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实验目的
1,掌握各种二次锂电池组http://www.ry***/的工作原理。
2.测量各种二次电池在常温的充放电曲线。
3.了解不同二次电池的特点,比较各种电池的开路电压、平均工作电压、首圈放电比容量、库仑效率及比能量等电化学性能。
实验原理
1.二次电池的性能指标参数
二次电池又称可充电电池或蓄电池,是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激
活而继续使用的电池,利用化学反应的可逆性,可逆地转化化学能和电能。目前市场上常见
的二次电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池以及锂离子电池。
二次电池的主要组成部分有正极、负极、电解质、隔膜、电池壳,评判电池性能的指标
有开路电压、工作电压、比容量、比功率、电池的自放电率以及电池的寿命。电池开路电压
即为电池外电路无电流流过时,两电极的电位差。平均工作电压即为电池工作时的放电平均
电压。比容量为单位质量或单位体积的活性物质所能放出的电量。库仑效率为放电容量与充
电容量的百分比值。电池的寿命指随着循环圈数的增加,电池放电比容量的大小。
在一定的放电条件下可以从电池获得的电量,分为理论容量、实际容量和额定容量。理
论容量(C。)指由电极活性物质计算得到的容量(A?h),实际容量(C)是在一定的放电
条件下,电池实际放出的电量。额定容量(C,)是在设计和制造电池时,规定电池在一定
字电电段材
电条件下应该放出的低限度的电量
电池的能量是电池在一定条件下对外做功所能输出的电能,单位Wh,分为理论能
和实际能量,理论能量(W2)是电池的放电过程处于平衡态,放电电压保持电动势(E)
数值,且活性物质利用率为100%,在此条件下电池的输出能量,实际能量(W)是电地数
电时实际输出的能量
W-CU
式中,C指电池实际容量,A?h;U。、指电池的平均工作电压,V
实际电池中常使用比能量来评判电池性能。比能量(W')可以用质量比能量或体积
能量表示,又称能量密度
CU
式中,C指电池实际容量,A?h:U、指电池的平均工作电压,V:m为电池质量
g;V为电池体积,L
电池功率指在一定的放电模式下,单位时间内电池输出的能量(W或kW),比功率
单位质量或单位体积的电池输出的功率(W/kg或W/1)。比功率的大小表示电池承受工能
电流的大小
P=IUI(E IR.
自放电率是指单位时间内电池容量降低的百分数
2.铅酸电池的工作原理
铅酸电池是一种二次电池,其负极为海绵状铅,正极为二氧化铅,隔板为微孔塑料板或
橡胶板,电解液为稀硫酸,其电池结构为
PbH2SO(溶液)PbO
船酸电池放电的电极反应:
Pbso,
阳极:
Pb-tso
阴极:PbO2+4H+SO4+2eーPbSO1+2H2(0
2PbS0)+2H1()
Pb+Pho, +2H. S0
总反应:
铅酸电池充电的电极反应
Pbo): +IH SO2
Pbso, +2H,0-2E
阳极:
PbSO1+2e-一Pb+S
阴极
物
Pb +Pbo)+2H S0.
2PbSO4+21(
总反应
3.镉电池的工作原理
镍镉电池的正极材料为经基氧化保和石墨粉的混合物,负极材料为海绵状粉和氧化
二电的电化学性腰检
用的一次电108年。受明了性电。该电池早期用于电动
し。它的是用和を命长。是由本高、能量度低、已运新注。
1000年,镉电池同世,主要用于重负载工业,20世纪50年代烧结极板的设计使得二次电
池在功率和能量密度上有了较大的提高,开了其应用市场。密封二次电池的开发带来
了新的用。面看人对电能的要求来。强新出一新型的二次电池,如近十
多年出现的离子电池和氧电池,这些电池已成功进入了商品化应用
3,二次电池的使用
各种类型的三次电池都有其必须意的使用条件。因为二次电池反应的可逆性是相对的
和有条件的。如多次的过放电和过充电可能会导致电池容量不可逆地降低?直至电池报度。
4.有关电池的一些基本概念
(1)电池的组成电极、电解质、隔膜、外壳
2)电能的内阻(R)电池在电流通过时内部产生的阻力,是电池内部欧姆电阻和极
化电阻之和
(3)比容量单位质量成者单位体的电活性物质所能人成脱的与性离子数
相应的电量。质量比容量一容量所量。单位mA?hg;体积比容量一容量体积
单位mAh
1)充放电倍率。电池在额定时间内充电或放电到额定容量的电流。充放电倍率可定义
为=C。式中C为电的定电化学容量位。单位A?h或mA?h、t为放电时间、单
位h。个等量为2A?h的电池以20h放电称为0.1C倍率放电。1值的大小反映了电池充
放电的。主型与电池内部各种电极过程的速率有关。
(5)循环性能即电池材料在反复的充放电过程中保持其电化学容量的能力。电池循环
的好坏与电料的物定性、化学定性、热稳定性有关。
(6)容量保留率在放电过程中,放电容量占首图放电容量的百分数,容量保留率越
大,说明电池循环寿命越长
子电材用
液离子过,电子在外电路流测,程离子电池的隔膜一般采用聚烯经系高分子树丽从
用的属有单层或多层的两婚(P)和乙烯(PE)微孔隔膜,如 Colvard23s为的
PETP三层孔隔段,理离子电池采用的电解液一般为LiCO, LIPF. Lll、等
有机溶液,有机溶剂可以为一种或几种有机溶剂的混合,常用的有机溶剂包括PC(
),EC(酸乙),BC(碳酸丁烯),DMC(碳酸二甲),DEC(碳酸二(
EMC(碳酸甲乙),DME(二甲基乙烷)等
围离子电池的正负电活性物质均为能够可逆地人,脱嵌离子的化合物,语性物
中至少有一种材料在组装前处于健的状态。一般选择电极电势(相对金属电极)
在空气中稳定的键金周氧化物为正极材料,它是电池中离子的“储存库”,主要有层
结构的LMO2和尖品石型结构的LM2O,化合物(M=Co、Ni、Mn,V等过霞金
素),锥离子电池负极材料应选择电极电势足够低的可嵌钾的材料,如焦炭,石墨,中
碳做球等碳材料,过渡金属氮化物,过渡金属氧化物及其复合氧化物。目前比较成熟的
子电池的正极材料有 Licoo2、LiNO2和LiMn2O,等化合物,负极材料有能嵌入L的
素材料或石墨插层化合物(GIC)等
图11为锥离子电池的工作原理示意图,电池充电时,锂离子从正极中脱,经过
和电解液,人到负极中:放电时离子则从负极中脱嵌,入到正极中,外电路电子
负吸迁移至正极形成电流,图12为离子电池的柱状结构示意图,电池主要由电解液、(备用
,阴极片和阳极片组成。正极材料和负极材料分别涂覆在铝箔和铜箱上,制备得到阴四、
和阳极片,两极片之间是隔膜,隔膜的作用是使正极和负极分开,同时又允许电解液中的
子通过
充电
0.2
测
放电
明极
阳极
8899
2090oo
88888
d8%%8
