电池技术外文翻译资料
2022-08-13 03:08
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第4章 电池技术
4.1 介绍
电池是将化学能转化为电能的装置。每个电池都有两个端子或电极等等，正的阴极( )和负的阳极(-)。当装置接通电源时，化学反应开始，产生的电子从阳极到阴极运动，并产生功。这就是放电过程。在充电过程中，操作是反向的。基本单元是电化学电池，在第二章已经介绍过了。由于单个单体电池在电压和容量方面受到限制，所以电池通常由几个电气性连接的电池组成。通过串联许多电池，就形成了电池组。电压是每个电池的电压之和，而电流是相同的。电化学电池也可以并联，所有电池电压相同，电流为各电流之和。
一次电池是一次性的，因为它的电化学反应是不可逆转的。一次电池有时被称为一次性电池。另一方面，二次电池是可充电的，因为电化学反应可以通过向电池施加一定的电压来逆转放电的相反方向。
电池容量Q是电流和时间的乘积，例如，单位为安时(Ah)或毫安时(mAh)。电池电压和额定安时的乘积称为电池的瓦时，被计算为。
比能量密度定义为单位质量所储存的能量的量，即Wh/kg。能量密度定义为单位体积内储存的能量的量，即Wh/m3。性质
功率密度有时被使用，这被定义为每单位质量或体积的最大能量放电率。电极的理论容量与特定反应中转移的电荷有关。它来源于法拉第定律(参见第二章)
(4.1)
其中Qth为理论比容量，单位为Ah/kg, ne为转移电子的摩尔数，F为法拉第常数(见第二章)，Mw为电化学活性物质的分子量(kg/kmol)。
电池的成分可以被描述为活性成分，这些是电极。无活性的则为电解液、隔膜、集流体和外壳。
电极由导电材料和离子导电材料制成。金属电极允许电化学反应只发生在最外层，这被称为阻塞电极。对于所谓的插入电极或非阻塞电极，氧化还原反应既发生在电极表面，也发生在电极体中，因此可用于可充电电池。
电解质通常是溶解在一种或几种溶剂中的一种或几种盐的溶液。电解质的主要任务是传导离子。此外，它应该禁止短路。
隔膜提高了电解液的机械强度，有助于避免内部短路。通常隔膜是在多孔材料中，具有高的离子导电性和良好的电子绝缘性。
集流体被用来提供有效的电子转移。通常使用薄的铜箔或铝箔。集流体还应该能够从电极上消除热量。
外壳的目的是提供机械稳定性和防止外界的影响。同时它保护液体电解质不被蒸发。外壳材料一般为塑料或金属材料。
C速率是衡量与最大电池容量相关的放电或充电速率的指标。1C速率是单体在1小时内放电的电流。参见第4.9节。
图4.1所示为日常生活中使用的电池集合。
在以下各节中，将简要介绍各种电池技术。
单用电池或一次电池为碱性或锂型，自放电率极低，使用寿命长。它们随处可见，而且比充电电池更便宜。然而，它们必须在完全排放后进行处理。碱性电池是利用锌(阳极)和氧化镁(阴极)的化学反应，利用氢氧化钾的碱性电解液来产生电流。碱性电池相对于其他初级电池的优点是具有更高的能量密度。
可充电电池可以多次充电，最高可达500次以上。一般是镍金属氢化物或锂离子型。然而，也有制造商提供特殊设计的电池，使碱性电池也可充电。可充电电池比一次电池产生更少的废物，提供更好的长期价值，但它们比一次电池更贵。
镍氢电池也可以作为预充电充电电池。这些可以直接插入设备中使用。它们的自放电率也低于标准的镍氢电池。
4.2 铅酸电池
就像前面提到的铅电池一样，人们通常会把汽车电池当作启动电池。它提供了一个短爆高功率的启动和点火系统启动内燃机。它还提供额外的电力时，车辆的电力负荷超过供应的充电系统。启动电池有一个低内阻，这是通过额外的板以最大化表面积实现的。金属板很薄，铅以像海绵一样的形状提供，使表面积进一步扩大。由于放电时间短，电池在行驶过程中需要充电，所以板厚就不那么重要了。图4.2所示为铅酸电池的原理示意图。各组成部分都有明确指示。
铅电池也被用作深循环式电池，例如在船上或野营车，它们被用于附件，如牵引电机，绞盘或灯。然后电池提供一个较低但稳定的功率水平，比启动电池的时间长得多。这种电池也可用作备用电池，在停电时提供电力。另一种用途是作为动力电池，为叉车等的电动马达提供动力。深循环电池有厚板来提高循环能力。
铅电池可能有双重用途，然后设计服务于启动和深度循环服务的平衡组合。根据放电深度(DoD)的不同，循环的数量也不同。深循环电池比起动机电池允许更多的循环。
电极是铅和铅氧化物。电解液是硫酸(H2SO4)和水的混合物。电池是可充电的。
在放电过程中，铅(Pb)是阳极或负极，氧化铅(PbO2)是阴极或正极。
阳极上的反应是：
（4.2）
阴极上的反应是：
（4.3）
总的反应是：
（4.4）
电池电位计算为：
（4.5）
应该注意,E 和E-是标准的电池还原电位的一半(见第二章)。因此,还原电位给阳极(Pb)的反应是负的。从附录的表中可以找到E-=-0.356 V。同样查找于同一个表的阴极E =1.685 V。此时电池电压变为：
（4.6）
铅酸技术的缺点被陈述为重量重、使用在低的充电水平(SOCs)和充电接受能力不足。此外，铅是有毒的。比能低但比功率高。此外，铅酸电池表现为低自放电。
4.3镍氢电池
镍金属氢化物、镍氢电池在当今有广泛的用途，并且是可充电的。NiMH电池具有与NiCd电池非常相似的特性，但是没有与NiCd电池相关的不利环境影响的缺点。
NiMH电池主要有以下几个元素。(1)镍氢电池的正极为氢氧化镍。这个电极在充放电反应中只交换一个质子。(2) NiMH电池中的碱性电解液为约30%的氢氧化钾(KOH)水溶液，具有很高的离子电导率。电解质通常在充放电周期保持恒定的浓度。这是很重要的，因为电解质浓度是电池电阻的主要贡献者。(3)氢是负极中的活性物质，而氢以金属氢化物的形式储存，构成负极。金属氢化物中氢的含量按重量在1e2%范围内。
图4.3为部分镍氢电池的照片。
图4.4所示为NiMH电池的原理示意图。
放电过程中发生的反应如下(充电从右向左反转)
负极： （4.7）
正极： （4.8）
整体净反应： （4.9）
镍氢电池的额定电压为1.2-1.3 V。这些电池已经取代了镍镉电池，通常有AA尺寸(见4.10节)。它们通常用于数码相机，一些电动汽车电池和高负荷设备，主要是因为它们的低内阻。能量密度接近锂离子电池的能量密度。低自放电电池已被开发，但这些具有较低的能力比标准的镍氢电池，因为需要更厚的隔膜有更大的体积。
更多信息见参考文献。
4.4锂电池
最常见的锂电池是锂金属电池、锂离子电池和锂离子聚合物电池。最近，锂氧电池和锂硫电池进入了市场。锂离子电池是目前使用最频繁的可充电电池，出现在笔记本电脑、手机、数码相机以及混合动力和电动汽车上。一般来说，它们具有低重量、高能量密度和功率密度。电池电位通常在2.5-4.5 V范围内。有许多关于锂电池的书籍，多年来进行了大量的研究，参见参考文献。
4.4.1 锂金属电池
这些电池工作温度在80 – 120度间，对电动汽车可能很有吸引力。金属锂用作负极，锂插入材料用作正极。电解质是以聚合物为基础的。存在于负极上的金属锂使电池能够以充电或放电的状态进行组装。大多数锂金属电池是不可充电的，在胶片相机中也有应用。
4.4.2锂离子电池和锂离子聚合物电池
锂离子电池的概念是为了克服金属锂电池的安全问题而发展起来的。然而，能量密度低于锂金属电池。这里的负极是以石墨或硬碳的形式存在的碳。然后，正极必须含有锂，通常使用一种插入材料，可以在一、二或三维空间中插入锂。常见的正极材料是含有过渡金属氧化物的锂，其金属为Co、Ni、Fe或Mn。锂离子电池的电解质是在有机溶剂中溶解的锂盐。锂离子电池的正常单电池电压为3.6 V，这是由电池化学性质决定的。自放电低，小于镍基电池。然而，制造成本比其他电池昂贵，比如镍镉电池。
图4.5描述了锂离子电池的工作原理。
锂离子电池有很多不同的类型，它们都是以活性物质命名的。锂钴氧化物(LiCOO2)是最常见的锂离子电池之一，通常缩写为LCO。钴是赋予电池特性的主要活性材料。阴极为氧化钴，而阳极是石墨做的。该阴极具有层状结构，在放电期间锂离子从阳极移动到阴极。在充电过程中，离子流是反向的。LCO的缺点是寿命相对较短，热稳定性低，比功率有限。另一种锂离子电池使用锂锰氧化物(LiMn2O4)作为阴极材料。形成一个三维尖晶石结构，改善了离子在电极中的流动，从而降低了内阻。此外，尖晶石结构提供了高热稳定性和增强安全性。快速充电和大电流放电是可能的。锂锰电池被用作电动工具、医疗器械以及混合动力和电动汽车。另一种锂离子的概念是镍锰钴(NMC)的阴极组合。这种组合通常是每种镍、锰和钴的三分之一。通过这种方式，原材料成本可以降低，因为钴的使用量减少了。NMC混合锂离子电池是一种具有高容量和高功率的新型电池，具有经济、性能好等优点。NMC的应用领域包括电动自行车、医疗设备、电动汽车和能源存储系统。另一种锂离子电池是锂镍钴铝氧化物(LiNiCoAlO2)电池，缩写为NCA。它与NMC有相似之处，但添加铝使化学更稳定。钛酸锂(Li4Ti5O12)是另一种锂离子电池，其中钛酸锂代替了阳极中的石墨，这种材料形成了尖晶石结构。阴极可以是LMO或NMC。它的比能相对较低，但很安全。有时这个电池缩写为LTO。磷酸盐也被发现是可充电锂离子电池的合适的阴极材料。磷酸铁锂(LiFePo4)电池的阳极是石墨。该电池具有高电流额定值、长循环寿命、良好的热稳定性和高安全性。
以LiCoO2为正极(阴极)、碳为负极(阳极)的锂离子电池，其总反应或净反应为： （4.10）
在式(4.10)中，→表示充电时，larr;表示放电时。
在锂离子聚合物电池(LiPo)中，电解质是一种聚合物基质，由液体胶化或塑化。电解液是固态的，由于缺乏自由液体，这些电池更稳定，更不易出现充电过度、损坏或滥用等问题。然而，电解液不能像锂离子那样薄，因此电极的有效表面积和相应的功率容量是有限的。标称电压为3.7 V。制造成本也很高。LiPos通常用于便携式设备。它们被认为是强大的，当它们被使用时，它们安全地构成了强大的能源。
4.4.3锂氧电池
锂氧电池是基于锂在负极的氧化和氧(通常来自空气)在正极的还原。正极或阴极通常是由介孔碳与金属催化剂为主体材料的氧。负极一般是金属锂。电化学细节取决于电解质的选择。电解质有四种类型，即非质子型、水型、固态型和混合水-非质子型。锂氧电池的容量取决于电解质和催化剂。电池电位约为2.4 V。图4.6显示了锂氧电池的原理。
这种电池类型是有趣的电动汽车，因为高的能量密度。然而，充放电之间的电压滞后较大，氧(空气)处理也可能出现问题。
4.4.4锂硫电池
在锂硫电池中，金属锂用作负极，而正极是硫。因为硫是电子的不良导体，所以碳基体被用来形成正极。电池电压低于锂离子电池，一般约为2v。各种电解质被认为是像非水的有机液体电解质，离子液体为基础的电解质和非液体电解质。在电化学过程中形成了一些高含锂硫化物，这些高含锂硫化物不溶于电解液，不参与氧化还原反应。受此影响会出现一个比理论上的预测更低的容量。
4.5镍锌电池
镍锌电池的化学性质与4.3节所述的镍金属氢化物电池相似。镍和锌毒性低，是相对便宜的材料。NiZn还使用碱性电解液(氢氧化钾，KOH)，锌为负极，氢氧化镍为正极。它的电压比NiMH高，大约1.7 V。总的净反应是。
（4.11）
在阴极发生的半反应：
（4.12）
在阳极发生的半反应：
（4.13）
对于高电压的应用，在多电池中需要更少的电池。
NiZn电池对环境没有威胁。这些电池是不易燃的，NiZn电池化学在高放电率(因为内阻低)，同时保持热稳定性。它们还可以快速充电。镍和锌都易于回收利用，保持其物理和化学性质。锌电极不含铅、镉和汞。
4.6锌碳电池
锌碳电池用于所有的低成本AA, C和D干电池。电极由锌和碳构成。电解质是酸性的糊状物。这种电池是一次性的。
在锌电极的氧化(阳极)非常简单,类似于其他电池,例如,丹尼尔电池(见第2章)。其他反应涉及汇总,包
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