各类电池
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铅酸电池 阳极 ) ( 电解液 ) ( 阴极 ) PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ( 放电反应 ) ( 过氧化铅 ) ( 硫酸 ) ( 海绵状铅 )
( 阳极 ) ( 电解液 ) ( 阴极 ) PbSO4 + 2 H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2 H2SO4 + Pb ( 充电反应 ) ( 硫酸铅 ) ( 水 ) ( 硫酸铅 )
1、铅酸蓄电池电动势的产生: ●铅酸蓄电池充电后,正极板是二氧化铅(PbO2),在硫酸溶液中水分子的作用下,少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质—氢氧化铅(Pb(OH)4),氢氧根离子在溶液中,铅离子(Pb)留在正极板上,故正极板上缺少电子。. ●铅酸蓄电池充电后,负极板是铅(Pb),与电解液中的硫酸(H2SO4)发生反应,变成铅离子(Pb 2),铅离子转移到
电解液中,负极板上留下多余 的两个电子(2e)。 ●可见,在未接通外电路时(电池 开路),由于化学作用,正极板 上缺少电子,福极板上多余电子, 如右图所示,两极板见就产生了 一定的电位差,这就是电池的电 动势。 2、铅酸蓄电池放电过程的电化反应 ●铅酸蓄电池放电时,在蓄电池的电位差作用下,负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I。同时在电池内部进行化学反应。 ●负极板上每个铅原子放出两个电子后,生成的铅离子(Pb 2)与电解液中的硫酸根离子(SO4ֿ²)反应,在极板上生成难溶的硫酸铅(PbSO4)。 ●正极板的铅离子(Pb 4)得到来自负极的两个电子(2e)后,变成二价铅离子(Pb 2)与电解液中的硫酸根离子(SO4ֿ²)反应,在极板上生成难溶的硫酸铅(PbSO4)。正极板水解出的氧离子(Oֿ²)与电解液中的氢离子(H )反应,生成稳定物质水. ●电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极,在电池内部形成电流,整个回路形成,蓄电池向外持续放电。 ●放电时H2SO4浓度不断下降,正负极上的硫酸铅(PbSO4)增加,电池内阻增大(硫酸铅不导电),电解液浓度下降,电池电动势降低。 ●化学反应式为: 正极活性物质电解液负极活性物质正极生成物电解液生成物负极生成物 PbO2 2H2SO4 Pb→PbSO4 2H2O PbSO4 氧化铅稀硫酸铅硫酸铅水硫酸铅 3、铅酸蓄电池充电过程的电化反应 ●充电时,应在外接一直流电源(充电极或整流器),使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质,并把外界的电能转变为化学能储存起来。 ●在正极板上,在外界电流的作用下,硫酸铅被离解为二价铅离子(Pb 2)和硫酸根负离子(SO4-2)由于外电源不断从正极吸取电子,则正极板附近游离的二价铅离子(Pb 2)不断放出两个电子来补充,变成四价铅离子(Pb 4),并与水继续反应,最终在正极极板上生成二氧化铅(PbO2)。 ●在负极板上,在外界电流的作用下,硫酸铅被离解为二价铅离子(Pb 2)和硫酸根负离子(SO4‾²),由于负极不断从外电源获得电子,则负极板附近游离的二价铅离子(Pb 2)被中和为铅(Pb),并以绒状铅附在负极板上。 ●电解液中,正极不断产生游离的氢离子(H )和硫酸根离子(SO4‾²),负极不断产生硫酸根离子(SO4‾²),在电场的作用下,氢离子向负极移动,硫酸根离子向正极移动,形成电流。 ●充电后期,在外电流的作用下,溶液中还会发生水的电解反应。 ●化学反应式为: 正极物质电解液负极物质正极生成物电解液生成物负极生成物 PbSO4 2H2O PbSO4→PbO2 2H2SO4 Pb 硫酸铅水硫酸铅氧化铅硫酸铅 4、铅酸蓄电池充放电后电解液的变化 ●从上面可以看出,铅蓄电池放电时,电解液中的硫酸不断减少,水逐渐增多,溶液比重下降. ●从上面可以看出,铅酸蓄电池充电时,电解液中的硫酸不断增多,水逐渐减少,溶液比重上升. ●实际工作中,可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度.。
硅胶电池 硅胶电池是铅酸电池的升级,主要电化学反应为 镍镉电池 位于负极的镉(Cd)和氢氧化钠(NaOH)中的氢氧根离子(OH-)化合成氢氧化镉,并附著在阳极上,同时也放出电子。电子沿著电线至阴极,和阴极的二氧化镍与氢氧化钠溶液中的水反应形成氢氧化镍和氢氧根离子,氢氧化镍会附著在阳极上,氢氧根离子则又回到氢氧化钠溶液中,故氢氧化钠溶液浓度不会随著时间而下降。 放电反应式: 负极反应: Cd+2OH-→Cd(OH)2+2e- 正极反应: 2e-+NiO2+2H2O→Ni(OH)2+2OH- 总反应: Cd+NiO2+2H2O→Cd(OH)2+Ni(OH)2 充电反应式: 正极反应:Ni(OH)2+2OH-→ 2e-+NiO2+2H2O 负极反应:Cd(OH)2+2e-→ Cd+2OH- 总反应: Cd(OH)2+Ni(OH)2→Cd+NiO2+2H2O
镍镉电池 镍镉电池(Ni-Cd,Nickel-Cadmiun Batteries, Ni-Cd Rechargeable Battery)是最早应用于手机、超科等设备的电池种类,它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单,一般使用以下反应放电: Cd +2NiO(OH)+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)2 充电时反应相反。 镍镉电池最致命的缺点是,在充放电过程中如果处理不当,会出现严重的“记忆效应”,使得服务寿命大大缩短。所谓“记忆效应”就是电池在充电前,电池的电量没有被完全放尽,久而久之将会引起电池容量的降低,在电池充放电的过程中(放电较为明显),会在电池极板上产生些许的小气泡,日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。当然,我们可以通过掌握合理的充放电方法来减轻“记忆效应”。此外,镉是有毒的,因而镍镉电池不利于生态环境的保护。众多的缺点使得镍镉电池已基本被淘汰出数码设备电池的应用范围。
镍氢电池 主要为KOH作电解液(电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH)
镍氢电池 充电时 正极反应:Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e- 负极反应:M + H2O + e- → MH + OH- 总反应:M + Ni(OH)2 → MH + NiOOH
放电时 正极:NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH- 负极:MH + OH- → M + H2O + e- 总反应:MH + NiOOH → M + Ni(OH)2 以上式中M为储氢合金,MH为吸附了氢原子的储氢合金。最常用储氢合金为LaNi5。 锂电池 锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成,负极则是特殊分子结构的碳.常见的正极材料主要成分为 LiCoO2 ,充电时,加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子,嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中.放电时,锂离子则从片层结构的碳中析出,重新和正极的化合物结合.锂离子的移动产生了电流.
化学反应原理虽然很简单,然而在实际的工业生产中,需要考虑的实际问题要多得多:正极的材料需要添加剂来保持多次充放的活性,负极的材料需要在分子结构级去设计以容纳更多的锂离子;填充在正负极之间的电解液,除了保持稳定,还需要具有良好导电性,减小电池内阻.
虽然锂离子电池很少有镍镉电池的记忆效应,记忆效应的原理是结晶化,在锂电池中几乎不会产生这种反应.但是,锂离子电池在多次充放后容量仍然会下降,其原因是复杂而多样的.主要是正负极材料本身的变化,从分子层面来看,正负极上容纳锂离子的空穴结构会逐渐塌陷、堵塞;从化学角度来看,是正负极材料活性钝化,出现副反应生成稳定的其他化合物.物理上还会出现正极材料逐渐剥落等情况,总之最终降低了电池中可以自由在充放电过程中移动的锂离子数目.
过度充电和过度放电,将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏,从分子层面看,可以直观的理解,过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷,过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去,而使得其中一些锂离子再也无法释放出来.这也是锂离子电池为什么通常配有充放电的控制电路的原因.
不适合的温度,将引发锂离子电池内部其他化学反应生成我们不希望看到的化合物,所以在不少的锂离子电池正负极之间设有保护性的温控隔膜或电解质添加剂.在电池升温到一定的情况下,复合膜膜孔闭合或电解质变性,电池内阻增大直到断路,电池不再升温,确保电池充电温度正常.
而深充放能提升锂离子电池的实际容量吗?专家明确地告诉我,这是没有意义的.他们甚至说,所谓使用前三次全充放的“激活”也同样没有什么必要.然而为什么很多人深充放以后 Battery Information 里标示容量会发生改变呢 ? 后面将会提到.
锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片.其中管理芯片中有一系列的寄存器,存有容量、温度、ID 、充电状态、放电次数等数值.这些数值在使用中会逐渐变化.我个人认为,使用说明中的“使用一个月左右应该全充放一次”的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当的值,使得电池的充电控制和标称容量吻合电池的实际情况.
充电控制芯片主要控制电池的充电过程.锂离子电池的充电过程分为两个阶段,恒流快充阶段(电池指示灯呈黄色时)和恒压电流递减阶段 ( 电池指示灯呈绿色闪烁.恒流快充阶段,电池电压逐步升高到电池的标准电压,随后在控制芯片下转入恒压阶段,电压不再升高以确保不会过充,电流则随着电池电量的上升逐步减弱到 0 ,而最终完成充电.
电量统计芯片通过记录放电曲线(电压,电流,时间)可以抽样计算出电池的电量,这就是我们在 Battery Information 里读到的 wh. 值.而锂离子电池在多次使用后,放电曲线是会改变的,如果芯片一直没有机会再次读出完整的一个放电曲线,其计算出来的电量也就是不准确的.所以我们需要深充放来校准电池的芯片.
可充电电池性能比较 可充电电池主要有铅酸蓄电池和碱性蓄电池两种。目前使用的镍镉NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li-Ion)电池都是碱性电池。