化学电源：原理、技术与应用

　　本书论述了化学电源的原理、技术及应用，重点介绍了化学电源理论研究和工艺技术的最新成果、进展状况及发展趋势。全书共九章，包括化学电源概论、锌锰电池、锌银电池、铅酸蓄电池、碱性蓄电池、金属空气电池、锂电池、燃料电池和其他电池。本书内容全面系统，概念清晰，说理透彻，图文并茂。本书可作为化学、化工、材料、能源、环境等专业本科生和研究生的参考书，也可供从事化学电源研究开发和生产的科技人员阅读，此外，还可为科技和政府的管理人员及各层次的化学电源爱好者提供参考。本书前言前言化学电源又称电池，是将物质的化学能通过电化学氧化还原反应直接转变为电能的装置或系统。化学电源对人们来说并不陌生，手电筒、电动玩具、随身听、照相机、手机、遥控器、摄像机、电动工具、摩托车、汽车、机车、飞机、轮船、坦克、军舰、潜艇、导弹、卫星等都需要电池。化学电源具有能量转换效率高、能量密度高、无噪声污染、可任意组合、可随机移动等特点，在工业、农业、文教、卫生、国防和科学研究等各个领域都得到了广泛应用，并发挥着重要的作用。化学电源是具有战略意义的军民两用技术，且随着社会的不断进步和科学技术的飞速发展，将显示出更加重要的作用。化学电源一般有两种分类方法：一种是以正负极材料和电解质进行分类，称为电池系列分类法，如锌锰电池、锌氧化银电池、铅酸蓄电池、氢镍电池、锂离子电池、氢氧燃料电池等；另一种是以电池的工作性质和使用特征进行分类，如原电池（又称干电池或一次电池）、蓄电池（二次电池）、贮备电池和燃料电池。这些电池体系的电化学反应原理、电池设计、所用原材料、制造工艺及装配乃至最终产品的使用等各不相同，均有其独特的性能，也有各自的优缺点。因而应用于不同的领域。目前市场上常见的化学电源有锌锰电池、铅酸蓄电池、镉镍电池、金属氢化物镍电池和锂离子电池。近年来，由于电子信息技术的突飞猛进，迫切要求电池小型化、轻便化；环境保护要求的高涨，迫切需求新型绿色电池取代含汞和含镉的电池，也迫切需求新型高性能电池作为电动汽车的动力，以消除汽油车所造成的严重大气污染；天然能源资源的日趋耗竭则迫切要求发展新型高效清洁能源。无汞碱性锌锰电池、金属氢化物镍电池、锂离子电池、燃料电池等是21世纪理想的绿色环保化学电源。金属氢化物镍电池用储氢合金材料取代镉，消除了对环境的污染，同时具有高倍率放电及快速充电的能力，人们称这种电池为绿色环保电池。随着高新技术的发展和人们生活水平的提高，锂离子电池制造技术的进步和电池成本的下降，大大加快了现代移动通讯和家用电器的发展速度，并促进了国防军工、电信技术的发展。燃料电池是一种高效、安静、对环境友好的发电装置，它可以直接将贮存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能。在环境与能源备受人们关注的今天，燃料电池日益受到各国政府和科技人员的重视，近年来在突破多项关键技术的基础上，燃料电池已逐步得到广泛应用。质子交换膜燃料电池是未来电动汽车、潜艇的最佳候选电源，且可广泛用作通信中型站后备电源、移动式电源、家用电站、单兵电源，并且可用于航天、航空、水下领域，产品投资收益大，具有广阔的市场应用前景。从以上不难看出，化学电源不仅在现代军事武器和装备中，而且在国民经济和全球环境保护等各领域中都有着极其重要的地位和作用。随着生产力与科学技术的快速发展，化学电源的性能不断得到提高，化学电源的原理、技术及应用也促进了电池的研发。一方面，在实际生产与应用中，原来化学电源的性能得到进一步改进；另一方面，新的化学电源又在不断被研制。化学电源的发展方兴未艾、前景光明，特别是进入21世纪来，不论是在国内，还是在国外，化学电源均被公认为优先发展的技术，并同信息、能源、环保等重大领域紧密相连，从而极大地推动了“绿色”社会的发展，其意义深远重大。因此，将国内外关于化学电源原理、技术及应用方面的研究成果融入一书，进行综合分析与论述，必将促进我国化学电源，特别是新型化学电源的研究、开发与应用。新型化学电源的研究与开发涉及到电化学体系的反应机理、电极材料、电极制作、电极行为、电池结构、电池装配、电池检测等诸多方面，因而，新型化学电源的研发需要多学科知识交叉融合。编著者所在的南开大学新能源材料化学研究所已有多年新型化学电源的教学实践，适逢南开百年及南开大学建校85周年，为了更加适应教学、科研与生产的需要，并反映当前化学电源的发展水平，编著者通过阅读及总结国内外最新电池科技进展，进行了此书的编写。本书在阐明化学电源基本概念和基本原理的基础上，全面叙述了传统电池的原理和制造技术，并系统地介绍了各类新型化学电源的结构、性能和制造工艺。全书共分九章，依次为：化学电源概论，锌锰电池，锌银电池，铅酸蓄电池，碱性蓄电池，金属空气电池，锂电池，燃料电池，其他电池。本书是受化学工业出版社之约而编写，并得到教育部、科技部、国家自然科学基金委员会和南开大学的支持，在此深表感谢。在编写过程中，课题组许炜、郭兵、徐丽娜、张国英、黎晓霞、张绍岩、程方益、张淑娜、蔡锋石等同志参加了校对工作，在此亦表示感谢。同时，对给予本书以启示及参考的文献作者及多功能信息网络予以致谢。科技发展日新月异，文献浩如烟海，难以全面收集与一一标明，再则由于编著者水平有限，书中定有疏漏与不妥之处，敬请专家与读者予以批评指正。

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第1章化学电源概论1
11化学电源的组成和表示方法1
111构成电池的必要条件1
112化学电源的组成3
113表示方法与命名13
12化学电源的分类14
121按电池系列分类14
122按电池的工作性质及使用特征分类14
13化学电源的工作原理17
14电池的电动势和电极电势18
141电池的电动势18
142电极电势20
15实际电极过程22
151电化学可逆过程22
152电极的极化与超电势23
153极化作用的分类24
154交换电流密度26
155金属的钝化28
156金属的自溶28
16化学电源中的多孔电极30
161多孔电极的特点30
162多孔电极行为32
163多孔电极的分类32
17化学电源的性能33
171电压33
172电池的内阻34
173电池的容量和比容量35
174电池的能量和比能量39
175电池的功率与比功率43
176电池的贮存性能和循环寿命43
177化学电源一般特性的表征方法45
18化学电源的发展与展望46
181化学电源的发展简史46
182电池的发展规律49
18321世纪化学电源展望50
参考文献53
第2章锌锰电池54
21锌锰电池的种类及命名方法54
211锌锰电池的种类54
212锌锰电池的型号及命名方法54
22糊式锌锰电池55
221糊式锌锰电池的结构55
222锌锰干电池的工作原理56
223锌锰电池的主要电性能62
224影响锌锰电池性能的主要因素66
225锌锰干电池的主要原材料73
226传统糊式锌锰电池的生产工艺75
227特点与用途78
23纸板锌锰电池78
231铵型纸板锌锰电池79
232锌型纸板电池81
233积层式锌锰电池83
24碱性锌锰电池85
241一次碱性锌锰电池85
242可充碱性锌锰电池91
25锌锰电池的现状与展望93
251锌锰电池的现状93
252展望94
参考文献96
第3章锌银电池99
31概述99
32锌银电池的电化学原理及类型99
321电化学原理99
322类型101
33锌电极104
331锌的阳极钝化104
332锌的阴极还原过程106
34氧化银电极107
341充放电特性107
342氧化银电极的自放电109
35锌银电池的生产工艺110
351锌电极的制造110
352银电极的制造112
353隔膜的处理114
354电解液浓度与用量的选择116
355电池的装配117
36锌银电池的性能118
361充放电性能118
362锌银电池的寿命120
37锌银电池的特点与用途122
参考文献124
第4章铅酸蓄电池126
41概述126
42铅酸蓄电池的型号与分类127
421产品型号的含义127
422铅酸蓄电池的分类128
43铅酸蓄电池的基本结构129
431正、负极板130
432电解液130
433隔板和电池槽131
44工作原理131
45电池的电动势及温度系数132
451电池电动势的计算132
452电池电动势的温度系数135
46铅硫酸水溶液的电势ph图135
461电势ph图及相关的反应136
462电势ph图的应用138
47板栅139
471板栅的作用139
472对板栅材料的要求140
473铅合金材料141
474复合材料146
475其他板栅材料146
476板栅的构型147
48铅酸蓄电池的正极148
481正极活性物质二氧化铅的晶型结构及其性能148
482两种晶型的形成条件和转变150
483正极充放电机理150
484正极活性物质的性能变化152
485正极活性物质添加剂152
486正极板栅的腐蚀154
49铅酸蓄电池的负极156
491溶解沉淀机理156
492铅电极的钝化156
493铅负极的自放电157
494负极添加剂157
410隔板和电池槽160
4101隔板160
4102电池槽及其密封技术162
4103铅酸蓄电池的其他零部件162
411铅酸蓄电池的生产工艺163
4111板栅铸造163
4112生极板的制造165
4113极板的化成167
4114铅酸蓄电池的组装170
412铅酸蓄电池的性能170
4121电池的内阻170
4122充放电特性171
4123电池的容量173
4124荷电保持能力174
4125铅酸蓄电池的耐久能力175
4126铅酸蓄电池的失效模式175
413铅酸蓄电池的使用和维护176
414免维护铅酸蓄电池178
4141概述178
4142工作原理179
4143阀控式密封电池的两类技术180
4144vrla电池的新颖结构182
415铅酸蓄电池的发展方向184
参考文献185
第5章碱性蓄电池187
51镉镍电池187
511概述187
512分类与命名187
513工作原理190
514镉镍袋式碱性蓄电池194
515开口镉镍烧结式碱性蓄电池195
516镉镍密封碱性蓄电池200
52氢镍及金属氢化物镍蓄电池205
521氢镍蓄电池205
522金属氢化物镍蓄电池211
53其他碱性蓄电池238
531铁镍蓄电池238
532锌镍蓄电池239
参考文献245
第6章金属空气电池247
61锌空气电池247
611概述247
612锌空气电池的分类248
613电池的型号及命名249
614电化学原理250
615锌空气电池的结构251
616空气电极252
617锌电极256
618电池生产工艺256
619主要性能及其影响因素260
6110特点与用途262
6111几种典型的锌空气电池264
6112锌空气电池的研究进展与前景268
62其他金属空气电池278
621mh空气二次电池278
622镁空气电池279
623铝空气电池280
624镉空气电池283
625铁空气电池283
参考文献285
第7章锂电池288
71概述288
72锂电池的分类290
721锂一次电池292
722锂离子二次电池297
73锂离子电池正极材料298
731锂钴氧化物301
732锂镍氧化物305
733锂锰氧化物308
734livo系化合物313
7355v正极材料及多阴离子正极材料315
736其他正极材料318
74锂离子电池负极材料319
741金属锂负极材料320
742炭负极材料321
743合金类负极材料336
744氮化物负极材料339
745氧化物负极材料340
746过渡金属磷族化合物负极材料343
75电解质345
751概述345
752液体电解质346
753固体电解质及熔盐电解质351
76聚合物锂离子电池354
761聚合物锂离子电池的分类355
762聚合物锂离子电池的性能355
763聚合物锂离子电池的发展356
764聚合物电解质359
765聚合物正极材料373
766新型聚合物锂离子电池382
77隔膜及黏结剂384
771隔膜的性能384
772隔膜的性能表征385
773隔膜的制备方法387
774黏结剂388
78锂离子电池的制造389
781锂离子电池的结构389
782液体锂离子电池的生产391
783聚合物锂离子电池的生产392
784锂离子电池的化成和分选393
79锂离子电池的使用和维护394
参考文献395
第8章燃料电池401
81燃料电池与原电池、蓄电池的区别402
82燃料电池的特点404
83燃料电池的分类405
84燃料电池的发展简史406
85碱性燃料电池408
851原理408
852结构409
853应用412
86磷酸燃料电池415
861概述415
862pafc的结构材料416
863应用418
87熔融碳酸盐燃料电池419
871概述419
872mcfc的结构420
873应用424
88固体氧化物燃料电池425
881概述425
882sofc的结构426
883应用430
89质子交换膜燃料电池431
891概述431
892pemfc部件433
893应用439
810直接甲醇燃料电池446
8101工作原理446
8102结构448
8103应用450
811其他燃料电池453
8111再生型燃料电池453
8112微生物燃料电池454
参考文献456
第9章其他电池459
91镁电池459
911概述459
912镁二次电池材料461
913镁二次电池的开发470
914展望471
92其他新颖二次电池472
921纳米碳纤素电池472
922质子电池473
93热电池473
931概述473
932特点及分类474
933组成与结构475
934 工作原理476
935不同熔融盐电化学体系476
936热电池的使用和维护480
94钠硫电池481
941概述481
942工作原理482
943导电陶瓷隔膜483
944发展趋势484
95zebra电池(nanicl2电池)485
96固体电解质电池487
961概述487
962离子导电机理488
963常温型固体电解质电池489
97贮备电池491
971概述491
972典型贮备电池492
参考文献494