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《電池性質(zhì)原理與簡介》電池的性能參數(shù)主要有電動勢、容量、比能量和電阻。電動勢等于單位正電荷由負極通過電池內(nèi)部移到正極時,電池非靜電力(化學力)所做的功。電動勢取決于電極材料的化學性質(zhì),與電池的大小無關(guān)。電池所能輸出的總電荷量為電池的容量,通常用安培小時作單位。在電池反應中,1千克反應物質(zhì)所產(chǎn)生的電能稱為電池的理論比能量。電池的實際比能量要比理論比能量小。因為電池中的反應物并不全按電池反應進行,同時電池內(nèi)阻也要引起電動勢降,因此常把比能量高的電池稱做高能電池。電池的面積越大,其內(nèi)阻越小。
電池的能量儲存有限,電池所能輸出的總電荷量叫做它的容量,通常用安培小時作單位,它也是電池的一個性能參數(shù)。電池的容量與電極物質(zhì)的數(shù)量有關(guān),即與電極的體積有關(guān)。
實用的化學電池可以分成兩個基本類型:原電池與蓄電池[1]。原電池制成后即可以產(chǎn)生電流,但在放電完畢即被廢棄。蓄電池又稱為二次電池,使用前須先進行充電,充電后可放電使用,放電完畢后還可以充電再用。蓄電池充電時,電能轉(zhuǎn)換成化學能;放電時,化學能轉(zhuǎn)換成電能的。
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《電池的原理》在化學電池中,化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>電能是靠電池內(nèi)部自發(fā)進行氧化、還原等化學反應的結(jié)果,這種反應分別在兩個電極上進行。負極活性物質(zhì)由電位較負并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的還原劑組成,如鋅、鎘、鉛等活潑金屬和氫或碳氫化合物等。正極活性物質(zhì)由電位較正并在電解質(zhì)中穩(wěn)定的氧化劑組成,如二氧化錳、二氧化鉛、氧化鎳等金屬氧化物,氧或空氣,鹵素及其鹽類,含氧酸及其鹽類等。電解質(zhì)則是具有良好離子導電性的材料,如酸、堿、鹽的水溶液,有機或無機非水溶液、熔融鹽或固體電解質(zhì)等。當外電路斷開時,兩極之間雖然有電位差(開路電壓),但沒有電流,存儲在電池中的化學能并不轉(zhuǎn)換為電能。當外電路閉合時,在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。同時在電池內(nèi)部,由于電解質(zhì)中不存在自由電子,電荷的傳遞必然伴隨兩極活性物質(zhì)與電解質(zhì)界面的氧化或還原反應,以及反應物和反應產(chǎn)物的物質(zhì)遷移。電荷在電解質(zhì)中的傳遞也要由離子的遷移來完成。因此,電池內(nèi)部正常的電荷傳遞和物質(zhì)傳遞過程是保證正常輸出電能的必要條件。充電時,電池內(nèi)部的傳電和傳質(zhì)過程的方向恰與放電相反;電極反應必須是可逆的,才能保證反方向傳質(zhì)與傳電過程的正常進行。
因此,電極反應可逆是構(gòu)成蓄電池的必要條件。為吉布斯反應自由能增量(焦);F為法拉第常數(shù)=96500庫=26.8安·小時;n為電池反應的當量數(shù)。這是電池電動勢與電池反應之間的基本熱力學關(guān)系式,也是計算電池能量轉(zhuǎn)換效率的基本熱力學方程式。實際上,當電流流過電極時,電極電勢都要偏離熱力學平衡的電極電勢,這種現(xiàn)象稱為極化。電流密度(單位電極面積上通過的電流)越大,極化越嚴重。極化現(xiàn)象是造成電池能量損失的重要原因之一。極化的原因有三:①由電池中各部分電阻造成的極化稱為歐姆極化;②由電極-電解質(zhì)界面層中電荷傳遞過程的阻滯造成的極化稱為活化極化;③由電極-電解質(zhì)界面層中傳質(zhì)過程遲緩而造成的極化稱為濃差極化。減小極化的方法是增大電極反應面積、減小電流密度、提高反應溫度以及改善電極表面的催化活性。
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