锂离子电池的工作原理 锂离子电池的结构如图2.1和图2.2 所示,一般由正极、负极和高分子隔膜构成。 锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径,目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物,如Li x CoO2,Li x NiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等,这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物Li x C6,其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(Li x CoO2)和有机电解液三部分组成。 锂离子电池的电化学表达式: 正极反应: 负极反应: 电池反应: 式中:M=Co、Ni、Fe、W等。 图2.1 锂离子电池结构示意图图2.2 圆柱形锂离子电池结构图锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池,正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时,Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,此时负极处于富锂态,正极处于贫锂态;放电时则相反,Li+从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极,正极处于富锂态,负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此,在充放电循环时,Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应,Li+便在正负极之间来回移动,所以,人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池”。 锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池,它基本解决了
困扰锂蓄电池发展的两个技术难题,即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是:在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极,采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是:在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此,这种电池的工作原理更加简单,在电池工作过程中,仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说,当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌,在碳负极中嵌入,放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化,故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。 锂离子电池的主要性能 锂离子电池的额定电压为3.6V(少数的是3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关:石墨的4.2V;焦炭的4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在±1%之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4~2.7V(电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同)。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。 其使用有一定要求:充电温度:0℃~45℃;保存温度:-20℃~+60℃。锂离子电池不适合大电流充放电。一般充电电流不大于1C,放电电流不大于2C(C 是电池的容量,如C=950mAh,1C的充电率即充电电流为950mA)。充电、放电在20℃左右效果较好,在负温下不能充电,并且放电效果差[4],(在-20℃放电效果最差,不仅放电电压低,放电时间比20℃放电时的一半还少)。 锂离子电池的充放电特性 锂离子电池的标称电压为3.6V,充满电压为4.2V,对过充电和过放电都比较敏感。为了最大限度减少锂离子电池易受到的过充电、深放电以及短路的损害,单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。其充放电特性如图2-3 锂离子电池的充电特性 锂电池在充电中具有如下的特性: 1.在充电前半段,电压是逐渐上升的; 2.在电压达到4.2V后,内阻变化,电压维持不变; 3.整个过程中,电量不断增加; 4.在接近充满时,充电电流会达到很小的值。 经过多年的研究,已经找到了较好的充电控制方法: 1.涓流充电达到放电终止电压 2. 7V ; 2.使用恒流进行充电,使电压基本达到4.2V。安全电流为小于0.8C; 3.恒流阶段基本能达到电量的80% ;
超级电容器原理和应用 分类:移动互联的基本知识或讲座 2007.6.13 20:14 作者:kimberye | 评论:0 | 阅读:5029 超级电容器简介(图) 作者:Maxwell Technologies Bobby Maher 随着社会经济的发展,人们对于绿色能源和生态环境越来越关注,超级电容器作为一种新型的储能器件,因为其无可替代的优越性,越来越受到人们的重视。在一些需要高功率、高效率解决方案的设计中,工程师已开始采用超级电容器来取代传统的电池。 电池技术的缺陷 Li离子、NiMH等新型电池可以提供一个可靠的能量储存方案,并且已经在很多领域中广泛使用。众所周知,化学电池是通过电化学反应,产生法拉第电荷转移来储存电荷的,使用寿命较短,并且受温度影响较大,这也同样是采用铅酸电池(蓄电池)的设计者所面临的困难。同时,大电流会直接影响这些电池的寿命,因此,对于要求长寿命、高可靠性的某些应用,这些基于化学反应的电池就显出种种不足。 超级电容器的特点和优势 超级电容器的原理并非新技术,常见的超级电容器大多是双电层结构,同电解电容器相比,这种超级电容器能量密度和功率密度都非常高。同传统的电容器和二次电池相比,超级电容器储存电荷的能力比普通电容器高,并具有充放电速度快、效率高、对环境无污染、循环寿命长、使用温度范围宽、安全性高等特点。 除了可以快速充电和放电,超级电容器的另一个主要特点是低阻抗。所以,当一个超级电容器被全部放电时,它将表现出小电阻特性,如果没有限制,它会拽取可能的源电流。因此,必须采用恒流或恒压充电器。 10年前,超级电容器每年只能卖出去很少的数量,而且价格很贵,大约1~2美元/法拉,现在,超级电容器已经作为标准产品大批量供应市场,价格也大大降低,平均0.01~0.02美元/法拉。在最近几年中,超级电容器已经开始进入很多应用领域,如消费电子、工业和交通运输业等领域。
专业电子类论文 题目:浅谈锂电池充电电路原理及应用 作者:yyj 职称:自动化工程师 发表期刊号:XXX-XX 浅谈锂电池充电电路原理及应用 现代生活中,科技高速发展,电子产品需求量急升,应用之广,已达到一个新高度。从而对电子产品充电电池的要求,也越来越高。常用的电池有多种,而锂电池占据较大份额。锂离子电池以其优良的特性,被广泛应用于: 手机、摄录像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。 一、锂电池与镍镉、镍氢可充电池: 锂离子电池的负极为石墨晶体,正极通常为二氧化锂。充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。放电时,锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。所以,在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现,而不是以金属锂的形态出现。因而这种电池叫做锂离子电池,简称锂电池。 锂电池具有:体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点,但价格较贵。镍镉电池因容量低,自放电严重,且对环境有污染,正逐步被淘汰。镍氢电池具有较高的性能价格比,且不污染环境,但单体电压只有1.2V,因而在使用范围上受到限制。 二、锂电池的特点: 1、具有更高的重量能量比、体积能量比;
2、电压高,单节锂电池电压为3.6V,等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压; 3、自放电小可长时间存放,这是该电池最突出的优越性; 4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应,所以锂电池充电前无需放电; 5、寿命长。正常工作条件下,锂电池充/放电循环次数远大于500次; 6、可以快速充电。锂电池通常可以采用0.5~1倍容量的电流充电,使充电时间缩短至1~2小时; 7、可以随意并联使用; 8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素,对环境无污染,是当代最先进的绿色电池; 9、成本高。与其它可充电池相比,锂电池价格较贵。 三、锂电池的内部结构: 锂电池通常有两种外型:圆柱型和长方型。 电池内部采用螺旋绕制结构,用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。电池内充有有机电解质溶液。另外还装有安全阀和PTC元件,以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。 单节锂电池的电压为3.6V,容量也不可能无限大,因此,常常将单节锂电池进行串、并联处理,以满足不同场合的要求。 四、锂电池的充放电要求: 1、锂电池的充电:根据锂电池的结构特性,最高充电终止电压应为4.2V,不能过充,否则会因正极的锂离子拿走太多,而使电池报废。其充放电要求较高,可采用专用的恒流、恒压充电器进行充电。通常恒流充电至4.2V/节后转入恒压充电,当恒压充电电流降至100mA以内时,应停止充电。
超级电容器(Supercapacitors,ultracapacitor),又名电化学电容器(Electrochemical Capacitors),双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容,是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源,是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源,主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能。但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽,是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。 锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池来自于伟大的发明家爱迪生,使用以下反应: Li+MnO2=LiMnO2该反应为氧化还原反应,放电。由于锂金属的化学特性非常活泼,使得锂金属的加工、保存、使用,对环境要求非常高。所以,锂电池长期没有得到应用。随着科学技术的发展,现在锂电池已经成为了主流。
本质来说,超级电容器(双电层)是电容器。储能少。锂电是化学电池。储能多。超级电容具有大功率密度,锂离子电池具有大能量密度。 超级电容器与锂电池相同点都可以贮存能量,不同点是超级电容量瞬间充电瞬间放电。 超级电容器充放电都是物理过程,锂电池是化学过程。 越级电容的最大优势在瞬时大电流上,而电池的优势在适当电流的持续释放上,所以二者可以互补使用,例如在电动车的使用方面最佳方案就是结合使用的,电容主要用于启动时的瞬态高流。 超容的优势在于其储能过程是一个物理过程,功率密度大,电池在于其持续的放电能力,能量密度远大于超容。 超级电容器,分为双电层电容器和不对称的赝电容:双电层电容器的正负极都使用活性炭作为电极材料,利用起超大的比表面积来储存电荷,是一种物理过程;不对称的正极使用的是氧化物,利用氧化还原来储存电荷,负极和上述双电层电容器一样。锂离锂电池,正极材料氧化还原,负极是锂离子的嵌入和脱出。 超级电容器不同于电池,在某些应用领域,它可能优于电池。有时将两者结合起来,将电容器的功率特性和电池的高能量存储结合起来,不失为一种更好的途径。
锂电池原理和结构 1、锂离子电池的结构与工作原理:所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的,独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”,俗称“锂电”。以LiCoO2为例:⑴电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态,一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO 2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。⑵为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2+3x+5y)/2)等。 2、电池一般包括:正极(positive)、负极(negative)、电解质(electrolyte)、隔膜(separator)、正极引线(positivelead)、负极引线(negativeplate)、中心端子、绝缘材料(insulator)、安全阀(safetyvent)、密封圈(gasket)、PTC(正温度控制端子)、电池壳。一般大家较关心正极、负极、电解质
锂电池的详细介绍 1、锂离子电池 锂离子电池目前由液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其中,液态锂离子电池是指Li +嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物L iC oO2或LiMn2O4,负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长,是21世纪发展的理想能源。 2、锂离子电池发展简史 锂电池和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。这种电池的负极是金属锂,正极用MnO2,SOCL2,(CFx)n等。70年代进入实用化。因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点,已广泛应用于军事和民用小型电器中,如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等、部分代替了传统电池。 3、锂离子电池发展前景 锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用,预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一,并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。 4、电池的基本性能 (1)电池的开路电压 (2)电池的内阻 (3)电池的工作电压 (4)充电电压 充电电压是指二次电池在充电时,外电源加在电池两端的电压。充电的基本方法有恒电流充电和恒电压充电。一般采用恒电流充电,其特点时在充电过程中充电电流恒定不变。随着充电的进行,活性物质被恢复,电极反应面积不断缩小,电机的极化逐渐增高。
一、电池基础知识 1、一次电池和充电电池有什么区别? 电池内部的电化学性决定了该类型的电池是否可充,根据它们的电化学成分和电极的结构可知,真正的可充电电池的内部结构之间所发生反应是可逆的。理论上,这种可逆性是不会受循环次数的影响,既然充放电会在电极体积和结构上引起可逆的变化,那么可充电电池的内部设计必须支持这种变化,既然,一次电池仅做一放电,它内结构简单得多且不需要支持这种变化,因此,不可以将一次电池拿来充电,这种做法很危险也很不经济,如果需要反复使用,应有尽有选择真正的循环次数在1000次左右的充电电池,这种电池也可称为一次电池或蓄电池。 2、一次电池和二次电池还有其他的区别吗? 另一明显的区别就是它们能量和负载能力,以及自放电率,二次电池能量远比一次电池高,然而他们的负载能力相对要小。 3、可充电便携式电池的优缺点是什么? 充电电池寿命较长,可循环1000次以上,虽然价格比干电池贵,但如果经常使用的话,是比较划算的。充电电池的容量比同规格的碱锰电池或锌碳电池低,比如,他们放电较快。 另一缺点是由于他们几近恒定的放电电压,很难预测放电何时结束。当放电结束时,电池电压会突然降低。假如在照相机上使用,突然电池放完了电,就不得不终止。 但另一方面可充电电池能提供的容量比太部分一次电池高。 但Li-ion电池却可被广泛地用照相器材中,因为它容量高,能量密度大,以及随放电深度的增加而逐渐降低的放电电压。 4、充电电池是怎样实现它的能量转换? 每种电池都具有电化学转换的能力,即将储存的化学能直接转换成电能,就二次电子(也叫蓄电池)而言(另一术语也称可充电使携式电池),在放电过程中,是将化学能转换成电能;而在充电过程中,又将电能重新转换成化学能。这样的过程根据电化学系统不同,一般可充放电500次以上,而我司产品li-ion可重复充放电1000次以上。Li-ion是一种新型的可充电便携式电池。它的额定电
第四节 原电池原理及其应用 教学目的: 1、 使学生理解原电池原理; 2、 常识性介绍日常生活中常用的化学电源和新型化学电池; 3、 使学生了解金属的电化腐蚀 教学重点:原电池的原理 教学难点:金属的电化腐蚀 教学方法:实验探究法 教学用品:铁丝、铜丝、锌片、铜片、稀硫酸、导线、烧杯、电流计 教学过程: 第一课时 [引言] 前几节我们学习了有关金属的知识,了解了铁和铜的性质。铁是比较活泼的金属,能溶于稀硫酸,铜是不活泼的金属,不溶于稀硫酸。如果我们同时将铁和铜连在一起,同时放到稀硫酸中,会发生什么现象呢?下面我们做这个实验。 [提问] 大家看到了什么现象? [讲述] 把铁线和铜丝的上端连在一起,放入稀硫酸中,在金属丝中有电子流动,构成了一个小电池,我们叫它原电池。下面我们就来研究原电池的原理及其应用。 [板书] 第四节 原电池原理及其应用 一、原电池 [讲述] 实验结果表明,导线中有电流通过,电流是如何产生的呢? [学生讨论] [板书] 锌片 Zn —2e -==Zn 2+ (氧化反应) 铜片 2H ++2e -==H 2 (还原反应) 电子由锌片经导线流向铜片 [讲述] 我们知道,物质发生反应时,常伴有化学能与热能、光能等的相互转化。例如,镁条在空气中燃烧的化学反应,伴有放热、发光等现象。这说明化学能转变为热能和光能。那么,我们做的这个实验是化学能转变为哪种能呢? [学生回答] [教师总结] 这种化学能转变为电能的装置叫原电池。 [板书] 原电池的定义:化学能转变为电能的装置。 [讲述] 这一现象早在1799年被意大利的物理学家伏打扑捉到并加以研究,发明了世界上第一个原电池---------伏打电池,即原电池。 [引导思考] 原电池的两极材料如何选择呢? [ 讲述] 下面我们再做几个实验共同探讨一下原电池的组成条件和原理 Z n C Z u F C 稀硫酸 C u SO 4溶液 稀硫酸 A B C D
Southwest university of science and technology 本科毕业设计(论文)锂离子电池的工作原理和应用分析 学院名称理学院 专业名称光信息科学与技术 学生姓名杨大华 学号20072708 指导教师施鹏程讲师 二〇一一年六月
西南科技大学本科生毕业论文1锂离子电池的工作原理和应用分析 摘要:锂离子电池是一种新型的电池,在很多领域中得到了广泛应用。在各种新能源电池中,锂离子电池被认为是最有发展前途的新能源动力型电池之一。本论文通过介绍锂离子电池的原材料与工作原理,提高了对锂离子电池的结构特性和工作机制的认识。通过分析我国锂离子电池的研究动态,指出了我国在锂离子电池技术和产品上已经接近世界先进水平,并且向着更抗衰老,更低回收率,更耐受过充,更长寿命方向发展。最后针对国内动力型锂离子电池发展中存在的主要的六大问题,提出了七个相应的解决方法。 关键词:锂离子电池;新能源;工作原理;应用
西南科技大学本科生毕业论文2 The Work Principle and Application Analysis of the Lithium-ion Battery Abstract: Lithium ion battery is a new type of battery. It can be widely used in many fields. In all kinds of new energy battery, lithium ion battery is considered as one of the most promising new energy. To know more about the structure of lithium-ion battery characteristics and working mechanisms, this thesis describes the raw materials and working principle. Through analyzing of the lithium-ion battery researching trends, the technology and products of the lithium-ion batteryare in our country are closing to the world advanced level, and facing to a more anti-aging, more low recovery, more tolerance overcharge, longer life direction.Finally, according to six problems in the development of lithium ion batteries, put forward seven corresponding solutions. Keywords: Lithium-ion battery;New energy;Working principle;Apply 2
【基础知识精讲】 装詈特点:化学能转化趟能 严两个活泼性不同的电极 形成条件彳②电解质涪液 〔0)形成闭合回路 先色沿寻绞悔必育电矗产韭 加 Se-Zn^T I SW.反网」匝 K 析氢 腐、蚀 L 吸氧腐蚀 「斑变金属的內部组织结构 ②在金属裹面霍盖保护层 I ③电化学保护法 以铜锌原电池为例,理解原电池的工作原理:负极发生氧化反应,正极发生还原反应 紧抓这个基本原理去解决各种类型的原电池问题 ^ 【重点难点解析】 重点:①原电池原理; ②金属的腐蚀原理与防护? 难点:金属的电化学腐蚀与防护? 1. 正确判定原电池 2. 原电池正极和负极的确定 (1) 由两极的相对活泼性确定? (2) 由电极现象确定.通常情况下,在原电池中某一电极若不断溶解或质量不断减少, 该 电极发生氧化反应, 此为原电池的负极; 若原电池中某一电极上有气体生成, 电极的质量不 断增加或不变,该电极发生还原反应,此为原电池的正极 3. 原电池工作原理:以 Cu-Zn 原电池为例. 学科:化学 教学内容:原电池原理及其应用 r 金属腐蚀 L 化学腐蚀 电化腐蚀 匕钢铁腐蚀 '主曼应用〈 I 防护方法T 厂沪2e-Hj A 千 ti rJ i
负极(锌板):Zn-2e=Zn 2+ 被氧化,锌板不断溶解; 正极(铜板):2H+2e=Hf 被还原,表面置出气泡. 电子流动方向:负极(Zn )经导线正极(Cu ). Cu-Zn 原电池发生的总反应跟锌和酸的反应是一致的,但电子却经外接导线发生迁移, 形成持续 的电流,使化学能转化为电能 ? 构成原电池的反应必须能自发地进行氧化还原反应 ?从理论上讲,任何一个氧化还原反 应都可设计成原电池, 只不过要求氧化反应和还原反应必须在两极上分别进行, 使与两极连 接的导线里,产生持续电流 ? 【难题巧解点拨】 例1 :把a,b,c,d4 块金属片浸入稀硫酸中,用导线两两相连组成原电池 .若a,b 相连时, a 为负极;c,d 相连时,d 上产生大量气泡;a ,c 相连时,电流由c 经导线流向a ; b 、d 相 连时,电子由d 经导线流向b ,则此4种金属的活动性由强到弱的顺序为 () A.a > b > c >d B.a > c > d > b C.c >a > b > d D.b > d > c > a 分析:根据原电池原理,较活泼的金属为负极,被氧化溶解; 相对不活泼的金属为 正极,冒气泡或析出金属?电子由负极经外电路流向正极,电流方向与电子方向相反等进行 分析:根据构成原电池的条件必须同时满足: (1)要有活泼性不同的两个电极 .(2)要 有 电解质溶液.(3)要有导线,能形成闭合回路? 用此条件进行判断:在 A 中两个电极的金属相同,不符合条件,在 (D )中没有电解质溶 液,乙醇是非电解质.故只有B C 符合条件 答案:BC 例3:银锌电池是广泛用作各种电子仪器的电源,它的充电和放电过程可表示为: 2Ag+Z n( 0H)2 三 Ag 2O+Zn+2HO 此电池放电时, 负极上发生反应的物质是 () A.Ag B.Z n(0H)2 C.Ag 2O D.Z n 分析:根据原电池工作原理,负极上发生氧化反应 .元素化合价会升高,所以在放电过 程中被氧化的是 Zn,即Zn 为负极. 答案:为D 【命题趋势分析】 常考知识点: 1. 原电池的概念、工作原理 2. 电极反应和电池反应 乙醉 E A 山嵐礙液 C
聚焦超级电容选型与应用 上网时间:2010-05-27 作者:Zoro 来源:电子元件技术网 超级电容和电池都是能量的存储载体,但二者有不同的特点。超级电容通过介质分离正负电荷的方式储存能量,是物理方法储能,电池是通过化学反应的方法来储能。超级电容充放电次数可达百万次,而电池只有1000次,显然超级电容寿命要远大于电池,降低维护成本且有利于环保。 超级电容充放电速度快,能够在机车启动时提供能量,刹车时捕获能量,因为超级电容充放电的时间在1秒左右,正好与机车刹车或启动的时间匹配。其他设备比如风力发电中,风轮机变桨的时候要提供能量也是在这个时间段。而电池的充放电大概在1小时到10个小时左右,而传统用于滤波的电容,充放电为0.03秒。 超级电容放电速度快,而且容量大,能够瞬间释放巨大的能量,能够用作备用电源,在系统突然断电时,在极短时间内为系统提供能量。超级电容也可以用作发动机或动力电池的辅助,提高发动机的运行效率和能量利用效率。在系统启动时,超级电容将捕获的能量释放,满足峰值功率要求,从而减轻电池或发动机的负担。 除此之外,超级电容还能用于自动抄表系统中的智能电表(水表,燃气表)、相机闪光灯、混合动力汽车。超级电容节能、环保、高效的特点迎合了当下节能减碳的设计诉求。本期半月谈聚焦超级电容,通过以下三个方面介绍超级电容:
超级电容器基本原理及性能特点 超级电容属于双电层电容器,它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。 超级电容与电池的比较 相对铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池,超级电容具有节能、超长使用寿命、安全、环保、宽温度范围、充电快速、无需人工维护等优点。本文通过图表来对比各种不同储能产品的特点。 超级电容的典型应用与选型 超级电容容量大,充放电速度快,而且充放电循环可达百万次,非常适合用作备用电源和提供峰值功率。本文介绍超级电容的工作原理,并着重介绍在集装箱龙门吊车和智能电表上的应用。
第9讲原电池原理及其应用 知识要点实例 概念将化学能转变为电能的一种装置叫做原电池 自发的氧化还原反应:实质将化学能转变为电能 构成前提必须是能发生自发的氧化还原反应 构成条件 1.活动性不同的两种金属(或一种金属,一种为能 导电的非金属)作为两个电极 2.两个电极必须以导线相连或直接接触 3.电极插入电解质溶液中形成闭合回路 电极构成 负极 电子流出的一极.通常为活泼性较强,易失电 子的金属 负极:Zn片 正极 电子流入的一极.通常是活泼性较弱的金属或 非金属导体 正极:Cu片 电流方向 电子由负极流向正极,电流方向是由正极流向 负极(与电子流向相反) 电子流向:由Zn→导线→Cu 电流方向:由Cu→导线→Zn 电极反应 负极电极失去电子,被氧化,发生氧化反应 正极 电极上得到电子,发生还原反应(一般是溶液 中易得电子的物质发生还原反应) 总反应方程式 正极、负极分别发生的氧化反应和还原反应综 合起来得到总式 应用 1.制多种电池 2.形成原电池,加快反应速率 3.根据原电池原理保护金属不受腐蚀 如:干电池、蓄电池、高能电池等. 制取氢气时,锌中滴一些硫酸铜溶 液,使反应速率大大增强; 如铁铜连接处于电解质溶液中,铜 受到保护,不易腐蚀 1、金属腐蚀的定义:金属或合金与接触到的气体或液体进行化学反应而腐蚀损耗的过程. 2、金属腐蚀的实质:金属原子失去电子被氧化而消耗的过程. 3、金属腐蚀的种类:化学腐蚀与电化学腐蚀. 电化学腐蚀(吸氧腐蚀)化学腐蚀 条件 不纯金属或合金与电解质 溶液接触构成微小原电池 金属跟接触物质(多为非电解质) 直接反应 现象有微弱电流产生无电流产生 结果 活泼金属被腐蚀 较不活泼金属得到保护 各种金属都有可能被腐蚀 实例 负极: 正极: 2Fe+3Cl2=2FeCl3(某些工厂) 本质金属原子失去电子被氧化而损耗 联系两种腐蚀同时发生,但电化腐蚀较化学腐蚀普遍,钢铁以吸氧腐蚀常见 金属 的 防护 ①改变金属内部结构,如制成不锈钢;②在金属表面覆盖保护层,如电镀、 涂油、喷漆、搪瓷、镀氧化膜(致密),目的使金属制品与周围物质隔开; ③电化学保护法(被保护金属作为原电池的正极或电解池的阴极) 4 钢铁的析氢腐蚀与吸氧腐蚀的对比
2021届高考化学一轮复习专项测试专题十二 考点一原电池原理及其应用(3) 1、将反应2Al+6H+=2Al3++3H2↑的化学能转化为电能,能达到目的的是( ) 2、人工光合系统装置(如图)可实现以CO2和H2O合成CH4。下列说法不正确的是( ) A.该装置为原电池,且铜为正极 B.电池工作时,H+向Cu电极移动 C.GaN电极表面的电极反应式为:2H2O-4e-=O2+4H+ D.反应CO2+2H2O 光照CH4+2O2中每消耗1mol CO2转移4mol e- 3、某同学按下图所示的装置进行实验。A、B为两种常见金属,它们的硫酸盐可溶于水,当 SO从右向左通过交换膜移向A极。下列分析正确的是( ) K闭合时,2- 4
A. 溶液中c (2A +)减小 B. B 极的电极反应:2B 2e =B -+- C. Y 电极上有2H 产生,发生还原反应 D. 反应初期,X 电极周围出现白色胶状沉淀 4、由W 、X 、Y 、Z 四种金属按下列装置进行实验。下列说法不正确的是( ) 装置 现象 金属W 不断溶解 Y 的质量增加 W 上有气体产生 A.装置甲中W 作原电池负极 B.装置乙中Y 电极上的反应式为2+-Cu +2e =Cu C.装置丙中电流由Z 流向W D.四种金属的活动性强弱顺序为Z>W>X>Y 5、流动电池是一种新型电池。其主要特点是可以通过电解质溶液的循环流动,在电池外部调节电解质溶液,以保持电池内部电极周围溶液浓度的稳定。北京化工大学新开发的一种流动电池如图所示,电池总反应为Cu +PbO 2+2H 2SO 4=CuSO 4+PbSO 4+2H 2O 。下列说法不正确的是( )
超级电容电池的结构和工作原理 超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大,对外表现和电池相同,因此也称作“电容电池”或说“黄金电池”。超级电容器电池也属于双电层电容器,它是目前世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种,其基本原理和其它种类的双电层电容器一样,都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量. 传统物理电容中储存的电能来源于电荷在两块极板上的分离,两块极板之间为真空(相对介电常数为1)或一层介电物质(相对介电常数为ε)所隔离,电容值为:C = ε·A / 3.6 πd ·10-6 (μF) 其中A为极板面积,d为介质厚度。所储存的能量为: E = C (ΔV)2/2,其中C为电容值,ΔV为极板间的电压降.可见,若想获得较大的电容量,储存更多的能量,必须增大面积A或减少介质厚度d,但这个伸缩空间有限,导致它的储电量和储能量较小。超级电容采用活性炭材料制作成多孔电极,同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液,当在两端施加电压时,相对的多孔电极上分别聚集正负电子,而 电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上,从而形成两个集电层,相当于两个电容器串联,由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积(即获得了极大的电极面积A),而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm(即获得了极小的介质厚度d),根据前面的计算公式可以看出,这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多,比容量可以提高100倍以上, 从而使单位重量的电容量可达100F/g,并且电容的内阻还能保持在很低的水平,碳材料还具有成本低,技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能,且在实际使用时,可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。 超级电容电池的特点: (1)充电速度快,只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95%以上;而现在使用面积最大的铅酸电池充电通常需要几个小时。 (2)循环使用寿命长,深度充放电循环使用次数可达50万次,如果对超级电容每天充放电20次,连续使用可达68年如果相应地和铅酸电池比较, 它的使用寿命可达68年, 且没有“记忆效应”。 (3)大电流放电能力超强,能量转换效率高,过程损失小,大电流能量循环效率≥90%; (4)功率密度高,可达300W/kg~5000W/kg,相当于普通电池的数十倍;比能量大大提高,铅酸电池一般只能达到0.02kWh/kg,而超级电容电池目前研发已可达10 kWh/kg, (5)产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染,是理想的绿色环保电源; (6)充放电线路简单,无需充电电池那样的充电电路,安全系数高,长期使用免维护; (7)超低温特性好,使用环境温度范围宽达-40℃~+70℃; (8)检测方便,剩余电量可直接读出;
一、锂电池为什么有安全性问题 1、内部短路是如何形成的:锂 离子电池的最大的隐患是应用钴酸锂 的锂离子电池在过充的情况下(甚至正 常充放电时),锂离子在负极堆积形成 枝晶,刺穿隔膜,形成内部短路。 2、产生大电流:外部短路,内 部短路将产生几百安培的过大电流 i. 外部短路时,由于外 部负载过低,电池瞬间大电流放电。在 内阻上消耗大量能量,产生巨大热量。 ii. 内部短路,主要原因 是隔膜被穿透,内部形成大电流,温度 上升导致隔膜熔化,短路面积扩大,进 而形成恶性循环 3、气体是哪里来的:锂离子电池为达到单只电芯 3 - 4.2V 的高工作电压(镍氢和镍硌电池工作电压为 1.2V ,铅酸电池工作电压为 2V ),必须采取分解电压大于 2V 的有机电解液,而采用有机电解液在大电流,高温的条件下会被电解,电解产生气体,导致内部压力升高,严重会冲破壳体 4、燃烧是如何发生的:热量来源于大电流,同时在高电压(超过 5V )情况下,正极锂的氧化物也会发生氧化反应,析出金属锂,在气体导致壳体破裂的情况下,与空气直接接触,导致燃烧,同时引燃电解液,发生强烈火焰,气体急速膨胀,发生爆炸。
5、聚合物电池是否会有安全性问题:聚合物电池与锂离子电池的区别在于电解液为胶状、半固态,锂离子电池电解液为液态。所以,聚合物电池可以使用软包装,在内部产生气体时,可以更早的突破壳体,避免气体聚集过多,产生激烈涨裂。但聚合物电池并没有从根本上解决安全性问题,同样使用钴酸锂和有机电解液,而且电解液为胶状,不易泄漏,将会发生更猛烈的燃烧,燃烧是聚合物电池安全性最大的问题。 二、如何解决大容量锂电池的安全性问题 锂离子电池的安全性问题,并不是外围问题,而是一个基于材料技术的本质问题。 在材料技术上取得突破: 1、选择安全的正极材料,目前的正极有钴酸锂和锰酸锂两种量产的材料产品。钴酸锂在小电芯方面是很成熟的体系,由于钴酸锂在分子结构方面( LiCo )的特点:充满电后,仍旧有大量的锂离子留在正极,当过充时,残留在正极的锂离子将会涌向负极,在负极上形成枝晶是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果,甚至在正常充放电过程中,也有可能会有多余的锂离子游离到负极形成枝晶。所以手机电池频频发生爆炸事件,一方面是由于保护电路失效,但更重要的是在材料方面并没有根本的解决问题。同时钴酸锂的氧化性强,在 175 度时就会分解,壳体泄漏,与空气接触,发生燃烧、爆炸。 2、选择锰酸锂材料,在分子结构方面保证了在满电状态,正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中,从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构,使其氧化性能远远低于钴酸锂,分解温度超过钴酸锂 100 度,即使由于外力发生内部短路(针刺),外部短路,过充电时,也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。
高考化学考点解析全程复习考点:原电池原理及应用1.复习重点 1.原电池的电极名称及电极反应式, 2.对几种化学电源的电极反应式的认识和书写, 3.原电池原理的应用。 4.其中原电池原理及有关计算是高考的命题热点。 2.难点聚焦
[分组实验] [1]锌粒放入稀硫酸中 [2]铜片放入稀硫酸中 [3]锌粒放在铜片上一起浸入稀硫酸中 [4]锌粒、铜片用导线连在灵敏电流计上 [5]用干电池证明[4]的正负极动手实验 描述现象 分析讨论 现象解释 培养学生的动手能力、敏锐 的观察力,提高学生分析、 解决问题的能力,严密的逻 辑推理能力 [多媒体动画模拟] 锌、铜原电池原理学生观察、分析、填 表 变微观现象为直观生动,便 于学生掌握
[多媒体动画模拟]原电池 组成实验装置的改变: a、溶液相同,电极变 化: b、电极相同,溶液变 化: c、断路: 思考:原电池装置构 成必须具备哪些条 件? 培养学生类比,归纳、总结 的自主学习的能力 [板书]原电池组成条件: (-)较活泼的金属 (a)电极 (+)较不活泼的金属或 非金属 (b)电解质溶液 (c)闭合回路 培养学生分析问题的能力 从以上讨论的原电池装置中我们来总结一下: 原电池原理
3.例题精讲 1.确定金属活动性顺序 例1.(1993年上海高考化学题)有A、B、C、D四种金属,将A与B用导线联结起来,浸入电解质溶液中,B不易被腐蚀;将A、D分别投入到等浓度的盐酸中,D比A反应剧烈;将铜浸入B的盐溶液中无明显变化;将铜浸入C 的盐溶液中,有金属C析出。据此可推知它们的金属活动性由强到弱的顺序为() A.D>C>A>B B.D>A>B>C
锂电池的工作原理-标准化文件发布号:(9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
锂离子电池的工作原理 锂离子电池的结构如图2.1和图2.2 所示,一般由正极、负极和高分子隔膜构成。 锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径,目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物,如Li x CoO2,Li x NiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等,这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物Li x C6,其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(Li x CoO2)和有机电解液三部分组成。 锂离子电池的电化学表达式: 正极反应: 负极反应: 电池反应: 式中:M=Co、Ni、Fe、W等。 图2.1 锂离子电池结构示意图图2.2 圆柱形锂离子电池结构图锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池,正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时,Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极,此时负极处于富
锂态,正极处于贫锂态;放电时则相反,Li+从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极,正极处于富锂态,负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此,在充放电循环时,Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应,Li+便在正负极之间来回移动,所以,人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池”。 锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池,它基本解决了困扰锂蓄电池发展的两个技术难题,即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是:在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极,采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是:在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此,这种电池的工作原理更加简单,在电池工作过程中,仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说,当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌,在碳负极中嵌入,放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化,故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。 锂离子电池的主要性能 锂离子电池的额定电压为3.6V(少数的是3.7V)。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关:石墨的4.2V;焦炭的4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在±1%之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4~2.7V(电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同)。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。
《原电池原理及其应用》教案 教学目标 ●知识目标: 1. 使学生理解原电池的化学原理 2.掌握正负、极的判断、电极反应的书写及构成原电池的条件 3.常识性介绍日常生活中常用的化学电源和新型化学电池 ●能力目标: 1.培养学生的探究精神和从实践到理论的科学总结方法。 2.培养观察能力。 3.培养实验设计能力。 ●德育目标:增强环保意识和节能意识。 教学重点、难点 ●重点:原电池的化学原理。 ●难点:原电池装置的科学设计。 教学方法 启发式、实验探究法 实验――观察――思考――讨论――总结 教学用品 铜片、锌片、碳棒、稀硫酸、乙醇、电流计、检流计、导线、烧杯、桔子、干电池等 教学过程设计 【引入】水果电池(橙子) 这说明我们刚才的装置就相当于一个小电池,为什么橙子和金属片能 组成一个小电池呢?让我们带着这个问题,一起走进原电池的世界。【板书】第四节原电池的原理及其应用 【投影】下面请同学们根据屏幕的提示,完成这几组实验: 【实验探究】学生分组实验 【提问】解释 A.B.C的现象。 【引导】A.B.C的现象我们容易理解, D 实验中,我们看到铜片上有气泡存在。 说明 H+得到了电子,那么,H+得到的电子从哪里来?是铜提供的吗? Zn Zn C B A D Cu 稀硫酸稀硫酸稀硫酸稀硫酸 Cu
【回答】电子不是铜提供的,铜是氢后金属,活动性比氢弱,不能置换氢气。 所以 H+ 得到的电子,不是来自铜,只能来自锌。 【设问】锌传递电子是通过溶液还是导线呢? 【讲述】比较C、D,可以知道电子不是从溶液中传递的,只能是沿着导线传递给铜的。 【过渡】这只是我们的推断,大家能想办法印证它吗? 【引导】电流计。 【学生活动】分组实验 【设问】大家一起告诉我,我们的推断正确吗? 【引导】实验印证了我们的推断,从电流计指针的偏转我们可以知道装置中产生了电流,从物理学上我们已经知道,电流的产生都是由于其它形式的 能量转化成了电能,这个装置把锌和硫酸反应的化学能转变成了电能, 象这样能够把化学能转化成电能的装置,我们称之为原电池。 【投影】原电池概念 【板书】一.原电池: 1.概念 【设问】原电池是将化学能转化成电能的装置。是不是任何化学反应的能量都能转化成电能呢?不是。确切地说,原电池是将氧化还原反应中的化学 能转化成电能的装置。 【引导】现在我们来分析原电池装置,电池都有两个电极,分别是什么呢?【回答】正极和负极。 【引导】物理上两极的规定和电子流向之间有什么关系? 【回答】电子流出的一极称为负极,电子流入的极称为正极 【投影】负极:电子流出的极 正极:电子流入的极 【引导】那刚才的原电池两极谁正谁负呢? 【回答】锌作负极,铜作正极。 【设问】负极流出的电子是由锌失去的,那负极的锌失去电子发生了什么反应?【回答】负极-----氧化反应 【设问】那么正极上H+得到电子发生了什么反应? 【回答】正极-----还原反应 【讲述】我们也根据这些过程来判断原电池的两个电极,从电子流向的角度判断:电子流出的是负极,电子流入的是正极。从氧化还原的角度判断:发生氧化反应的是负极,发生还原反应的是正极。 其实这些判断方法我们依据的都是两极上的这两个反应 对原电池,这种表示两个电极上电子得失过程的式子称为电极反应式。【投影】电极反应负极:Zn -2e-=Zn2+(氧化反应) 正极: 2H+ + 2e-=H2↑(还原反应) 【讲述】这两个电极反应的总结果就是锌和H+的氧化还原反应 【投影】原电池的总反应方程式Zn +2H+ = Zn 2++H2↑ 【讲述】把锌片直接放入稀硫酸中,就是发生了该反应,在这个铜锌原电池中发生的依然是该反应,不同的是,现在氧化反应和还原反应是在两个电 极上发生,这就将电子的直接传递转化为沿导线的定向传递,从而形成 了电流,所以说原电池是把氧化还原反应的化学能转化成了电能。