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1、第二章 化学电源设计理论基础及设计过程,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,目 录,2.0 平行电极2.1 化学电源中的电传导2.2 法拉第定律及其应用2.3 电化学热力学基础2.4 电化学动力学基础2.5 电池设计中的表界面现象与应用2.6 电池组合原理2.7 电池设计的终极目标与实现2.8 电池设计的基本程序2.9 电池设计前的准备2.10 电池设计的一般步骤,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,化学电源设计：寻求使化学电源能最大限度地满足用电器具技术要求的过程。,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源设计分类： 原电池设计
2、蓄电池设计单体电池设计：实现构成化学电源基本单元的设计过程。电池组设计：实现多个单体电池组合的设计过程。,按不同设计内容： 研究开发性设计 产品更新换代设计 工艺优化设计,化学电源设计概述,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源设计需解决的主要问题：在允许的尺寸质量范围内进行结构和工艺设计，使其尽可能地满足用电器具的要求（移动电子、穿戴设备、EV）；寻找可行和尽可能简单方便的工艺；尽量降低成本；在条件允许的情况下，尽量提高产品的技术性能；尽量克服和解决环境污染的问题，以满足清洁生产的要求。,化学电源设计概述,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,化学电源设计定位： 尽可能地满足 最大限
3、度地满足 一般满足,化学电源设计评价： 产品均匀率 成品率 生产效率,2.0 平行电场原理,化学电源设计：满足物理概念上的平行电极要求。,化学电源设计与制造工艺学-第一章绪论,等势线 -等流线极片间电势分布,2.1 化学电源中的电传导,电池在实现能量转换过程中的电传导既有电池内部固相（电极）的电子导电过程（多数情况下电子导电过程由电极的集流体来完成），又有电解质溶液的离子导电过程。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,电解质溶液离子导电过程相关理论（溶液化学）,电解质溶液：离子键化合物（强电解质）共价键化合物（弱电解质）离子的水化作用水的离子积难溶电解质的溶度积同离
4、子效应电解质溶液的电导率离子在溶液中的运动扩散和电迁移电解质离子的活度与活度系数,2.2 法拉第定律及其应用,法拉第定律：电解过程中电荷量与物质量的关系（1）电流通过电解质溶液时，在电极上发生电化学反应的物质的量与通过的电量成正比。（2）当以相同的电流通过一系列串联的电解池时，在各电极上发生化学变化的基本单元物质的量相等。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,m=MQ/nF=M/nFQ,式中：m为电极上发生反应的物质的质量，g; M为反应物的摩尔质量，g/mol; Q为通过的电量，Ah; n为得失电子数；F为法拉第常数，26.8Ah。,电化学工业应用最广泛的定律,2
5、.2 法拉第定律及其应用,电流效率（电量效率）用于发生所需反应的电量占通过电极总电量的比。二次电池充电时的电量（流）效率（充电效率）：用于转化活性物质的电量或活性物质转化量与通过电极的总电量或理论上活性物质的转化量之比的百分数。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,由于两极活性物质性质的不同，导致开始析氧或析氢时的充电深度不同，即到达开始析氧、析氢的时间不同。如铅酸电池，当正极充电深度约为70%时开始析氧，而负极充电深度约为90%时开始析氢。利用此特征设计出负极过剩式密封铅酸电池。,(a) Discharge curves for a typical lead-ac
6、id cell at various rates (b) Chargin curve for the lead-acid cell at C/10,图3-3铅酸电池充放电曲线,2.2 法拉第定律及其应用,电池放电时的电量效率（活性物质的利用率/放电效率）：电池实际放出的电量与电池内活性物质理论上应放出的电量之比。其表达了活性物质被利用的程度，即活性物质利用率。活性物质利用率的高低是衡量电池设计、生产技术水平与管理水平的重要指标。在规定的放电条件下，电池的实际放电容量取决于电极活性物质的数量与其利用率。在电池设计中，合理选定正极、负极活性物质的利用率是电池设计的关键参数之一。,化学电源设计与制造
7、工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.2 法拉第定律及其应用,法拉第定律在容量设计中的应用（限制性物质）在电池设计时，要满足电池能够达到所规定的放电条件下的放电容量的值，就必须合理选定活性物质的利用率，以确定合理的理论容量值，进而确定合理的活性物质的用量。电池的实际容量取决于放电实际容量小的那一个电极，而另一个电极则有过剩的容量未被放出。通常把决定电池容量的电极叫电池容量的限制性电极（一般多为正极），而另一电极则被称为电池容量的非限制性电极（多为负极）。限制电极与非限制电极的容量之比（容量比）的合理性是电池设计优劣的重要评价指标之一。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理
8、论基础及设计过程,2.2 法拉第定律及其应用,法拉第定律在电池串联组合中的应用（电池一致性）在电池的串联使用或串联的单体电池构成电池组使用时，依据法拉第定律，单位时间内每一个单体电池以及每一个电极上所通过的电量是相等的，如果单体电池之间容量不同，或某一单体电池中电极容量与其他单体电池的电极容量不同，那么该串联电路中组合电池所能放出的电量取决于容量小的电池，而且可能导致容量较小的电池的过放电，引起气胀、漏液等不良现象的发生，进而影响到组合电池的使用效果，乃至报废。选择容量（含其它性能）一致的单体电池进行串联组合，是保证单体电池串联使用或串联的单体电池构成高开路电压的电池（组）的基本要求。,化学电
9、源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.2 法拉第定律及其应用,法拉第定律在电池串联组合中的应用（电池一致性）在电池生产工艺中，电极片的质量一致（质量分容）及单体电池的容量一致（容量分容）是构成串联电池组合使用的基础。反映电池一致性的技术指标是电池的均匀率。注：在使用电池时，相同规格型号、相同系列的新旧电池不能混用，同规格型号但不同系列的电池不能混用，均是法拉第定律的要求。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.3 电化学热力学基础,利用电化学热力学原理来分析电池性质是电池设计的热力学基础。可逆电池：电池的可逆性包括电池中的化学变化是可逆的，
10、电池能量的转化是可逆的；可逆电池的电量来源于化学反应；原电池电动势的温度系数；电动势与反应物活度之间的关系。可逆电极：电极的可逆性（在热力学平衡条件下工作，电荷交换与物质交换都处于平衡的电极，即平衡电极）；可逆电极电位（平衡电极电位/平衡电位）；标准电化序（把标准电极电位按数值大小从负到正排成的次序表称为标准电化序或标准电位序）。电位pH图：利用电位pH图可以分析铅蓄电池自放电的可能性。注意其是纯理论的，在实际应用中存在局限性。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.4 电化学动力学基础,不可逆的电极过程电极极化：电流通过电极时电极电位偏离平衡电位的现象（电化学极
11、化，浓差极化）金属的阳极过程（通电时金属的阳极过程、金属的自溶解过程）对于电池而言，负极放电过程为阳极正常溶解过程，负极自放电为自溶解过程。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.5 电池设计中的表界面现象与应用,表界面的含义与分类物理表面（理想表面、清洁表面、吸附表面）材料表面（机械作用界面、化学作用界面、固体黏合界面、黏结界面、焊结界面、粉末冶金界面、凝固共生界面、液相或气相学和界面）以上不同的材料表面在电池中均有体现。液体表面固体表面高分散体系的表面能固液界面现象电极/溶液界面的双电层现象,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.
12、6 电池组合原理,电池组合：按较高电压或较大电流的要求，将若干个单体电池通过串联、并联或复联（串并联）起来。如：铅酸电池、镉镍电池通常是通过复联的形式来提高工作电压，达到输出高功率、大容量的目的。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,电池的串联：串联电池组对单体电池的基本要求是容量一致和内阻一致。,电池的并联：并联电池组实现性能稳定的基本要求是单体电池的容量一致、电压一致、内阻一致。,电池的复联：组合的电池数越多，电池组的可靠性越差。,2.7 电池设计的终极目标与实现,电池设计的终极目标：最低的制造成本和最优的电池性能，即实现物质效用的最大化。合理的设计是电池性能和
13、其成本之间的一种平衡。实现电池设计的终极目标方法：提高生产效率和投料的有效利用，实现化学能最大限度地向电能转化，即投入电池内部每一个活性材料分子尽可能地均参与电化学反应，实现宏观与微观的统一。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.7 电池设计的终极目标与实现,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,电池设计的内容：工艺设计、工艺计算、结构设计等。工艺设计：材料选择与工艺方式的选择与实现、工艺流程（投料顺序）与前后工序间的合理衔接以及确定工艺与工装设备之间的关系等。工艺计算：工艺参数与工艺配方的确定、物料恒算以及不同工序间的合理配置等。结构
14、设计：电池各组成部分结构设计及其排列方式等。对于大多数常规电池而言，电池生产工艺方式、工艺流程、电池结构、工装设备、电池材料与配件等都是定型或基本定型的，所以电池设计过程侧重在工艺计算上。,2.7 电池设计的终极目标与实现,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,合理的无效投料：通常是必需的，如：为保证电池的放电容量，非限制电极活性物质的合理过剩以及限制电极中未被完全利用的活性物质等。不合理的无效投料：是在已保证电池正常要求的情况下的过剩投料，如过多的电液量、过多的活性物质，过剩、过厚的电池壳体与隔离层等。不合理投料一方面增加电池的投料成本，另一方面还可能影响到电池生产
15、及电池性能。,有效投料与无效投料,2.8 电池设计的基本程序,电池设计的基本程序：（1）综合分析（2）性能设计（3）结构设计（4）安全性设计,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.8 电池设计的基本程序,（1）综合分析其一，用电器具所要求的主要技术指标，包括：工作方式（是连续的还是间歇的、是固定的还是移动的）、工作电压、电压精度、工作电流、工作时间、机械载荷、使用寿命、工作环境条件（压力与温度范围）等。其二，设计电池所能达到的技术水平与制造成本。综合分析主要应考虑在用电器具要求的条件下，电池所要达到的技术水平及达到这一目标电池的制造成本。,化学电源设计与制造工艺学
16、-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.8 电池设计的基本程序,（2）性能设计工作电压设计：根据用电器具的工作电压要求，确定电池（组）以及单体电池的开路电压与指定放电制度下的工作电压及工作电压精度。工作电流设计：根据用电器具的电流要求，确定电池（组）的峰值电流及指定放电制度下的工作电流。如汽车启动电流、手机通话工作时的电流等为峰值电流，而手机待机状态时要求的电流为工作电流。容量设计：根据用电器具所要求的放电制度下的最低容量值，确定电池（组）额定容量、设计容量等，从容量设计来确定活性物质的用量。寿命设计：根据用电器具的寿命要求，确定电池（组）的贮存寿命、循环寿命等，寿命设计是选择电池相关材料
17、及其纯度的基础。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.8 电池设计的基本程序,（2）性能设计仅就电池自身而言，为达到性能设计的要求，应着重从构成电池四要素（电极、电液、隔膜、壳体）的角度出发来进行优化设计。活性物质：采用优选法或正交设计方法可选择电极的制备工艺、电极配方、活性物质与添加剂的比例，选择活性物质的粒度、氧化度及成型电极的孔率等。活性物质的粒度不仅可以影响电极的表面状态和结构，而且可以影响活性物质的利用率。粒度较小时，电极表面积较大，利用率也较高；但粒度过小时，颗粒因过高的表面能易于团聚，且电极微孔孔径会随粒度的变细而变小，电解液在电极微孔内扩散困难，
18、液相电阻升高，反之，过大的孔径容易造成颗粒间的接触不良而可能引起固相电阻增大，以及活性物质脱落。对于一些二次电池的负极，需要加入适当的“膨胀剂”或“添加剂”以防止电极物质的“凝结”。另外，电极活性物质的纯度也要高，以防止造成自放电和析氢现象。但过分强调纯度势必增大电池成本。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.8 电池设计的基本程序,（2）性能设计集流体：用于传导电流和支撑活性物质，其必须具备足够的机械强度和导电能力。一方面集流体在生产和使用过程中不断断裂和变形，另一方面集流体应制成均匀的网格，保证电极的电流、电位均匀分布。另外，对于正极集流体，还应考虑到集流体
19、对正极活性物质的抗氧化能力。此外，集流体必须在电液中或在电极极化时要稳定。隔膜：隔膜必须具备足够的机械强度，以保证电池在装配和使用过程中不被破坏。隔膜还必须具有电子绝缘和离子穿过能力，以保证两极的隔离和离子的导电能力。另外，隔膜必须具有较高的孔隙率和较小的孔径，以防止活性物质微粒的迁移，隔膜材料还应具有较高的抗氧化、还原能力，以防止正极或负极上的强氧化剂或还原剂，或被电池工作时产生的强氧化剂或还原剂所氧化或还原。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.8 电池设计的基本程序,（2）性能设计电解质溶液：电液首先必须具有足够高的电导率，以保证液相电阻最小，其次在电池中
20、应该具有足够的数量，用以避免成为电池容量的限制因素，但其量也不能过多，否则，除影响电池的比特性外，也对电池的密封带来困难。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,小结：由于组成电池的各个部分对电池性能都有影响，而且在一定条件下，还可能成为主要影响因素，因此，在电池设计时，不可顾此失彼，从各个角度综合考虑，以求获得电池使用的最佳性能。 另外，电池性能设计是目标设计，即性能指标是设计的应达值，要通过结构设计来实现。,2.8 电池设计的基本程序,（3）结构设计根据电池性能设计的要求及用电器具对电池体积或质量的要求，电池结构设计是为实现合理有效投料及降低电池内阻而进行的电池（
21、组）结构、单体电池结构件、封口结构等方面的设计。电池（组）结构设计：主要包括单体电池结构设计及单体电池间的连接方式设计等。单体电池结构件设计：主要包括电极结构及正负极排列方式设计、隔膜结构设计、电解质溶液用量设计、电池壳体设计、封口结构件设计等。其他部件的设计：如盖、极柱、导电板等的设计要求是选择和确定最适当的尺寸和外形。对于大功率电池还必须进行散热设计；对于低温工作电池，应进行保温和加热设计；对于高空电池，应进行密封和合理排气设计。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.8 电池设计的基本程序,（3）结构设计电池体积的类偏摩效应：很多电池在其充放电过程中，体积会
22、发生膨胀或收缩，这种现象往往会导致电池的早期失效，所以在设计电池时必须予以充分考虑。这种体积膨胀现象不是常见的热胀冷缩物理现象，而是由于化学反应过程所引起的体积变化。物质在化学过程中的体积变化，在化学热力学中被称为体积的偏摩效应。电池装配松紧度参数合理的极板孔隙率,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.8 电池设计的基本程序,（4）安全性设计电池的安全性是指保证在电池正常使用以及合理的可预见误用的情况下电池的安全使用性能。实现电池具有安全性的过程叫安全性设计，一般安全性设计应满足：通过设计防止温度异常升高，超过生产厂家规定的值；通过设计控制电池内部的温度升高；通过
23、设计电池可释放过高的内部压力等。对于不同的电池系列，其安全性差异很大，实现其安全性的方法、途径以及安全性的评价方法也各不相同，设计时可按照相关标准，有针对性地进行安全性设计。,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.9 电池设计前的准备,首先要了解用户对电池性能指要求及电池使用条件，包括：（1）电池的工作电压及要求的电压精度；（2）工作电流，即正常放电电流及峰值电流；（3）工作时间，包括间歇或连续放电时间，以及使用寿命；（4）工作环境，包括电池的工作状态及环境温度等；（5）电池允许的最大体积和质量。有些电池用于特殊场合，还有特殊要求，如耐冲击、耐振动、加速度、高安全
24、性以及低温低压等。同时需结合下列问题进行考虑：（1）材料来源；（2）电池特性的决定因素；（3）电池性能（4）电池工艺；（5）经济性；（6）清洁生产,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.9 电池设计前的准备,（1）材料来源丰富、价廉；产品开发；经济性 如一次电池中的锌锰电池，二次电池中的铅酸电池,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.9 电池设计前的准备,（2）电池特性的决定因素电极活性物质电极活性物质的选择电池反应生成物的状态活性物质的稳定性电池的质量比能量与体积比能量的差活性物质的活性电解质溶液电解质溶液应具备的基本条件（电解液的
25、稳定性要 高，电导率要高）电解质溶液的选择,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.9 电池设计前的准备,电池的结构、形状和尺寸扣式电池厚度的影响圆柱式电池直径的影响正、负极的装配结构的影响电解液隔离层的影响电池零部件材料性能的影响,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.9 电池设计前的准备,（3）电池性能工作电压的平稳性工作温度范围贮存性能二次电池的循环寿命（4）工艺方面的准备电极制造与选择电池的装配结构,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.10 电池设计的一般步骤,确定组合电池中单体电池数目、工作电压
26、和工作电流密度计算电极总面积和电极数目电池容量计算计算电池正、负极活性物质的用量电池正负极的平均厚度隔膜材料的选择与厚度、层数的确定电解液的浓度与用量的确定确定电池的装配松紧度及单体电池容器尺寸,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.10 电池设计的一般步骤,确定组合电池中单体电池数目、工作电压和工作电流密度,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,根据选定系列电池的伏安曲线，来确定单体电池的工作电压和工作电流密度,2.10 电池设计的一般步骤,2. 计算电极总面积和电极数目,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,
27、2.10 电池设计的一般步骤,3. 电池容量计算额定容量的计算：额定容量=工作电流工作时间确定设计容量设计容量=(1.11.2)额定容量,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.10 电池设计的一般步骤,4. 计算电池正、负极活性物质的用量单体电池限制电极物质用量设计容量电化当量/利用率 单体电池非限制电极物质用量设计容量电化当量/利用率过剩系数 活性物质利用率的确定,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.10 电池设计的一般步骤,5. 电池正负极的平均厚度,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.10 电池设计的一般步骤,6. 隔膜材料的选择与厚度、层数的确定根据隔膜本身性能及具体设计电池性能要求来确定7. 电解液的浓度与用量的确定根据选定的电池系列特性以及结合具体设计电池的使用条件来或根据经验数据来选定,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,2.10 电池设计的一般步骤,8. 确定电池的装配松紧度及单体电池容器尺寸,化学电源设计与制造工艺学-第二章化学电源设计理论基础及设计过程,
