内容简介
化学电源又称电池,是一种把化学能直接转化成电能的装置,是现代社会发展和人类生活的必需品。《现代化学电源》主要从现代应用和发展速度较快的化学电源来分类介绍电池的组成、工作原理、材料发展及应用领域等。涉及化学电源的定义、组成、基本概念、性能参数和发展简史,并按照组成化学电源的元素分类分别介绍了锌电池、镍氢电池、铅酸电池、锂电池、锂离子电池和液流电池,还讲解了燃料电池,包括碱性燃料电池、直接醇类燃料电池和固体氧化物燃料电池等,对各类燃料电池基本原理、关键部件和应用领域分别进行了介绍。本书内容多取自国内外的近报道和作者研究组的新研究成果,实效性强,对于推动我国现代化学电源领域人才的培养、开展相关领域的研究工作具有很好的指导作用。
《现代化学电源》可作为高等院校能源化学工程、化学工程与工艺、应用化学及其相关专业的教材,也可作为电化学、电池材料、新能源等领域科技人员的学习参考用书。
作者简介
孙克宁,1964年生,博士,北京理工大学化工与环境学院院长、教授。1996年于哈尔滨工业大学金属材料系获博士学位,1996-1997年赴法国巴黎居里大学(巴黎六大)表面化学国家实验室从事博士后进修。多年从事能源材料,空间用化学电源、SOFC燃料电池(固体氧化物燃料电池),环境与能源催化剂的交叉研究。承担了多项国家、原航天部和总装备部科研和工程项目,两次获得国家科技奖和多项省部级奖。国防科技工业有突出贡献中青年专家,2006年度教育部“长江学者奖励计划”特聘教授
目录
第1章现代化学电源概论1
1.1概述1
1.1.1化学电源的产生1
1.1.2化学电源的发展2
1.2化学电源组成4
1.2.1电极类型及构成5
1.2.2电解质6
1.2.3隔膜7
1.2.4外壳和集流体8
1.3化学电源类型及应用8
1.4化学电源基本概念9
1.4.1电池电动势9
1.4.2电极电势11
1.4.3可逆电池与实际电池13
1.4.4电极极化与过电势14
1.4.5交换电流密度16
1.5化学电源的性能参数17
1.5.1电池内阻17
1.5.2电池电压18
1.5.3容量和比容量19
1.5.4能量和比能量21
1.5.5功率和比功率24
1.5.6自放电24
1.5.7使用寿命25
1.6多孔电极26
1.6.1特点及基本参数26
1.6.2气体扩散电极27
1.7小结30
思考题31
参考文献31
第2章锌电池32
2.1概述32
2.2锌-锰干电池32
2.2.1概述32
2.2.2工作原理33
2.2.3电池结构35
2.2.4电池组成36
2.2.5电池特性41
2.3锌-锰碱性电池45
2.3.1概述45
2.3.2工作原理45
2.3.3电池结构47
2.3.4电池组成48
2.3.5电池特性50
2.4锌-银电池52
2.4.1概述52
2.4.2工作原理54
2.4.3电池结构56
2.4.4电池组成56
2.4.5电池特性62
2.4.6自动激活电池62
2.4.7新型结构的锌-银电池64
2.5锌-空气电池66
2.5.1概述66
2.5.2工作原理66
2.5.3电池组成67
2.5.4电池分类、结构与特性68
2.6小结74
思考题74
参考文献74
第3章镍-氢电池77
3.1概述77
3.2储氢合金材料77
3.2.1储氢合金的性质77
3.2.2储氢合金的分类78
3.2.3储氢合金的制备技术79
3.3镍-氢电池80
3.3.1概述80
3.3.2工作原理80
3.3.3电池结构及特点82
3.3.4氧化镍电极84
3.3.5储氢合金电极92
3.3.6电池特性96
3.3.7MH-Ni电池的制造工艺100
3.3.8MH-电池的应用107
3.4高压镍-氢电池108
3.4.1概述108
3.4.2工作原理108
3.4.3电池结构及类型109
3.4.4电池性能及应用111
3.5小结113
思考题114
参考文献114
第4章铅酸电池116
4.1概述116
4.1.1工作原理117
4.1.2组成117
4.1.3用途及分类119
4.1.4优缺点119
4.2热力学基础120
4.3板栅合金120
4.3.1铅酸蓄电池板栅的作用120
4.3.2对板栅材料的要求121
4.3.3铅酸蓄电池板栅合金的研究现状122
4.3.4铅板栅的腐蚀125
4.4二氧化铅正极126
4.4.1二氧化铅的多晶现象126
4.4.2二氧化铅颗粒的凝胶-晶体形成理论126
4.4.3正极活性物质反应机理127
4.5铅负极128
4.5.1铅负极的反应机理128
4.5.2铅负极的钝化130
4.5.3负极活性物质的收缩与添加剂131
4.6铅酸蓄电池的电性能132
4.6.1电动势132
4.6.2容量132
4.6.3内阻132
4.6.4能量132
4.6.5比能量132
4.6.6寿命132
4.6.7电压与充放电特性132
4.6.8容量及其影响因素133
4.6.9失效模式和循环寿命135
4.7铅酸蓄电池制造工艺原理137
4.7.1合金制备137
4.7.2板栅的制造138
4.7.3铅粉制造138
4.7.4铅膏的制造139
4.7.5生极板制造139
4.7.6化成140
4.7.7电池的装配142
4.8小结143
思考题143
参考文献143
第5章锂电池145
5.1概述145
5.2锂-碘电池146
5.3锂-二氧化锰电池147
5.3.1锂-二氧化锰电池简介147
5.3.2锂-二氧化锰电池的国内外研究现状及发展趋势148
5.3.3电池结构148
5.4锂-亚硫酰氯电池151
5.4.1锂-亚硫酰氯电池简介151
5.4.2电池结构152
5.4.3锂-亚硫酰氯电池的应用153
5.5锂-硫电池154
5.5.1锂-硫二次电池简介154
5.5.2锂-硫二次电池的飞梭效应及容量衰减机理155
5.5.3锂-硫二次电池研究进展157
5.6锂-空气电池159
5.6.1锂-空气电池的工作原理160
5.6.2锂-空气电池目前所面临的问题162
5.6.3锂-空气电池的研究进展163
5.6.4锂-空气电池自支撑正极166
5.7锂基热储备电池169
5.8小结171
思考题172
参考文献172
第6章锂离子电池174
6.1锂离子电池简介174
6.1.1锂离子电池的发展历程174
6.1.2锂离子电池的工作原理174
6.1.3锂离子电池的特点及分类175
6.1.4新一代锂离子电池的发展需求176
6.2锂离子电池材料177
6.2.1正极材料177
6.2.2负极材料182
6.2.3隔膜材料189
6.2.4电解液189
6.2.5固体电解质190
6.3锂离子电池的结构和设计191
6.3.1锂离子电池的结构191
6.3.2锂离子电池的设计193
6.3.3锂离子电池的安全性197
6.4锂离子电池的开发方向199
6.4.1提高锂离子电池的均匀性199
6.4.2确保电池产品的安全性199
6.4.3降低价格200
6.4.4开发新的电极材料200
6.5本章小结200
思考题200
参考文献200
第7章燃料电池202
7.1概述202
7.1.1工作原理202
7.1.2分类及特点203
7.1.3发展简史204
7.2碱性燃料电池205
7.2.1工作原理205
7.2.2结构和材料206
7.2.3电池特性与应用208
7.3磷酸燃料电池209
7.3.1工作原理209
7.3.2结构和材料210
7.3.3电池特性与应用212
7.4熔融碳酸盐燃料电池213
7.4.1工作原理213
7.4.2结构和材料214
7.4.3电池特性及应用217
7.5质子交换膜燃料电池218
7.5.1工作原理218
7.5.2结构和材料219
7.5.3应用223
7.6直接醇类燃料电池226
7.6.1工作原理227
7.6.2结构和材料227
7.6.3应用234
7.7固体氧化物燃料电池235
7.7.1工作原理235
7.7.2结构和材料236
7.7.3电池特性和应用245
7.8小结246
思考题247
参考文献247
第8章液流电池250
8.1概述250
8.1.1液流电池的工作原理250
8.1.2液流电池的结构251
8.1.3液流电池的类型252
8.2钒液流电池的工作原理254
8.2.1全钒液流电池254
8.2.2钒-溴液流电池256
8.3全钒液流电池的结构256
8.3.1单体电池的结构257
8.3.2液体电解质的循环258
8.3.3电解液储罐结构259
8.4全钒液流电池关键材料259
8.4.1液体电解质259
8.4.2质子交换膜260
8.4.3电极材料261
8.4.4双极板262
8.4.5电池组框架与储罐262
8.5小结262
思考题263
参考文献263
精彩书摘
《现代化学电源(孙克宁)》:
铅塑料复合板栅是蓄电池行业的科学家们为提高铅酸蓄电池比能量而不断努力的结果,是延长电池寿命、提高质量/电学特性比很有希望的途径,它最早由美国江森控制公司于1980年开发成功。这种板栅将普通板栅导电和支撑活性物质的功能分开,分别由板栅的两个部分完成。其中发散形的铅合金条起着导电的作用,而支撑活性物质则由剩余部分网状质轻的塑料完成。塑料大大减轻了板栅质量,发散形导电骨架的设计则降低了极板内的电压降,使电池具有高倍率放电的能力。Pierson和Weinlein的实验表明,这种板栅在铅酸电池负极中的使用,使电池质量减轻了16%,低温启动性能提高了32%。……。比如,在多孔的聚丙烯上镀铅、聚苯乙烯上镀铅、渗铅塑料纤维编织垫、薄的低强度铅导电板栅构件上的塑料支持体等。
其他复合材料有在可铸性树脂、玻璃纤维、碳纤维上镀金属作为板栅材料,如由70.0%聚乙烯、27.3%玻璃纤维上镀2.7%银(或铜、镍)组成的复合材料,碳纤维上镀铅形成的复合材料,及在玻璃纤维上镀铅或铅锡、铅锑、铅钙合金等。但由于这些材料在应用于负极过程中都出现过各种各样的问题,故未被实用化。
……
前言/序言
能源化学工程(Energy Chemical Engineering)是教育部批准的2011年新增专业。北京理工大学是全国首批建立的10个能源化学工程专业的高校之一,2011年秋季学期开始招收首届本科生。能源化学工程专业培养目标是掌握能源化学工程、电化学工程及催化技术等方面的基础理论和基础知识;掌握新能源、能量储存与转换的理论基础和化石能源的清洁利用技术,以及燃料电池系统与氢能利用、电化学功能材料与能源储存转换技术;了解可再生能源(太阳能、风能、生物质能、海洋能等)利用途径;培养出在新能源的利用和转化领域内专业的经营管理和科研开发的高级技术人才。
本专业主要学习化学电源与物理电源(燃料电池、锂电池、Ni-H电池、太阳能电池、生物电池等)的利用技术;学习能源材料与能源转换材料(储能材料、电极材料、光电转换材料等)的合成和设计;燃料化学与工程中催化剂、添加剂、高能碳氢燃料等新型燃料或能提高燃料利用效率的技术。《现代化学电源》是多家高校开设的本专业核心课程之一。
化学电源又称电池,是一种能将化学能直接转变成电能的装置,它通过化学反应,消耗某种化学物质,输出电能。常见的电池大多是化学电源。它在国民经济、科学技术、军事和日常生活方面均获得广泛应用。化学电源在21世纪发展迅速,许多新技术、新方法、新成果不断涌现,化学电源正逐渐成为推动现代社会发展重要的技术力量和手段。为了及时跟进化学电源的最近进展,全面介绍现代化学电源的新技术和新成果,北京理工大学在《现代化学电源工艺学》课程讲义的基础上组织编写了《现代化学电源》教材。本教材资料丰富、内容生动,配以大量图表和实例,形象有趣地介绍了电化学电源工艺学的基础知识和应用,涵盖了其基本概念、实验技能以及应用实例。
本教材是作者团队多年来从事现代化学电源研究工作的总结,主要从现代应用和发展速度较快的化学电源来分类介绍电池的组成、工作原理、材料发展及应用领域等。本书涉及化学电源的定义、组成、基本概念、性能参数和发展简史,并按照组成化学电源的元素分类分别介绍了锌电池、镍氢电池、铅酸电池、锂电池、锂离子电池和液流电池,还讲解了燃料电池,包括碱性燃料电池、直接醇类燃料电池和固体氧化物燃料电池等,对各类燃料电池基本原理、关键部件和应用领域分别进行了介绍。本书内容多取自国内外的最近报道,实效性强,对于推动我国现代化学电源领域人才的培养、开展相关领域的研究工作具有很好的指导作用。
本教材解决了以前教材要么偏重于基础理论,要么偏重于工程技术的弊端,既完整地介绍电化学的发展脉络及其重要基础知识,同时根据电化学在实际科学研究和工业生产中的应用,把科学基础问题和解决实际问题联系起来,做到基础知识和实际应用,科学研究和工程技术的紧密结合。通过这种编写思路上的改进,本教材可望实现对学生创新能力的提升,把基础教育、科研实践和工程应用集中到讲堂上,提高学生的学习兴趣,激发学生的学习热情,推动学生从被动型输入学习到主动型积极探索的转变。同时也可供科研人员和工程技术人员参考。本书是作者多年来从事现代化学电源研究工作的总结,并对各种化学电源的基本原理、关键材料和最新的发展现状及未来发展方向进行了详细的介绍。
本教材由北京理工大学、哈尔滨工业大学联合编写完成,孙克宁、乔金硕编写第1章,朱晓东编写第2章,乔金硕编写第3章,王振华编写第4章,赵光宇编写第5章,张乃庆编写第6章,孙旺、乐士儒、王芳编写第7章,樊铖编写第8章。孙克宁教授负责全书筹划、编写以及全书统稿。在本教材编写过程中,重庆大学魏子栋教授、华中科技大学王鸣魁教授提供了大力帮助,在此表示衷心感谢!
由于编者水平所限,教材中可能还存在各种疏漏,恳请读者和同仁批评指正!
编者
2017年4月
能源的未来:现代化学电源的奥秘与革新 在这个科技日新月异的时代,能源的开发与利用已成为驱动社会进步的关键。从智能手机到电动汽车,再到储能系统,我们生活的方方面面都离不开高效、可靠的化学电源。本书将带您深入探索现代化学电源的迷人世界,揭示其背后蕴含的科学原理、技术革新以及面向未来的无限可能。 电池的黎明:从沃尔塔到锂离子 化学电源的旅程始于18世纪末,意大利物理学家亚历桑德罗·沃尔塔发明的“沃尔塔电堆”,开启了人类利用化学反应产生电能的先河。这一简单却革命性的装置,为后世的电池发展奠定了基础。随着科学的不断发展,各种类型的电池应运而生,它们在化学构成、工作原理和能量密度上各有千秋。 锌-锰干电池,作为最早普及的便携式电源,以其结构简单、成本低廉的优势,在手电筒、玩具等领域扮演了重要角色。其工作原理基于锌的氧化和二氧化锰的还原,虽然能量密度有限,但其易于制造和使用,使其一度成为家庭的常备品。 铅酸电池,以其坚固耐用、功率强大的特点,在汽车启动电源领域占据主导地位。其核心是铅和二氧化铅在硫酸溶液中的氧化还原反应,虽然重量较大且存在环境污染问题,但其卓越的放电性能和低成本,使其在特定应用场景下依然不可替代。 镍镉电池,曾经是便携式电子设备的主力军。它利用镍的氧化物和镉的金属作为电极,具有较好的功率输出和循环寿命。然而,镉的毒性问题和记忆效应使其逐渐被更环保、性能更优越的电池所取代。 镍氢电池,作为镍镉电池的升级版,在能量密度和环保性能上都有显著提升。它以储氢合金作为负极,减少了有毒物质的使用,并且具有更低的自放电率和记忆效应。许多混合动力汽车早期都采用了镍氢电池技术。 锂电风暴:开启能源新纪元 然而,真正将化学电源推向新高度的,是锂离子电池的崛起。自20世纪90年代初商业化以来,锂离子电池以其前所未有的能量密度、轻巧的体积、长久的循环寿命以及几乎无记忆效应的特性,彻底改变了便携式电子设备的面貌,并成为电动汽车领域的核心驱动力。 锂离子电池的精髓在于锂离子的“摇摆”运动。在充电时,锂离子从正极材料(通常是含锂的金属氧化物,如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等)中脱出,嵌入负极材料(通常是石墨)中;在放电时,锂离子则从负极脱出,重新回到正极。这个过程伴随着电子的定向移动,从而产生电流。 本书将深入剖析不同类型的锂离子电池正极材料和负极材料的结构、性质及其对电池性能的影响。例如,钴酸锂(LCO)以其高能量密度成为消费电子产品中的宠儿,但成本较高且安全性有待提高;锰酸锂(LMO)成本较低,功率性能好,但能量密度和循环寿命相对逊色;磷酸铁锂(LFP)则以其优异的安全性、长循环寿命和环境友好性,在电动汽车和储能领域崭露头角,尽管其能量密度和低温性能可能略显不足。 同时,本书还将探讨影响锂离子电池性能的关键因素,包括电解液的组成与性能、隔膜的结构与功用、以及电极材料的微观结构与形貌。例如,电解液不仅需要提供锂离子的传输通道,还需要具备良好的化学稳定性和电化学稳定性,以防止副反应的发生,延长电池寿命。隔膜的作用是隔离正负极,防止短路,同时允许锂离子通过。新型隔膜材料的设计,如陶瓷涂层隔膜,可以显著提高电池的安全性。 探索前沿:下一代化学电源的梦想 尽管锂离子电池取得了巨大成功,但科学家们并未止步。能源需求的持续增长以及对更高能量密度、更长寿命、更低成本和更高安全性的不懈追求,驱动着下一代化学电源的研发。 固态电池是目前备受瞩目的研究方向之一。与传统的液态锂离子电池不同,固态电池采用固态电解质取代液态电解液。这不仅有望彻底解决锂枝晶生长导致的短路和安全问题,大幅提升电池的能量密度和安全性,还能简化电池的封装工艺,降低生产成本。本书将深入探讨不同类型的固态电解质,如聚合物电解质、氧化物陶瓷电解质和硫化物陶瓷电解质,分析它们的离子电导率、界面稳定性以及与电极材料的兼容性。 金属锂电池则瞄准了利用金属锂作为负极,实现理论能量密度的极大飞跃。金属锂的理论比容量是石墨的十倍以上,若能克服锂枝晶析出和界面不稳定性的难题,金属锂电池将为电动汽车和便携式电子设备带来革命性的续航能力。本书将详细介绍应对金属锂负极挑战的技术策略,包括界面工程、电解液设计以及新型正极材料的开发。 钠离子电池作为锂离子电池的潜在替代品,也吸引了广泛关注。钠资源丰富且成本低廉,这使得钠离子电池在追求大规模储能应用方面具有天然优势。尽管其能量密度和循环寿命目前尚不及高性能锂离子电池,但通过材料科学的进步,钠离子电池有望在电网储能、低成本电动汽车等领域实现突破。 液流电池则是一种不同于传统电池的储能技术,其能量和功率可以独立扩展。液流电池将电化学活性物质溶解在电解液中,并储存在外部的储罐中。通过泵将电解液循环通过电化学反应堆,实现充放电。这种结构使其特别适合大规模、长时程的电网储能应用,能够有效平抑可再生能源的波动性。本书将解析不同类型的液流电池,如钒液流电池、锌溴液流电池等,并讨论其优缺点及应用前景。 电池的未来:可持续发展与智能互联 化学电源的发展不仅关乎能量密度和性能的提升,更与可持续发展和智能互联的未来紧密相连。 可持续性是下一代化学电源研发的核心考量。这意味着需要选择可再生、低毒、易回收的材料,并优化生产工艺以减少环境足迹。例如,推动磷酸铁锂电池和钠离子电池的广泛应用,以及开发高效的电池回收技术,都是实现可持续能源未来的重要一步。 智能化是化学电源发展的另一重要趋势。通过先进的电池管理系统(BMS),我们可以实时监测电池的状态,优化充放电策略,提高电池的效率和安全性,并延长其使用寿命。未来,电池将不仅仅是能量的载体,更将成为智能能源网络中的一个重要节点,与其他设备和系统进行协同工作。 总而言之,本书将从基础理论到前沿技术,从应用现状到未来展望,全面、深入地为您展现现代化学电源的精彩世界。通过对化学反应原理的精妙运用,人类正在不断突破能源的边界,构建一个更加清洁、高效、可持续的能源未来。