联合循环——11(储能电池)
1.化学能转化为电能
燃烧(氧化还原反应)是将化学能转化为电能的关键,氧化还原反应的本质是氧化剂与还原剂之间电子转移的过程,电子转移引起化学键的重组,同时伴随体系能量的变化,例如煤的燃烧、铝与盐酸的反应都会放出热量(氧化剂与还原剂直接接触反应)。
为了将氧化还原反应所释放的能量直接转换成电能,需要将氧化反应与还原反应分别在两个不同的区域进行,并在一定条件下进行它们之间的电子转移,形成电流(化学电池)。有时为了方便,也需要将产生的电能以化学能的形式储存起来。化学电池就是这样一种能储存氧化还原反应体系能量的装置。
2.氧化还原反应:
氧化还原反应方程式要求反应前后得到和失去的电子数相等;
氧化还原反应(英文:-)是元素氧化数在反应前后发生相应变化的化学反应。该反应可以理解为由氧化和还原两个半反应组成。此类反应均遵循电荷守恒定律。在氧化还原反应中,氧化和还原必须同时且等量地发生。
氧化反应是指氧化剂失去电子,价数增加的反应,还原反应是指氧化剂得到电子,价数降低的反应。
还原剂+氧化剂→氧化产物(氧化数增加)+还原产物(氧化数降低)
一般来说,在同一个反应中,还原产物的还原力弱于还原剂,氧化产物的氧化力弱于氧化剂。这就是所谓的“强还原剂控制弱还原剂,强氧化剂控制弱氧化剂”。换句话说:
氧化剂获得电子,价数降低,并“消耗”自己的氧化力去氧化还原剂,而自身则被还原;
还原剂失去电子,价数升高,会“消耗”自己的还原力去还原氧化剂,而自身则被氧化;
通常,氧化还原反应可以做成原电池。发生氧化反应的电极为阳极,即外电路的负极;发生还原反应的电极为阴极,即外电路的正极。两电极之间存在电位差(电化学中通常称电动势),因此反应可以进行,同时也可以用来做功。
3.铜锌电池
**原料:**铜、锌、稀硫酸;
**原理:**铜和锌的活性不同,锌容易失去电子被氧化成Zn2+进入溶液中。电子从锌片经导线流入铜片,溶液中的H+从铜片上获得电子被还原为氢原子(获得电子,价数降低),氢原子再结合形成氢分子,从铜片中逸出。表达如下:
锌片(“原电池内部”的阳极):Zn-2e-=Zn2+(Zn的价数增加,失去电子,Zn是还原剂,Zn被氧化成Zn2+,氧化反应);
铜片(“原电池内”的阴极):2H+ +2 e- =H2 ⬆(价数降低,得到电子,H+是氧化剂,被还原为H2,还原反应);
被氧化(),被还原()。
原电池将化学能转化为电能的装置。
4. 可充电电池
充电电池又叫二次电池,放电时的氧化还原反应可以在充电时逆向进行(一般是将交流电转为直流电进行充电),使电池恢复到放电前的状态。这样就可以实现化学能转化为电能(放电)再将电能转化为化学能(充电)的循环。充电电池是在一次性电池的基础上发展起来的,更加经济实用。由于电池制造技术等方面的不足。其实充电电池的充电次数还是有限的,而是否正确使用对电池的工作状态和寿命也有很大的影响。
最早使用的电池是铅酸电池,现在汽车上使用的电池大部分还是铅酸电池。
5.镍镉电池
现代社会对大功率便携式电器的需求日益增加,因此开发了一种新型封闭小型可充电电池——镍镉电池。镍镉电池以Cd为负极,NiO(OH)氢氧化镍为正极,KOH为电解液。
电解质(英文:[注1])是在水溶液或熔融状态下,能产生自由离子而导电的化合物。通常指在溶液中导电的物质,而导电的固体物质则不视为电解质。这包括大多数可溶性盐、酸和碱。某些气体,如氯化氢,在高温或低压条件下也能充当电解质。电解质通常分为强电解质和弱电解质。相反,可溶于溶液但不导电的物质称为非电解质(英文:non-;)。
放电反应:
Cd+2NiO(OH)+2H2O = 2Ni(OH)2 + 2Cd(OH)2,充电反应则相反。
充电时,将电池的正极、负极分别与充电器的正极、负极相连,电池内部发生与放电时完全相反的电化学反应,即在负极发生还原反应,在正极发生氧化反应。
(1)负极反应
充电时,负极板上的氢氧化镉首先电离成镉离子和氢氧离子,镉离子从外电路获得电子生成镉原子附着在极板上,而氢氧离子则进入溶液中参与正极反应。
(2)正极反应
在外加电源作用下,正极板上的氢氧化镍晶格中,两个二价镍离子各失去一个电子,生成三价镍离子。同时,晶格中的两个氢氧离子各释放出一个氢离子,晶格上留下氧负离子。释放出的氢离子与溶液中的氢氧离子结合生成水分子。然后,两个三价镍离子与两个氧负离子和剩余的两个氢氧离子结合生成两个氢氧化镍晶体。
当电池充满电后,充电电流会使电池内部发生水分解反应,正负极板上分别释放出大量的氧气和氢气。从以上电极反应可以看出,氢化钠或氢氧化钾并不直接参与反应,只起导电作用。从电池反应的角度看,充电时会产生水分子,放电时会消耗水分子。因此,在充放电过程中,电解液的浓度变化很小,不能用密度计来检测充放电的程度。
缺点:
(1)由于镉是致癌物质,废弃的镍镉电池会造成严重的环境污染,需要回收利用。
(2)记忆效应
(百度:
所谓“记忆效应”是指电池电量没有完全放完就进行充电,这样会造成电池容量随着时间推移而下降。电池在充放电过程中(放电更明显),电池极板上会产生一些小气泡,时间一长这些气泡就减少了电池极板的面积,间接影响电池容量。当然,我们可以通过掌握合理的充放电方法来减少“记忆效应”。)
(维基百科:
是出现在一些充电电池(如镍镉电池或镍氢电池)上,经过多次充电后,导致电池容量下降的现象。记忆效应发生在镍镉电池(NiCd)或镍氢电池(NiMH)在没有完全放电的情况下多次完全充电时。其实这种效应很少出现,通常只发生在较老的、非常昂贵、稀有、无人看管的使用镍镉电池的电子设备上,例如通讯卫星(它每次经过地球阴影处,都会消耗相同的电量,但不可能把所有的电能都消耗掉)。镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池相比,镍镉电池的记忆效应最明显,镍氢电池记忆效应次之,锂离子电池的记忆效应最不明显。解决电池记忆效应的办法是将其完全放电后再充电; 但不管电池是否有记忆效应,随着电池使用时间变长,充放电次数增加,电池容量本身是会逐渐减少的,这就是电池的寿命。)
优势:
(1)寿命比铅酸电池长(可充电500次以上),广泛应用于录音机、对讲机、电子手电筒、电动剃须刀等。
(2)放电时电压变化不大,充电为吸热反应,内阻小,对轻度过充、过放电的容忍度比镍氢电池、锂电池大。
6. 袋装镍镉电池组
单块电池:
(1)板组件
正极板和负极板是软包镉电池的重要组成部分。正极板和负极板具有相同的结构式,但活性物质不同。充电时,正极由氢氧化镍和石墨组成,负极由氢氧化镉组成。每块极板由若干个小极条组成。每个小极条通过穿孔钢带将活性物质包裹在里面,在机械力的作用下与另一个小极条拼接成矩形坯料,再通过极架固定成类似于薄片的平板。
将多块极性相同的极板以一定的间隔焊接在与极柱连接的集流体上,组成正负极板组。正极板组与负极板组按照“…正极板-负极板-正极板-…”的顺序,正负极板交替组装在一起,再用隔板隔开,组成完整的电池极板组。
(2)电池外壳
电池极板组安装在电池外壳内,电池外壳采用强度高、耐老化、耐高温、耐强碱性的工程塑料注塑而成。
(3)电解液
软包型镉电池常用的电解液是含有少量LiOH的KOH水溶液。
(4)其他部分
电池的少部分部件采用橡胶合成树脂制成,大部分部件采用镀银钢件,具有较高的机械强度。
(5)组合电池
根据工作电压要求,将两块或多块单体电池组合在木质或金属组合架内,组成电池组,单体电池之间通过跨接板连接在一起,电池一般采用串联使用。
(6)充电和放电过程中的化学反应
软包型银镉电池中,采用Ni(OH)2作为正极活性物质,Cd(OH)2作为负极活性物质。电解液中添加LiOH的目的是提高电池的循环寿命和高温性能。在充放电循环过程中,电解液只起离子传导作用,并不发生化学变化,不会产生量的减少。
镍镉电池的极板骨架为钢带,机械强度较高。电池使用过程中,正极NiOOH变成Ni(OH)2,负极金属Cd变成Cd(OH)2。充电时发生逆反应,直至电池电压升高到负极析出H2、正极析出O2,导致电解液中水的分解。具体充放电反应式为:
Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2 = 充电 = 放电 Cd+ +2H2O
电池充电时生成水,放电时吸收水,因此在充放电过程中液面及电解液密度都会发生变化,电解液KOH不参与反应,使用过程中几乎不会减少。
(7)电池特性 电池特性
**额定容量:**电池容量以安培小时(Ah)为单位。
在20℃±5℃环境中,电池以0.2 It A充电8h后,0.2 It A放电时间不得小于5h。
**电压:**单节电池标称电压为1.2V,是氢氧化钾电解液中自由镍离子和镉离子产生的电位差,电池组标称电压为n X 1.2V(n为串联电池数量)。
单体电池的开路电压正常范围为1.2V~1.5V,单体电池的开路电压取决于电池充满电后能维持开路状态的时间长短、环境温度、电池内阻等。
**放电率与容量的关系**:电池的放电容量随放电率而变化,放电率越大,电池放出的电量越少。我们将电池在20℃±5℃下以标准速率(0.2ItA)放电5小时时获得的容量视为100%。
**内阻:**电池的内阻与电池工作温度、荷电状态有关,因此很难准确定义电池的内阻。在20℃±5℃环境下,相同结构、容量的电池,100%充电时内阻最小,完全放电时内阻最大。在40℃~60℃环境下,相同结构、容量、荷电状态的电池,环境温度越高,内阻越小。
7.镍镉电池解决方案
(1)摩尔:物质的量的单位
物质的量是一个物理量,表示一定数量粒子的集合,它的符号是n。物质的量的单位是摩尔,缩写为mole,符号为mol。国际上规定1mol粒子集合所含粒子数与0.012kg(12C)所含碳原子数相同,约为6.02✖10的23次方。任何1mol粒子中所含离子的数量称为阿伏伽德罗常数,符号为NA,通常表示为每摩尔6.02✖10的23次方。物质的量、阿伏伽德罗常数和粒子数(N)之间存在如下关系:
n=N/NA;
摩尔(mol)作为质量单位,可以计量一切微观粒子(包括原子、分子、离子、原子团、电子、质子、中子等)。
1mol不同物质所含粒子数相同,但由于不同粒子的质量不同,导致1mol不同物质的质量也不同,如1mol H2O的质量为18g,1mol AL的质量为27g。
物质的量n、质量m、摩尔质量M之间存在下列关系:
n=m/M。
(2)物质的体积取决于三个因素:组成该物质的粒子数目、粒子的大小以及粒子之间的距离。
当粒子数目相同时,物质的体积主要取决于组成物质的粒子的大小以及粒子之间的距离。
1mol不同的固体或液体物质中,所含粒子数目相同,且粒子间的距离很小,使得固体或液体物质的体积主要由粒子的大小决定。但正因为粒子的大小不同,1mol不同的固体或液体物质的体积也是不同的。
(3)对于气体来说,粒子之间的距离远大于粒子本身的直径。因此,当粒子数相同时,气体的体积主要由气体之间的距离决定。在相同的温度和压力下,任何气体粒子之间的距离都可以认为是相等的。因此,任何具有相同粒子数的气体,其体积都是相同的。
也就是说,在相同的温度和压强下,任何气体的相同体积都含有相同数量的粒子。
在相同温度和压强、相同体积和相同粒子数的情况下,粒子数相同且体积相同。
单位量气体所占的体积称为气体摩尔体积,符号Vm,常用单位有L/mol(或L·mol-1)和m3/mol(或m3·mol-1)
Vm=V/n;
气体摩尔体积的数值并不是固定的,它取决于气体的温度和强度。例如:在0℃时(标准状态下),气体摩尔体积约为22.4L/mol;在25℃时,气体摩尔体积约为24.5L/mol。
(4) 溶液配制
有时我们用溶质的质量分数来表示溶液的组成。一般来说,取溶液时,我们会测量其体积。在化学反应中,反应物与产物之间的比例由化学反应式中的化学计量系数 [2, 1, 2] 决定。([2] H2+[1] O2 = [2] H2O)
摩尔浓度这个物理量用来表示单位体积溶液中所含溶质B的量,也称B的摩尔浓度,用符号CB表示。B用下列公式表示:
CB=NB/V;
摩尔浓度的常用单位是mol/L。例如1L溶液中含有1mol溶质,则该溶液中溶质的摩尔浓度为1mol/L。
8.镍氢电池
镍氢电池(NiMH)是镍镉电池(NiCd)的改良,以能吸收氢气的金属取代镉(Cd的还原剂)。同等价格下,提供比镍镉电池更高的容量,记忆效应较不明显,对环境污染较低(不含有毒镉),回收效率比锂离子电池好,被称为最环保的电池。但与锂离子电池相比,有一定的记忆效应。旧镍氢电池自放电反应较大,新镍氢电池自放电相对较低(与碱性电池类似),可在低温下工作(-20℃)。镍氢电池的输出电流比碳锌或碱性电池大,相对更适合大功耗产品,部分特殊型号甚至比普通镍镉电池的输出电流更大。镍氢电池的容量较高(体积比)。 以AA电池为例,镍氢电池的容量可达(毫安时,国内俗称mAh),而碱性电池只有~(但碱性电池的初始放电电压一般比镍氢电池高),当然也比镍镉电池高很多,但还是比不上锂离子电池。碱性电池长期不使用后可能会漏出轻微腐蚀性有害液体(可能对人体有害或损坏使用电池的设备),而锂电池使用不当可能会燃烧或爆炸。相对而言,镍氢电池是比较安全的电池。
化学原理:
镍氢电池的“金属”部分其实是金属间化合物。镍氢电池中使用了多种类型的金属间化合物,主要分为两大类。最常见的是 AB5 型,其中 A 是稀土元素与钛 (Ti) 的混合物;B 是镍 (Ni)、钴 (Co)、锰 (Mn)、(或)铝 (Al)。一些高容量电池具有“多组分”电极,主要由 AB2 组成,其中 A 是钛 (Ti) 或钒 (V),B 是锆 (Zr) 或镍 (Ni),再加上一些铬 (Cr)、钴 (Co)、铁 (Fe) 和(或)锰 (Mn)。所有这些化合物都具有相同的作用:可逆地形成金属氢化物。 电池充电时,氢氧化钾(KOH)电解液中的氢离子(H+)被释放出来,并被这些化合物吸收,以防止氢气(H2)的形成,并维持电池的内部压力和体积。当电池放电时,氢离子通过逆过程返回到原来的位置。
如今的镍氢电池含有催化剂,可以迅速消除因过度充电而造成的危险。(2H2+O2 =(催化剂)2H2O)
9.锂离子电池
锂(Li)是元素周期表IA族中最轻的金属,也是活性极高的金属,是制作电池的理想材料。锂离子电池是新一代可充电绿色能源,已成为笔记本电脑、手机、数码相机、摄像机等小功率电器的主流电源。
锂离子电池(-ion)是一种依靠锂离子在正极和负极之间移动的可充电电池。锂离子电池使用嵌入的锂化合物作为电极材料。目前锂离子电池中使用的主要常见正极材料有:钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、镍酸锂(LNO)和磷酸铁锂(LFP)。这些锂离子电池及其开发产品在消费电子领域很常见。它们是便携式电子设备中最常见的可充电电池类型之一,具有能量密度高、无记忆效应、不使用时电荷损失缓慢等特点。除了消费电子产品外,日益先进的锂离子电池也越来越受欢迎,可用于军事、纯电动汽车和航空航天应用[7]。 例如磷酸铁锂电池正在成为铅酸电池的常见替代品,铅酸电池历史上曾被用于高尔夫球车和多用途车,但这种高效的新型电池已经能够克服旧式锂电池和铅酸电池的各种缺点,实现全面替代的目标。
此外,锂离子电池很容易与以下两种电池混淆:
锂电池( ):虽然经常被用作锂离子电池的缩写,但严格意义上的锂电池是含有纯锂金属的锂原电池,是一次性的,不可充电。
锂离子聚合物电池(-ion,也常被称为“锂聚合物电池”):其实就是一般的锂离子电池,是普通锂离子电池的改良版,是一种以胶体或固体聚合物取代液态有机溶剂的可充电锂离子电池,安全性较好,不会爆炸,且可成型为各种形状的电池芯,成为现今电池的主流形态。
优势:
**高能量密度:**根据电极材料不同,按质量可达150-200Wh/kg(540-720kJ/kg);按体积可达250-530Wh/L(0.9-1.9kJ/cm3)。
**开路电压高:**根据电极材料不同,可达3.3~4.2V。
**高输出功率:**根据电极材料不同,可达300-1500W/kg(@20秒)。
**无记忆效应:**磷酸铁锂锂离子电池无记忆效应,电池可随时充放电,不需放电,使用维护方便。
自放电低:**工作温度范围宽:**可在-20℃~60℃之间正常工作。
充电和放电速度快。
因此锂离子电池被广泛应用于消费电子产品、军工产品、航空产品等领域。
缺点:
**不耐过放:**过放时,过多嵌入的锂离子会固定在晶格中,无法再释放,导致寿命加速缩短。深度放电(电压低于3.0V时放电)更容易损坏电池,因此避免在没电的情况下存放。电池损耗一般为500次完全充放电,从最高电压4.2V开始降到3V为100次,减少80%的深度放电动作,改为30%的浅放电,电池的最高电压仍能有效维持,可维持电池的长期健康。在更高电压的条件下,可增加驱动电子设备的循环次数。根据不同的电池配方,有效再放电次数甚至可以增加近五到十次。 因此,使用极低的功率是损害电池耐久性的行为,即提高的电压可能会激发电池的最大放电能力。
**不耐过充:**过充时,电极会脱嵌过多锂离子,若不及时补充,长此以往会造成晶格崩塌,从而不可逆地损害电池性能。带电离子不易流动,能量累积,更容易造成过热爆炸。因此,厂商在运输、储存锂电池产品时,一般会留出三分之一以下的电量,而当充电器接头不断插上时,最重要的是避免一直保持满电状态。以锂电池为能源的电动车,往往就是基于这个特性,设计了70%左右的充电上限,有些产品甚至建议日常保持在50%以下,这样容量衰减会相对少一些,这也意味着锂电池必须经常使用,储存的电子必须有规律、适度地流动。
**老化、怕热:**与其他充电电池不同,锂离子电池在使用周期中难免会出现自然缓慢的衰减,即使存放不使用,容量也会减少,这其实和使用次数无关(除非是过度充放电循环导致晶格损失,叫这个过程损耗更合适)。除了化学材料本身的质变外,也和温度有关,可能的机制是内阻逐渐增大,因此工作电流大的电子产品更容易出现热衰减,另外也要避免外界温度的影响,用钛酸锂代替石墨似乎可以延长寿命。电池的存放温度和永久容量损失速度的关系如下:
10.燃料电池
燃料燃烧属于剧烈的氧化反应,燃料燃烧所释放的热能转化为电能(热力发电),其能量转化率不高。
那么能否利用原电池的工作原理,将燃料与氧化剂(如O2)反应释放的化学能直接转化为电能,以提高燃料的利用率呢?燃料电池就是基于这种思想发展起来的。
燃料电池是一种高效环保的发电装置,理论上燃料电池的能量转化率高达85%-90%(实际上已达40%-60%)。以氢气为燃料时,生成物为H2O;以甲烷为燃料时,生成物为H2O和CO2,与传统发电厂相比,CO2的排放量可减少40%以上。燃料电池与干电池或蓄电池的主要区别在于,反应物不是储存在蓄电池内部,而是由外部设备提供燃料和氧化剂。
这时电池所起的作用类似于试管、烧杯等反应堆的作用。
11.钠离子电池
钠离子电池(-ion)是一种可充电电池,主要依靠正负极之间的钠离子移动来工作,类似于锂离子电池。
由于钠离子比锂离子大,因此它们的重量和能量密度不如锂电池,但是当材料性能需求不高时,钠离子电池是一种成本效益的替代品,因为钠离子电池中使用的电极材料主要是含钠盐,而不是lith salts。提供它们在需要的情况下使用。