§ 2-1 概述 § 2-2 铅蓄电池 § 2-3 镉镍电池 § 2-4 锌银电池 小结 内容要求 第二章 化学电源和特种电源 第二章 化学电源和特种电源 要求掌握： 几种蓄电池的 基本原理、参数、特性和优缺点。 返回 §2—1 概述 飞机： 辅助和应急电源 航天器： 电能的主要来源 返回 主要功能： ＤＣ电源系统： 并联，辅助电源 　　　　　　　　应急电源 　　　　　　　　起发电源 　　　　　　　　地面检修　 ＡＣ电源系统： 应急电源 将化学能直接转化为电能 原电池（一次电池）：只能将化学能转化为电能 　　　　　　　　　　锌锰干电池，锌汞 蓄电池（二次电池）：双向 　　　　　　　　　　铅酸 、镍镉 、锌银。 　　　　　　　　　　机场电源，机上应急电源 　　 储备电池（激活电池） ： 燃料电池： 一、化学电源 原电池（一次电池）： 蓄电池（二次电池）： 储备电池（激活电池） ：干态存储，靠气体压　 　　　　力将电解液通过分配系统进入电池体内 遥控飞机、无人机等：镁银、锌银。 燃料电池： H为燃料， O为氧化剂 不可再生式和可再生式 　　　　　航天飞机 一、化学电源 二、特种电源： 太阳能电池 ：太阳能直接转变为电能 。 单晶硅 、 单晶砷化镓。 　　　　　　　　地球轨道航天器 核电池 ：放射性同位素温差发电器、 核反应、热离子发电 。 　　　　　　　　宇宙探测器，军用卫星 1. 可靠 。 2. 使用 维护 方便。 3. 比功率、比能量 大：单位体积或重量所 输出的功率或能量。Ｗ／Ｌ，Ｗ h／Ｌ　（ kg） 三、对化学电源和特种电源的要求 4. 工作电压平稳， 内电阻 小。 5. 长期储存 ，自放电小 ，可多次 循环使用 、 短激活时间 。 6. 能承受恶劣环境， 低污染 。 返回 §2—2 铅蓄电池 一、组成： 多个单格电池串联。 航空： 12HK-28 每个单格电池：容器、极板、 隔板、电解液 返回 铅蓄电池： （稀） 多孔 橡胶 橡胶（耐酸） 排气帽 电解液 隔板 负极 板 正极板容器 2 PbO SOH 活性物质：参与化学活动的有效物质 合金栅架 （铅锌锑）：提高极板的机械强度和导电性能。 Pb 42 2．工作原理（了解） （1）电极电位的形成 ?负极板： 电极电位→电解液： -0.13V 双电层:电极上为负电荷层、电极表面为正电荷层。 ?阻止 进入电解液 ?吸引 Pb +2 Pb + 2e Pb +2 Pb ? 正极板： 酸性使 2 PbO +4 Pb ?2 O +4 Pb ?2 4 SO ? 气体电极电位： 2 H 2 O=2H 2 +O 2 气体和电解液接触产生， >2.13V 正负极间存在的电位差为 +2 于正极板，吸附 2个 ，形成双电层 电位： 2V （2）放电过程： +4 +2e Pb +2 Pb +2 Pb ?2 4 SO + 4 PbSO +4 Pb +2 Pb 负极板 ： Pb -2e +2 Pb +2 + Pb ?2 4 SO 4 PbSO 2e由负极板提 沉积于极板表 424242 22 PbSOOHPbSOPbOSOHPb ++→++ 正极板 活性物质↓ ↓ ↑ E ↓ 42 SOH OH 2 （3）充电过程 ? 正极板 ： +2 Pb +4 Pb +2 Pb 42 SOH OH 2 ? 负极板 ： Pb 活性物质↑ 3. 参数与特性 电动势 ,内电阻 ,充放电曲线 ,容量和自放电 3 /cmg （ 1）电动势： E=0.84+d （ V） d:15℃ , 1.05～ 1.30 与温度, 电解液密度有关 ? 电解液电阻与电解液浓度有关： 浓度大 , 流动性差，电阻大； 浓度小，离子少，电阻大。 d =1.20g/cm 3 ，电阻率最小。 （ 2）内电阻: 与 结构、介质和充放电程度、温度有关。 ? 成分：极板电阻、电解液电阻、隔板电阻和 电解液与电极间过渡电阻组成。 　主要是电解液电阻 ,过渡电阻。 ?过渡电阻: 电解液与极板间的电阻。 1）与 极板面积、极片疏松度有关 增大面积、片数、疏松度 ，电阻↓ 。 2）与充放电程度有关 放电时间↑， PbSO 4 堵死极板微孔,反应深度↓， r↑ 放电电流↑，电解液渗透来不及，有效作用面积　 　　　　　　　　　　　　　　　　↓， r ↑ 3）与 温度有关： T ↓， 电解液流动差, r ↑。 构 使 （ 3）充放电曲线： 放电曲线：一定电流放电时，电池端电 压与时间的关系曲线。 充电曲线：充电时，电池端电压与时间 的关系曲线。 A： 放电曲线 ?刚开始 快速下降 ?中间较 平坦，持续时间长 ?终止时，电压下降，须切 除负载，E 回升 终止电压：铅蓄电池 ?放电特性与T、i 有关： P17 图 2-1(b),(c) 放电i小，则放电时间t↑ ，电池电压和终止电压高。 T高，则 r小，放电电压高 ，终止电压也高 T太高影响寿命。 0 10 30 50 24 6 放电时间（h） 放电电压 （v） (b) 电池组不同放电电流时的放电曲线 14 18 22 26 604020 5A 25A 50A 170A 放电i小，则放电时间t ↑ ，电池电压和终止电压高。 0 2 4681012 放电时间（h） 放电电压 （v） (C) 温度对电池放电的影响 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 -50 o C -25 o C 0 o C 25 o C T高，则r 小，放电电压高 ，终止电压也高 T太高影响寿命。 B. 充电曲线： ?恒流充电 ? 充电结束时，极板上活性物质几乎全部还原 ?电池电压 ： 2.3V。 ?继续充电：水电解，电势↑，可达 2.6V。 0 2 4681012 放电时间（h） 放电电压 （v） (d)单格蓄电池的充电曲线 14 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 3 4 单格电池的充电曲线 3 电压 , 4 电动势 4. 容量 充足电→终止电压。 单位 :A·h 容量决定于参加化学反应的活性物质 。 活性物质的数量。 活性物质的利用率： 使用：放电电流大小，电解液温度高低。 低温，大电流放电，容量显著减小 结构：减小极板厚度，增加极板面积， 提高疏松程度。 额定容量：Ｔ＝ 25℃ ，额定电流，连续放电 12HK—30，终止电压 1.7Ｖ。 实际容量：一般大于额定容量，放电电流 大小和电解液温度影响活性物 质利用率。 低温大电流放电，容量减小 极板和电解液中含有金属杂质，与极板有效 材料构成微型电池，由电解液短路。 自放电容量减小 放到终止电压以上，电池损坏 。 长期存储的铅蓄电池必须定期充电。 5、 自放电 返 习题 2-1 提高电解液纯度 防止杂质进入蓄电池 § 2－３镉镍电池 （碱性电池） 1. 结构 ： NaOH15% （防镉粉结块） 石墨（改善导 电性） 涂镍钢板 或塑料 　　　　　　 壳体电解液负极板正极板 3 )(OHNi Cd KOH Fe 返 2. 工作原理 　 eOHCdOHCd 2)(2 2 +→+ ? ? OH+→+ OHNieOHNi 2)(22)( 23 2 1.299V 实际 1.34～ 1.36 V, 充足 1.48V。正极 0.12V 负极： -0.809V 正级： +0.490V 电动势与电解液浓度，温度关系不大 。 4 )(OHNi Ni(OH) 2 , Cd(OH) 2 导电性差, 内电阻随放 电时间增加 电动势与电解液浓度，温度关系不大 。 电解液浓度无变化 。 ３．特性 Ａ．放电特性 （１）初始阶段：下降 （２）放电电压平稳，特别是大电流放电 。 （３）终止电压与放电电流有关 小电流长时间可达 1.1Ｖ，大电流可达 0.5Ｖ 0 2 4681012 放电时间（h） 放电电压 （v） (a) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 单格电池的放电曲线 0 2 4681012 放电时间（h） 放电电压 （v） (b) 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 1.5 1h 2h 3h 5h 8h 10h 不同放电时间的放电曲线 Ｂ．充电： 第一阶段：恢复 和 1.5Ｖ。 第二阶段：产生 和 1.8Ｖ。 第三阶段：水电解，气体析出，形成附加气体 电极电位。切断电流 ， 1.48V。 一般要求恒流充电( 均匀 ), 　　而不是浮充 (恒压充电）。 3 )(OHNi Cd 4 )(OHNi Fe 0 1 23456 放电时间（h） 放电电压 （v） (c) 1.0 1.2 1.4 1.6 7 0.8 1.8 8 单格电池的充电曲线 4 812 16 20 24 18 22 26 30 放电电压 （V） 电池容量（A*h） (d) 100A 100A 16A 16A 5A 5A 返 电池容量与放电电流间关系 实 :镉镍 ; 虚 : 铅 4：镉污染→氢镍电池： 负极为钛镍电极，吸附 H 2 。 1) H 2 的气体电极电位 –0.828v，与Cd 的标准 电极电势相等。 2)钛镍电极吸附 H 2 能力强，容量可比镉 镍电池大 30%左右。 § 2—4 锌银电池 一次电池：自动激活、人工激活干式荷电。 二次电池：干式荷电，干式不荷电（未化成） 和湿态未化成和放电存储态。 返 1. 构成 ： ZnOH ZnO 氧化态 KOHZn Ag 电解液负极正极 22 OAg OAg 2 2. 工作原理： 2 )(22 OHZneOHZn →?+ ? OHZnO 2 +→ ? +→++ OHOAgeOHOAg 22 2222 ? +→++ OHAgeOHOAg 222 22 0.345V 0.607V 正极： 或 -1.26V -1.249V 负极 ： OAgZnOOAgZn 222 +→+ AgZnOOAgZn 2 2 +→+ 或 ： 总 ： OAgOHZnOHOAgZn 22222 )( +→++ AgOHZnOHOAgZn 2)( 222 +→++ 正负极均有两种反应 负极 ： 正极 ： 2 )(OHZn OAg 2 对应的特性（电动势、内阻）不一样。 ZnO Ag 3. 特性 放电特性： 二个阶段 ： （一）正极 过氧化银 1.82～ 1.86V,内阻大 （二） Ag 1.54～ 1.61V,内阻小 正极板产物不一样，负极板产物不一样， 电位差不明显 OAg 2 OAg 2 图 2-3 0 2 4681012 放电时间（h） （v） (a) 1.2 1.4 1.6 14 16 1.8 9A 1.5A 放 电 电 压 ∵电压变化小，不能通过检测电压 大小判断放电程度。 0 10 20 30 40 50 60 放电时间（min） 放电电压 （v） (b)不同放电电流特性 1.2 1.4 70 1.6 450A 150A 100A 70A 45A 放电电流大小：大电流放电，阶段性不明显 0 246 8 放电时间（h） 放电电压 （v） (c)9A放电电流时温度影响 1.2 1.6 1 3 5 7 1.4 1.0 1.8 -40 o C -30 o C -20 o C 0 o C +20 o C +30 o C 温度： T↓ 放电电压低，容量小，内阻大。 0 5 10 15 20 25 30 放电时间（min） 放电电压 （v） (d)100A放电特性 18 19 20 21 22 o C -20 0 o C 20 o C 放电时的升压特性： 大电流放电， T 电压 。 容量：与使用有关，温度低，放电电流大， 则容量小。 6个月，容量降15%-25% 电池种类 电动势 （V） 平均工作电压 （V） 比能量 （W*h/Kg） 比功率 （W/Kg） 荷电湿搁置性能 铅酸电池 镉镍电池 镉银电池 锌银电池 2.1-2.2 1.35 1.16 1.6-1.8 2.0 1.0 1.0 1.4 10-50 15-40 40-100 60-160 5-50 5-30 20-160 30-400 1个月，容量降30% 6个月，容量降25%-40% 6个月，容量降10%-15% 表2-1 几种电池主要性能比较 表2-2 几种电池的工作效率 电 池 种 类 铅 酸 电 池 镉 镍 电 池 镉 银 电 池 锌 银 电 池 容量输出效率（%） 能量输出效率（%） 80——90 70——80 75——85 >95 65——70 50——60 55——65 80——85 三种蓄电池比较 小较小大内阻 中 1.6~1.8低 1.35 高 2.1~2.2 电动势 高一般低比功率 高一般低比能量 锌银镉镍铅 高低一般能量输出寿命 高低一般容量输出寿命 30次 一般 1000次 长 15次 短 充放电循环寿命 测放电容量测终止电压判断终止放电 平坦较平坦较陡充放电特性 锌银镉镍铅 航天航空民用 较多应 用场合 最贵适中便宜价格 差关系不大 高低温 特性 锌银镉镍铅 共同点： 1 内阻与温度： T ↑， r ↓ 2 容量与温度： T ↑，I t ↑ 3 容量与电流： I ↑，I t ↓ 4 放电电压和放电电流： I ↑，U ↓ 5 终止电压与电流： I ↑，U D ↓ 放 充 锌银 放 充 镉 镍 稀 放 浓 充 铅 电解液负极板正极板状态 类型 2 PbO Pb 42 SOH 4 PbSO 4 PbSO 42 SOH ( ) 3 OHNi ( ) 2 OHNi Cd () 2 OHCd ( ) 2 OHK 22 OAg OAg 2 OAg 2 Ag ( ) 2 OHK Zn ( ) 2 OHZn ZnO 习题2 —2、2—3。 返 1化学电源和特种电源的定义、分类和特性要求。 2 铅蓄电池的构成、特性和优缺点。 3 镉镍蓄电池的构成、特性和优缺点。 4 锌银蓄电池的构成、特性和优缺点。 小结 返