材料物理化学性质，热分析技术在材料的研究、探讨过程中被研究人员所广泛使用。 关键词：电池、化学电池、热分析 一、化学电池的分类 电池可分为化学电池和物锂电池。 1、化学电池的分类如下： （1）原电池（一次电池） 电池经过连续放电或间歇放电后，不能用充电的方法使两极的活性物质恢复到初始状态，即反应是不可逆的，因此两极上的活性物质只能利用一次。 原电池的特点是小型，携带方便，但放电电流不大。一般用于仪器及各种电子元器件。 常见的原电池有： 锌锰干电池Zn∣NH4Cl，ZnCl2∣MnO2 碱锰干电池Zn∣KOH∣MnO2 锌银电池Zn∣KOH∣Ag2O （2）蓄电池（二次电池） 电池工作时，在两极上进行的反应均为可逆反应。因此可用充电的方法使两极活性物质恢复到初始状态，从而获得再生放电的能力。 蓄电池能够充电和放电循环多次。常见的蓄电池有： 铅酸蓄电池Pb∣H2SO4∣PbO2 镉镍蓄电池Cd ∣KOH∣ NiOOH 锌空气电池Zn∣KOH∣O2（空气） 镍氢蓄电池MH∣KOH∣ NiOOH 锂离子电池LiCoO2∣有机电解质∣ C （3）燃料电池（连续电池）燃料电池是一种能量转换装置，在工作时必须有能量（燃料）输入，才能产出电能。普通蓄电池是一种能量储存装置，必须先将电能储存到电池中，在工作时只能输出电能，在工作时不需要输入能量，也不产生电能，这是燃料电池与普通电池本质的区别。燃料电池是将化学能转变为电能，普通蓄电池也是将化学能转变为电能，这是它们共同之处，但燃料电池在产生电能时，参加反应的反应物质在经过反应后，不断地消耗、不再重复使用，因此，要求不断地输入反应物质。普通蓄电池的活性物质随蓄电池的充电和放电变化，活性物质反复进行可逆性化学变化，活性物质并不消耗。 按电解质划分，燃料电池大致可分为五类：碱性燃料电池（AFC）、磷酸型燃料电池（PAFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）目前最常用的燃料电池为质子交换膜燃料电池（PEMFC）。 2、化学电池的基本组成部分 要组成一个电池必须要有以下几个基本组成部分， （1）电极 电极是电池的核心部分，主要涉及金属(合金)、石墨、活性炭、乙炔黑、或有机碳等(也有用碳化硼等材料)、粘结剂疏水性聚乙烯或聚四氟乙烯等。 （2）电解质 电池的主要组成之一，在电池内部担负着传递正负极之间电荷的作用。 （3）隔膜也叫隔离物
动力锂电池，是以锂离子电池为材料的一种高能量密度电池。磷酸铁锂具有很好的安全性能，因而是目前最理想的动力汽车用锂电正极材料。我国车企推出的纯电动车车型中，动力电池均为锂电池，奇瑞、比亚迪使用的均是磷酸铁锂。磷酸铁锂是引发锂电革命行业的一种新兴材料，是锂电池行业发展的最前沿。 下面将用波特五力模型分析动力锂电池行业： （一新进入者的威胁 新进入者在给行业带来新生产能力、新资源的同时，将希望在已被现有企业瓜分完毕的市场中赢得一席之地，这就有可能会与现有企业发生原材料与市场份额的竞争，最终导致行业中现有企业盈利水平降低，严重的话还有可能危及这些企业的生存。 磷酸铁锂行业有一定的门槛，不是谁来做就会做成功的，尤其是材料领域，技术壁垒很高，可以避免太多的竞争。作为新进入这个产业的企业，选择做材料可能要比做电池更为明智，因为现有的一些锂电池厂商很多，尤其是大厂的地位很难撼动，他们切入到磷酸铁锂电池更具优势。 由于制造动力电池涉及到电芯的组合，必须保证电芯的一致性，这样对电池的生产设备提出了更高更专业的要求，所以设备资金投入很大，一般来说，建设一条磷酸铁锂电芯生产线至少需要5000万元的启动资金。创业企业在进入这一领域有一定的 难度,传统的电池生产企业将具有较大的优势。 （二供应商的议价能力 供方主要通过其提高投入要素价格与降低单位价值质量的能力，来影响行业中现有企业的盈利能力与产品竞争力。 锂离子电池的性能主要取决于正负极材料，其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的，这些也正是动力电池最重要的技术指标。磷酸铁锂正极材料做出大
容量锂离子电池更易串联使用。以满足电动车频繁充放电的需要。具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜，寿命长等优点。 目前磷酸铁锂材料全球可查的产能是1500吨,如果按照未来5年内年产100万辆电动汽车的需求，每年就需要6万吨磷酸铁锂，潜在的供需缺口非常大，锂电池原材料之一是电解液，电解液约占锂电池成本12%,毛利率约40%,是锂电 产业链中盈利能力较强的环节之一。目前全国产能约 1.8万吨，供需基本平衡。 我国磷酸铁锂原材料丰富，价格低廉,这对于磷酸铁锂产业是一个极大的利好。 (三购买商的议价能力 购买者主要通过其压价与要求提供较高的产品或服务质量的能力，来影响行业中现有企业的盈利能力。 (1目前中国大陆锂电池产业正处于优胜劣汰的发展过程，唯具有技术和品牌优势的厂家，才有机会获得更大的市场空间。 (2电芯生产由于生产工艺和技术相对成熟，在有稳定的正极材料货源情况下，国内大部分锂离子电池厂商均能生产出磷酸铁锂电芯。 (四替代品的威胁 两个处于不同行业中的企业，可能会由于所生产的产品是互为替代品，从而在它们之间产生相互竞争行为，这种源自于替代品的竞争会以各种形式影响行业中现有企业的竞争战略 随着补贴和充电便利性的解决，新能源汽车市场将出现爆发式增长，而随着新能源汽车规模的迅速扩大，对动力电池、电机、电控等的需求也将显著增加，这有望成为未来10年行业增长的核心驱动因素。这其中，动力电池的性能对新能源汽车的发展
关于锂离子动力电池的成本分析 一、锂离子动力电池的目标市场 锂离子电池由于工作电压高、储能较大、无记忆性和质量轻等优势发展迅速，一直在移动通讯、笔记本电脑等电器上大量使用；近年来随着新能源汽车的推广，锂离子电池被认为是最有效的能量工艺装置；同时新能源（太阳能、风能）并网发电站项目建设步伐加快，锂电池组为代表的储能技术成为核心发展的对象。 针对电动汽车使用的电池以功率型电池为主，其特点是：电池的放电倍率很大，那么在设计过程中就要注意减小电池的内阻；在极片的选取上，高功率型的电池极片要厚些，在涂敷的厚度上，高功率型的电池极片要涂得薄些，这样锂离子和电子在电阻相对较大的电极活性物质上迁移的距离小，总内阻减小，可以支持大电流，以达到高功率的要求； 针对储能电池以能量型电池为主，其特点与功率电池相反。对于高能量型电池，放电的倍率较小，那么在综合考虑内阻和容量的时候可以把容量排在前面，当然在增大容量的过程中也要尽可能地减小内阻。 二、锂离子动力电池组的产业链状况
结合项目目前的状况，这里重点讨论电芯的成本情况，因为作为一个电池组（电池包），电芯是基础，多个电芯串并联组成电池组，多电池组串并联组成电池包，然后装在电动车上使用或做储能电源。而且其成本特性属于变动成本，后期电池组装过程中更多的与设备、软件等固定成本相关。电芯的关键是：正极（阴极）、负极（阳极）、电解液和隔膜。 三、锂离子电池的成本分析 1、正极（阴极）材料：锂离子电池的主要构成材料包括电解液、隔离材料、正负极材料等。正极材料占有较大比例（正负极材料的质量比为3: 1~4：1）,因此正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能，其成本也直接决定电池成本高低。目前锂离子动力电池场上主要使用以下五种材料：
电流热效应小实验 提出问题： 我们知道电流通过用电器时，电能转变成了其它形式的能，这时就说电流做了功；同时电流通过用电器时，一般用电器都会发热，我们把这种现象叫做电流的热效应。如何能够观察到电流通过用电器时的热效应呢？ 猜想与假设： 白炽灯是一种常见的用电器，电流在通过白炽灯时，电能不仅仅转变成了光能，同时还会放出大量的热量，这一点只要用手摸一下刚断电的白炽灯就会感受到。除了用手直接感受白炽灯发光时还同时发热，能不能用其他的方法来观察白炽灯发光时放出的热呢？ 设计实验： 实验材料：220V 60W 白炽灯1个，(白炽灯)灯座1个，插头1个，导线，纸杯1个，16开纸1张，挂历纸1张，（用完油）圆珠笔芯1支。 实验方法与步骤： （一）小风车的制作 1．从16开纸上剪下长约10厘米、宽约6毫米的纸条3条。 2．把每条纸条沿长边对折，按图1所示方法做成一个小风车。
3．再做一个小风车，然后把圆珠笔芯剪去一段后从风车顶端穿过，用透明胶固定牢固圆珠笔芯，做成风车座。如图2所示。 （二）线路的安装 1．把两条导线的一端接到灯座上，另一端接到插头上。 2．把纸杯底部开上一个能放灯座的孔，把灯座放入孔中。 3．灯座上安上白炽灯，用透明胶把风车座固定到灯泡上。如图3所示。
（三）观察风车的转动 1．用挂历纸卷成一个直径16厘米左右的圆柱形纸筒。 2．把风车放到风车座的圆珠笔芯笔头上，如图4所示。 3．把插头插到220V电源的插座上，接通电源。风车转动了没有，怎么风车没有转动。再等一会儿，风车还是没有转动？ 4．把卷好的纸筒套在灯泡周围，风车转动了没有？这回风车转动起来了。上下移动纸筒，观察风车转动的变化情况。
锂离子电池容量的数值模型分析 作者：冯毅／解晶莹 摘要：本文根据Bulter-Volumer和Fick定律，建立了研究锂离子电池的数值模型。基于数值模型，分析了不同电流情况下电池的容量变化。结果与实验情况符合较好，说明建立的数值模型可以有效的指导电池的设计。计算表明，正极内部的溶液浓度分布是大电流情况下电池容量下降的主要原因。 关键词：数值模型；容量 Abstract： A one-dimension and multi-size particle mathematical model was developed base on Bulter-Volumer equation and Fick law. The capacity at different current was studied. The model was validated by the good agreement between the predicted results and the experimental data. Simulation results revealed that the profile of concentration across the cathode is the mainly reason of capacity deterioration by high current. Key words: mathematic model; capacity 随着电动工具的普遍应用，锂离子电池在高倍率下的应用越来越受到重视。电池的倍率特性，成为了电池研究的热点。电池的倍率特性与很多因素有关：（1）正负极材料的固相扩散过程；（2）正负极材料的电化学过程；（3）电解液体系的迁移和扩散能力；（4）电池的电子电阻。而对于一个特定的体系，了解哪个因素是影响其倍率特性的主要原因，对于改善其倍率特性具有重要的意义。 数值电化学模拟，是研究各种过程的重要手段[1-6]。本文借助文献资料，采用数值分析，建立程序，对特定的电池体系进行了数值模拟，揭示了其不同过程对于电池容量的影响。 1、数学模型的建立 1.1 模型的假设和描述方程 为了模型研究方便，作如下假设： （1）集流体具有无限导电性； （2）正负极片为多孔电极，可用Newman方程进行描述； （3）正负极材料假定为球形，颗粒内部按照Fick定律扩散； （4）电解液按照稀溶液理论描述的行为进行； （5）为绝热体系； 根据Bulter-Volumer和Fick定律，描述基本方程参见文献[1]。
电热器 电流热效应讲解分析 知识点一 电热器及影响电流热的因素 1．电流的热效应 由于导体具有电阻，所以当电流通过导体时会发 热，将电能直接转化为内能，这种现象称为电流的热 效应。 2．电热器 主要利用电流的热效应工作的装置， 叫作电热器。主要组成部分是发热体，发热体是由电阻率大，熔点 高的电阻丝绕在绝缘材料上做成的。它的优点是没有 环境污染且热效率高。 3．探究影响电流热效应的因素 (1)提出问题：电流通过导体时产生的热量的多少跟哪些因素有关呢？ (2)猜想与假设：电炉丝跟连接它的导线是串联的，所以通过它们的电流相等，电炉 丝热得发红，而导线却几乎不发热，由此我们猜想电流的热效应跟电阻有关。 (3)设计实验：如图15 -3 -1(a)所示，将两根阻值不同的电阻丝串联在电路上，两根电阻丝分别放人两个完全相同的广口瓶中，两瓶中装有等质量的煤油，两瓶中各插入一支温度计测量煤油的温度。两根电阻丝串联，通过它们的电流相同，产生热量的多少可以通过两瓶中温度计示数的变化情况来间接显示。 (4)实验器材：电源、开关、导线、两个相同的广口 瓶、煤油、两支温度计、两只阻值不同的电阻丝。 (5)实验过程：按如图15 -3 -1(b)所示的电路图连接好电 路，先记下两个广口瓶中煤油的初温t 0，然后闭合开关， 经过相同的时间，再次记下两个广口瓶中煤油的温度，至 少记录3次，并将实验数据填写在下面的表格中。 (6)实验现象及结论：通过实验我们发现阻值大的电阻丝所在广口瓶内 煤油的温度升高得多，这说明在电流相等时，导体的电阻越大，产生的热 量越多。实验表明：在电流一定时，导体产生的热量跟电阻成正比。 若将上面的实验电路改为并联电路（见图15 -3 -2），就可以探究电压 一定时，导体产生的热量跟导体电阻的关系。实验表明：在电压一定时， 导体产生的热量跟电阻成反比。 6．电流热效应的利用和防止 (1)电流的利用：电热器是利用电流的热效应来加热的设备，比如电热毯、电热水壶、 电炉等。 (2)防止电热的危害：在电动机、电视机等电器中，电热会造成危害，为了防止使用电 器时温度过高引起绝缘材料迅速老化造成危害，应采取措施散热。 【例题精析】 特别警示 电流的热效应是将电能转化为内能。家中使用的电饭锅工作时将电能转化为内能，用以加热食物；洗衣机工作时将电能转化为机械能；录音机工作时要将电能转化为机械能；电视机 工作时主要将电能转化为声能和光能。
电动汽车电池热特性及电池组风冷散热研究本文在国家自然科学基金(No.51675258,51261024,51075372)、江西省科技计划项目(No.20141BBE50021)和鸥瑞智诺能源科技(天津)有限公司资助下,针对当前电动汽车领域,电池组在工作过程中热量积累过多、箱体内部温度过高、对环境适应能力差,致使动力电池组在热滥用条件下工作时,出现电池性能下降,循环寿命缩短等一系列问题。首先,分析了目前电池模组主要的排列方式以及电池箱体散热结构特点,有相关学者只研究了箱体进风口开设对箱体内部温度场分布的影响,却未对出风口做过多研究,本文结合圆柱电池特点,首先提出了在箱体不同位置处开设进、出风口结构;其次,运用实验结合计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真的方法,采用18650型号的圆柱电池建立二维模型,研究了电池箱不同排列及进、出风口开设下,在同一风速时,箱体内部的温度场、速度场变化规律;最后,运用相关实验及CFD仿真,研究了圆柱电池三维模型在不同排列下,其风冷散热的有效性以及所存在的局限性,为后续电池组热管理系统设计提供理论指导以及可靠性依据,甚至还可以节省热管理系统开发成本等。本文研究对象为目前主流的车用锂离子电池,主要是从如下几个方面来做的研究:1、论述了本研究方向的选题背景及研究意义,综述了电动汽车动力电池的发展、动力电池热管理系统国内外研究现状,分析了目前热管理系统所存在的优点及不足,基于此,提出了本论文的研究内容和创新点。 2、考虑到锂离子电池的结构特点,对不同结构的电池进行了生热机理分析,对其电池热物性参数进行了计算,同时,在直角坐标系及圆柱坐标系下按照动量、质量以及能量守恒定律分别建立了不同结构下的导热微分方程,为后续电池温度场研究奠定基础。 3、针对锂离子电池单体做了不同温度下的充放电容量测试以
1引言 近十年来光伏市场每年以超过40％的速度发 展[1， 2] ，其中晶体硅太阳电池占到90％以上[3]。太阳电池的新结构和新工艺不断出现，其中采用激光技术来制备太阳电池或替代现有太阳电池某些工艺环节，来提高效率、降低成本和减少电池生产中的污染，是目前太阳电池研究和开发的热点。用到了激光工艺的刻槽埋栅太阳电池已经被西班牙BP Solar 公司实现产业化，德国夫郎霍费尔研究所（Fraunhofer ISE ）用激光烧结背电极的太阳电池效率也超过21%。本文介绍激光热效应，综述激光热效应在太阳能电池制备中的具体应用，提出其中普遍存在的问题，并展望激光在太阳电池中的工业化应用前景。 2激光热效应 激光聚焦后照射在材料表面时，部分被反射，部分被吸收，部分被传递进入晶体，三者的比例取决于激光波长和材料的色散关系及能带结构[4],其中被吸收的那部分能量才对硅基表面起作用。光能以声子和电子激发到高能态的形式被吸收，并扩散至临近原子区域。 随着吸收的能量越来越多，材料温度不断升高，升高的速度取决于材料中能量吸收与能量消散之间的比例。温度升高后，材料的光能吸收的比例也提高，这样愈发加剧材料的升温速度。在光吸收长度距离内，材料吸收能量转化的热能整体扩散距离大致为 L =（4D τ）1/2 ，其中L 为扩散距离，D 为热扩散系数，τ 为激光的脉冲宽度。当L 远大于吸收长度，受辐照表 激光热效应在高效太阳电池工艺中的应用 Application of Laser Thermal Effects in Fabrication Process of High Efficiency Solar Cells 张陆成王学孟沈辉 中山大学 光电材料与技术国家重点实验室，广东广州51027!" 5 Zhang Lucheng Wang Xuemeng Shen Hui State Key Laboratory of Optelectronic Materials and Technologies,Sun Yat-sen University,Guangzhou,Guangdong 510275,China !"摘要综述了激光热效应在高效太阳电池制造中的应用，如激光掺杂和激光烧结工艺；介绍了这两种工艺的具体典型实例：激光掺杂有选择性发射结太阳电池、激光掺杂半导体指栅太阳电池、激光烧结电极太阳电池等。总结了激光热效应在高效太阳电池工业化生产应用中所存在的问题并预测了其应用前景。 关键词太阳电池；激光掺杂；选择性发射结；激光烧结；半导体指栅；高效Abstract The application of laser thermal effects,laser doping and laser firing,in high efficiency solar cell fabrication is summarized.Examples of solar cells using thermal effects are introduced,such as laser doped selective emitter solar cells,laser doped semiconductor solar cells,and laser -fired contacts solar cells.Problems in the application of laser thermal effects in the solar cell industrial production are concluded,and their prospective is predicted. Key words solar cell;laser doping;selective emitter;laser-fired contacts;semiconductor finger;high efficiency 中图分类号：TM914.4TK51doi ：10.3788/LOP20094605.0041
中考物理实验专题突破针对训练： 实验二十五探究影响电流热效应的因素 ◎核心考点： 【设计与进行实验】 1.主要实验器材选取及作用： （1）加热材料的选用：用煤油或空气（相比于水：①煤油是绝缘体； ②煤油和空气的比热容小，可以使实验现象更明显）； （2）选择加热物质的要求：①物质种类、质量和初温均相同；②绝缘体。 2.实验步骤： （1）探究电流产生的热量与电阻的关系 将两个容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两电阻丝的电流相同，通电一段时间后，比较两个容器中U型管液面的高度变化情况，发现与右边容器相连的U型管液面高度变化更大一些。如图1所示：
图1 图2 图3 结论：在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。 （2）探究电流产生的热量与电流的关系 如图2所示，两个密闭容器中的电阻丝阻值都是5Ω，在右侧容器的外部，将一个5Ω的电阻与这个电阻并联，因此通过左侧容器中电阻丝的电流大于通过通过右侧 容器中电阻丝的电流。在通电时间相同时，观察两个U型管中液面高度的变化。 发现与左侧容器相通的U型管液面变化更大一些。 结论：在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。 （3）探究电流产生的热量与时间的关系 如图3所示，将这套装置接到电源两端，在通电过程中，只观察与左边容器相通的U型管的液面高度变化情况，发现随着通电时间越长，U型管中液面高度变化越大。 结论：在电流相同、电阻相同的情况下，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多。 【实验结论】
导体产生的热量与电流、电阻和通电时间有关：①在电流和通电时间相同的情况下，电阻越大，电流产生的热量越多；②在电阻和通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，电流产生的热量越多；③在电阻和通过电阻的电流相同的情况下，通电时间越长，电流产生的热量越多。 【实验方法】 （1）转换法：通过U形管液面高度的变化反映产生电热的多少；（2）控制变量法： ①探究电热与通电电流的关系：控制电热丝阻值和通电时间相 同，改变通过电热丝的电流大小； ②探究电热与电阻的关系：控制电热丝的电流和通电时间相同，选择两个不同阻值的电阻丝； ③探究电热与通电时间的关系：控制电热丝的阻值和电流相同，改变通电时间的长短； 【交流与讨论】 （1）容器内加热物质为空气的原因：气体的热胀冷缩明显，使现象更加明显； （2）多次测量的目的：避免实验的偶然性，让实验结论更具有普遍性； ◎针对训练 下图是探究电流通过导体时产生热量的实验，甲、乙两套装置中各有两个相同的透明容器.其中密封着等量的空气和一段电阻丝（阻值在
《化学反应的热效应》教学设计 一、教学内容分析： 鲁科版化学选修四——《化学反应原理》第一章第一节化学反应的热效应，第一课时。 本节内容是在必修二第二章对化学反应中能量的变化有初步介绍的基础上的进一步深化和再认识。本节以能量变化的一部分——热效应为主线索，首先定义了反应热的概念，然后重点介绍了定量测定反应热的实验方法。使学生对反应热有个初步概念，并学会测定反应热的基本原理和方法，同时提高学生动手以及分析解决问题的能力。在本节学完之后是学生不但对化学反应中能量变化的实质过程有了更充分的认识，而且打下了化学热力学的初步基础，为以后的进一步深入研究提供了巨大的方便。 二、学生学习情况分析： 学生已掌握了化学反应过程中，破坏旧化学键，需要吸收一定的能量；形成新化学键时，又要释放一定的能量。即化学反应过程中，存在化学能与热能之间的转化。也了解几种常见的放热反应和吸热反应。但本节内容均为化学原理，学习起来比枯燥难懂。另外测定中和反应的反应热这个定量实验与以往所做的物质定性实验有所不同。学生要学会对实验数据进行分析、判断实验误差和操作正确与否。这是学生学习过程中存在的难度。 三、设计思想： 由于本节内容较抽象难懂，与以前所学知识联系较少，故在教学中采用多台阶、小步伐的方法，层层推进，并结合实验探究等方法使学生的能力在不知不觉中得到提高。具体教学环节在引入时可通过铝热反应、氯化铵与消石灰的放热反应和吸热反应的不同来吸引学生的注意力，同时提出问题：为什么会有这样的区别此时提出反应热的定义，同时进行讲解与说明。再介绍反应热的测量仪器——量热计，大体介绍其结构、工作原理等，此时可比较热容和比热的概念的区别，然后组织学生进行探究活动——测定中和反应的反应热实验，同时体会反应热的求算公式。探究活动后，再组织学生分析实验数据，针对“如何提高测定结果的准确性”这一问题展开讨论，使学生进一步明确该实验操作中的注意问题；同时使学生体会定量实验的特点及其与定性实验的区别。也是本节课应重点说明的地方。最后应做一定量的巩固训练，本节课即以完成。 四、教学目标： 知识与技能目标： 通过对化学反应热效应相关知识的学习，使学生能在定量的水平上重新认识与描述化学反应的能量变化。 过程与方法目标： 通过“联想·质疑”等活动，训练学生的思维能力；通过“活动·探究”等实践活动，对学生进行定量试验的基本训练；通过“交流·研讨”等学生互动和师生互动活动，培养学生的动手、动脑能力以及获取、分析处理、归纳信息的能力；通过阅读“拓展视野”“资料在线”等资料，扩大学生的知识面，增加学生全面的能力。 情感态度价值观目标： 通过本节的学习使学生能从能量角度比较深刻的了解化学科学对人类的贡献，通过进一步了解化学的研究特点，激发学习的兴趣，建立基本的化学科学思维。 五、教学重点和难点：
实验二十五探究影响电流热效应的因素 ◎核心考点： 【设计与进行实验】 1.主要实验器材选取及作用： （1）加热材料的选用：用煤油或空气（相比于水：①煤油是绝缘体；②煤油和空气的比热容小，可以使实验现象更明显）； （2）选择加热物质的要求：①物质种类、质量和初温均相同；②绝缘体。 2.实验步骤： （1）探究电流产生的热量与电阻的关系 将两个容器中的电阻丝串联起来接到电源两端，通过两电阻丝的电流相同，通电一段时间后，比较两个容器中U型管液面的高度变化情况，发现与右边容器相连的U型管液面高度变化更大一些。如图1所示： 图1 图2 图3 结论：在电流相同、通电时间相同的情况下，电阻越大，这个电阻产生的热量越多。（2）探究电流产生的热量与电流的关系 如图2所示，两个密闭容器中的电阻丝阻值都是5Ω，在右侧容器的外部，将一个5Ω的电阻与这个电阻并联，因此通过左侧容器中电阻丝的电流大于通过通过右侧容器中电阻丝的电流。在通电时间相同时，观察两个U型管中液面高度的变化。 发现与左侧容器相通的U型管液面变化更大一些。
结论：在电阻相同、通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，这个电阻产生的热量越多。 （3）探究电流产生的热量与时间的关系 如图3所示，将这套装置接到电源两端，在通电过程中，只观察与左边容器相通的U 型管的液面高度变化情况，发现随着通电时间越长，U型管中液面高度变化越大。 结论：在电流相同、电阻相同的情况下，通电时间越长，这个电阻产生的热量越多。 【实验结论】 导体产生的热量与电流、电阻和通电时间有关：①在电流和通电时间相同的情况下，电阻越大，电流产生的热量越多；②在电阻和通电时间相同的情况下，通过电阻的电流越大，电流产生的热量越多；③在电阻和通过电阻的电流相同的情况下，通电时间越长，电流产生的热量越多。 【实验方法】 （1）转换法：通过U形管液面高度的变化反映产生电热的多少； （2）控制变量法： ①探究电热与通电电流的关系：控制电热丝阻值和通电时间相同，改变通过电热丝的 电流大小； ②探究电热与电阻的关系：控制电热丝的电流和通电时间相同，选择两个不同阻值的电阻丝； ③探究电热与通电时间的关系：控制电热丝的阻值和电流相同，改变通电时间的长短；【交流与讨论】 （1）容器内加热物质为空气的原因：气体的热胀冷缩明显，使现象更加明显； （2）多次测量的目的：避免实验的偶然性，让实验结论更具有普遍性； ◎针对训练 下图是探究电流通过导体时产生热量的实验，甲、乙两套装置中各有两个相同的透明容器.其中密封着等量的空气和一段电阻丝（阻值在图中已标出），U形管中装有等量的液体，接通电源，观察现象.
锂离子电池动态模型浅析 前言 2011年是我国“十二五”规划的开局之年，也是新能源汽车产业化的起步之年。在我国汽车产业的“十二五”规划中，新能源汽车被列为我国汽车行业今后5年发展的重中之重。作为国家节能减排的重要组成部分，新能源汽车更是被列为加快培育和发展的七大战略性新兴产业之一，将继续在资金和政策层面给予重点支持。 目前较大的汽车公司都设有新能源研究中心，其中电池的研究和管理是其中的重要的研究方向之一。 应用背景 因为电池通常由电池厂家提供，所以汽车公司的电池研究部门并不进行电池本身的研发。汽车公司电池研究部门对电池的研究主要集中在电池（组）的性能评价、电池应用研究、电池动力学模型建立等方面。 电池在放电和充电过程中，如果充放电的方式不一样，则电池端电压～时间曲线和热损耗～时间曲线不一样。而电池端电压～时间曲线和热损耗～时间曲线的信息对电池管理系统十分重要。因此，有必要建立电池的动力学模型，以此来预测电池在不同放电方式下的电池端电压～时间曲线和热损耗～时间曲线。 电池动力学模型的建立需要用到电化学交流阻抗技术（EIS）。本文浅析了电化学交流阻抗技术在建立电池动力学模型上的应用。
电化学交流阻抗技术在电池开发中有着广泛应用，经典的锂离子电池等效电路模型如下： LR(CR)(CR)W 图1 阻抗元件 物理含义 L 对应导线电感 Rs 对应溶液电阻 Rsei 对应SEI 膜电阻 Rct 对应电荷传递电阻 Csei 对应SEI 膜电容 Cdl 对应电荷传递界面电容 W 对应扩散 说明：虽然通常采用CPE 元件来代替C，但是为了计算方便，本文直接采用C，由此导致的误差对于模型而言也可以接受。 W 元件的阻抗表达式为： 式（1）中，σ为常数。 W Z j σσ =?? （1）
2011年第69卷化学学报V ol. 69, 2011第17期, 1987～1990 ACTA CHIMICA SINICA No. 17, 1987～1990 hujh@https://www.doczj.com/doc/4c15664310.html,; yjsun@https://www.doczj.com/doc/4c15664310.html, * E-mail: Received May 4, 2011; revised May 15, 2011; accepted May 22, 2011. 国家自然科学基金(No. 50873029, 51073042, 51103026)、上海科技创新行动计划(No. 08431902300)和上海市自然科学基金(No. 11ZR1403100)资助项
1988化学学报V ol. 69, 2011 相对很少. 汽车动力电池是由单体电池组合而成的巨大电池组, 对大电流充放电有较高要求, 其内部散热条件要求远高于常规手机电池. 如果电池在充放电过程中产生热量过大又不能及时散发, 将导致温度不断升高, 影响电池的正常工作甚至造成安全事故. 因此, 十分有必要对磷酸铁锂电池在充放电过程中的热效应进行研究. 本文中, 我们以1865型磷酸铁锂电池为例, 系统地研究了电池在绝热、隔热和自然散热条件下充放电过程的热效应, 为磷酸铁锂电池在电动汽车方面的应用打下基础. 1 实验部分 1.1 仪器与试剂 磷酸铁锂(LiFePO4)购于天津斯特兰能源科技有限公司, 天然石墨和乙炔黑购于无锡东恒新能源材料有限公司, 聚偏氟乙烯(PVDF)购于上海东氟化工科技有限公司, N-甲基吡咯烷酮(NMP)购于上海新高化学试剂有限公司, 电解液用1 mol/L的LiPF6/碳酸乙烯酯(EC)＋碳酸二甲酯(DMC)＋碳酸甲乙酯(EMC), 其中EC, DMC 和EMC的重量比为1∶1∶1. 电池的充放电实验采用CH9906型锂离子电池自动检测柜进行, 电流、电压和温度数据采用安捷伦数据采集仪(34970A)进行采集. 1.2 1865型磷酸铁锂电池的制备 以LiFePO4为正极材料, PVDF为黏结剂, 乙炔黑为添加剂制作正极极片. 先将PVDF溶解在NMP中, 再加入LiFePO4和乙炔黑充分搅拌混合均匀, 然后将浆料均匀涂布在铝箔上. 负极极片以天然石墨为材料, 涂布的基体为铜箔, 制作方法同正极极片. 将极片进行烘干、压片、裁片、卷绕、注液后, 组装成1865型(直径18 mm, 高度65 mm的圆柱形)的锂离子电池. 经测量电池重量为38.32 g, 容量为1300 mAh. 1.3 电池热效应实验 将待测的1865型磷酸铁锂电池先用石棉包裹, 再用隔热海绵完全包裹后放入钢壳中, 然后将钢壳置于恒温水浴中. 电池采用4线接法连接检测柜, 进行不同大小电流的充放电实验. 在实验过程中不断调整水浴温度与电池表面温度接近来实现绝热环境. 实验全程采用安捷伦数据采集仪来记录电池电压、电流、电池表面温度和钢壳温度. 2 结果与讨论流通过单体电池之间的连接件时所发出的热量(Q外); (2)各单体电池内部的化学反应热, 属于可逆热(Q可逆); (3)单体电池内部充放电时克服阻抗所发出的热量, 属于不可逆热(Q不可逆). 电池在充放电过程中所放出的总热量Q总＝Q外＋Q可逆＋Q不可逆. 当控制环境温度与电池表面温度非常接近时, 电池产生的热量不能向环境散发, 只能转化为电池的温度上升. 在绝热条件下, 1865型磷酸铁锂电池1 C (I＝1. 3 A)充电过程中电池温度上升了28.6 ℃, 如图1所示. 在整个充电过程中, 电池的温度与环境温度基本一致, 说明电池是处于绝热环境中的. 锂离子电池的比热约为1.0 J?g－1?℃－1, 电池的质量为38.32 g, 可以计算电池完成1 C充电的热功为Q＝C×m×ΔT＝1.0×38.32×28.6＝1096 J. 充电过程中的电功W充＝∫U电池×I×d t＝16820 J, 如外部连接线的电功全部转化为热量, 则Q外＝∫(U外－U电池)×I×d t＝221 J. 图1 绝热条件下电池1 C充电温度和电压变化图Figure 1Temperature and voltage of battery charged with 1 C in adiabatic condition 从图2中我们可以发现, 电池1 C放电过程温度上升了21.8 ℃, 发热量为Q＝C×m×ΔT＝1.0×38.32×21.8＝833 J, 明显小于充电过程, 这是因为电池在充电过程中有可逆的放热反应发生, 在放电过程中该可逆反应为吸热过程. 放电过程中的电功W放＝∫U电池×I×d t＝14985 J, 外部连接线的电功全部转化为热量, Q外＝∫(U外－U电池)×I×d t＝232 J. 1 C充放电过程中的电功差W充－W放＝16820－14985＝1835 J, 与电池充放电过程中所放出的热量和1096＋833＝1929 J大致相当, 说明实验设计基本合理. 假设在绝热条件下的恒流充放电过程中, 电池和连接件的电阻和比热不随温度、电流和充放电深度(DOD)变化, 则根据Q总＝Q外＋Q可逆＋Q不可逆可以计算出电池在1 C充放电过程的Q不可逆为738 J, Q可逆为137 J. 因此, 电池在充放电过程中不可逆发热量是主要的热量来源, 即电子、离子传导时克服电池内部阻力会产生大量的热
锂离子电池和电池组的产热功率分析和仿真 温度对于锂离子电池而言非常重要，低温会导致锂离子电池的电性能降低（容量、倍率性能），但是能够提高锂离子电池的存储寿命，高温能够提升电性能（容量、倍率性能），但是会降低电极／电解液界面的稳定性，引起循环寿命的快速衰降。对于一个由众多电池组成的电池组而言，电池组内部的温度不均匀分布会导致单体电池的性能产生很大的差异，从而导致单体电池之间不均匀的衰降，最终导致电池组的失效，例如北京大学的Quan Xia等人采用A123的LFP电池进行电池组的模拟和仿真试验发现，通过改变电池组的结构，将电池组内的最大温差从4.62K降低到2.5K能够将电池组累计充电600Ah后的可靠性从0.0635提高到0.9328（详见链接：《电池组“可靠性”的影响因素和模型计算》）。 锂离子电池的使用工况对于离子电池的产热具有很大的影响，例如高倍率充放电会在电池内短时间累积更多的热量，而小倍率下则几乎能够实现热平衡，减少电池的温升。江苏大学的徐晓明（第一作者，通讯作者）等人对55Ah单体电池和电池组的产热功率和温度分布情况进行了研究分析，研究表明单体电池的发热功率会随着环境温度的升高、电池SoC和充放电倍率的降低而降低，对电池组的热分析发现温度最高的区域集中在电池组中央区域，并且发现采用空气散热时气流更容易从电池组的上方流过，因此导致冷却效果不佳。 试验中作者采用了55Ah的方形锂离子电池，电池共有5个测温点，其中两个位于电池的低部、三个位于锂离子电池的侧面，如下图a所示。电池的产热可以通过温升和电池的比热容来计算（如下式所示），其中Q为电池产热量，C 为电池的比热容，m为电池的质量， T为电池的温升，如果进一步将 p 下式除以时间t，我们能够得到电池的产热功率。
收稿日期:2008-04-10基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2002C B 211800)作者简介:杨凯(1977—),男,博士,副教授,E -m ail :yk bit @bit .edu .cn . 第28卷 第9期 2008年9月 北京理工大学学报 T r ansactio ns of Beijing Institute of Technolo gy V ol .28 No .9Sep .2008 电动汽车动力电池的热效应模型 杨凯, 李大贺, 陈实, 吴锋 (北京理工大学化工与环境学院,北京 100081) 摘 要:综述了国内外电池热效应模型的研究进展,归纳总结了动力电池热效应模型通用的建立方法及参数确定的计算或实验过程.基于一系列简化和假设,建立方程并确定相关参数,建立模型.结合所进行的电池热效应研究工作,提出改进电池热效应模型的意见,在模型建立中采用微量热仪对热量产生速率进行精确测定代入模型,并在实验中验证模型改进的效果,实验验证表明,模型的计算结果与实验结果吻合.关键词:动力电池;热效应;建模 中图分类号:T M911 文献标识码:A 文章编号:1001-0645(2008)09-0782-04 Thermal Model of Batteries for Electrical Vehicles YANG Kai , LI Da -he , CH EN Shi , WU Feng (Schoo l of Chemical Enginee ring and the Environment ,Beijing Institute o f T echno log y ,Beijing 100081,China ) A bstract :Therm al mo del can be used to analyze and predict the therm al behavior o f batte ries fo r electrical vehicles .Based o n recent research on thermal m odel of batteries ,this paper provides a general method to develop thermal m odel for electrical vehicle batteries ,and the determination of paramete rs through calculation or ex periment .An equa tion based o n a series of assum ptions is e stablished and so lved .Parameters o f the model are thus determined ,and modelin g completed .Incorpo rating present researc h on the thermal behavio r of N i /M H battery ,suggestio ns are put fo rw ard to improve the thermal model .The applica tion of microcalorimete r in ex periments to measure heat generation rate precisely is proved to be effective in ex periments .Result of calculation matched the experimented result very w ell . Key words :electrical vehicle batte ry ;thermal behavio r ;modeling 电动汽车相对于传统汽车具有能量效率高,环境污染小的特点,已成为世界各国研究的热点.动力电池作为电动汽车的重要组成部分,其性能直接影响电动汽车的性能.在众多现行研究开发的动力电池中,锂离子电池和镍氢电池成为目前的研究热点 [1] . 由于电池内部的电化学反应和电流产生的焦耳热,动力电池在使用时都会产生热量,如果这些热量未及时消散,将导致电池温度升高.尤其在温度超过50℃时,电池的性能和循环寿命都会下降[2].在大多数情况下,电池只能采用被动散热,因此,需要 对电池在不同使用条件下的热效应进行研究,针对电池的热效应行为进行相应的设计[3-4],在热效应数学模型可以模拟电池在应用条件下的热效应行为,并用于指导电池的设计和改进.作者介绍了建立电池热效应模型通用的数学和实验方法. 1 电池热效应模型的建立和检验 电池热效应模型的建立可以采用流体动力学方法.现有电池系统的热效应模型一般将电池内部视为一个温度场,内部热源均匀分布,通过建立输运方程并引入若干边界和初始条件计算求解得到电池内 DOI :10.15918/j .tbi t1001-0645.2008.09.013