电池原理范文

电池原理范文（精选11篇）

电池原理 第1篇

关键词：铅酸蓄电池,容量,寿命,维护

0前言

目前, 各个领域的供电系统正在大量的采用不间断电源UPS (Uninterruptible Power Supply) 供电, 防止因市电突然断电而影响后端用电设备的正常工作。在一个不间断电源 (UPS) 系统中, 蓄电池是这个系统的支柱, UPS逆变器在市电异常时将蓄电池的化学能变成交流电能输送出去, 从而使后端用电设备得以连续运行下去。因此, 了解铅酸蓄电池的工作原理, 正确使用与维护铅酸蓄电池, 对延长蓄电池的使用寿命, 确保蓄电池的可用性和可靠性起着重要的作用。

1 铅酸蓄电池工作原理

蓄电池是一种能提供直流电的装置或系统, 它可以将化学能、热能、光能等各种形式的能量转化为电能。本文就目前使用比较普遍的阀控式密封铅酸蓄电池进行介绍。

铅酸蓄电池是由壳体、隔板、极板、栅格、电解液 (硫酸) 和不同的封闭形式构成。当蓄电池充满电荷时, 极板呈二氧化铅和绒状铅, 电解液的浓度达到最高点。随着放电结束, 极板上形成硫酸铅, 而电解液的浓度下降到最低。铅酸蓄电池在充放电过程中电池内部发生反应的化学方程式是:

综上所述, 正极产生的氧气可在负极形成逆反应并还原成水, 避免蓄电池内部能量的损失, 所以, 为保证上述反应的体系能够充分发挥作用, 电池被设计成为密封结构, 也就是常说的阀控式密封铅酸蓄电池 (VRLA蓄电池) 。

2 VRLA蓄电池性能分析

2.1 容量特性

VRLA蓄电池的容量标称值以安时数 (Ah) 表示, 它是放电电流和电池放电到规定终止电压的时间的乘积。其安时数越大, 它的电容量也就越大。但是对每一块使用中的蓄电池来说, 它的Ah数都不是一个固定的值, 因为标称值是指定在0.1倍标称值 (放电指数0.1C) 的电流强度下放电得到的容量值。例如, 100Ah的蓄电池按100×0.1=10A放电到10小时终止, 即10A×10h=100Ah。而当放电电流强度小于或者大于此指定电流, 到放电终止那一刻的Ah数往往大于或者远远小于标称值, 这是由VRLA蓄电池的自身设计性能决定的。下面以某厂家提供的12V电池技术参数进行说明, 由放电特性曲线可以看出同样一块100Ah的蓄电池用放电指数3C即300A放电, 到规定的放电终止电压仅仅6分钟, 放出的电量只有300A×0.1h=30Ah, 也就是说充满电以后的蓄电池在这种状况下只能放出30%的容量!这种状况是由于过大的放电电流导致极板迅速硫化, 从而使电池内阻猛增、电压急剧下降造成的, 如图1所示。

2.2 充放电特性及环境因素

蓄电池的充、放电也有其自身的规律, 仍以某厂家提供的12V电池技术参数进行说明。25℃时, 12V系列蓄电池浮充充电电压为14.4-15.0V/只, 初始充电电流为0.1CA (10A) , 充电24小时即可充足, 电池在充电末期, 充电电流值连续3h无变化, 表明电池已充足电。以100%放电 (上次储存的电量完全放光) 的蓄电池为例, 最初的充电电流规定小于等于0.1CA, 例如对于100Ah的蓄电池的充电电流为10A。此阶段蓄电池电压逐渐升高, 8小时后蓄电池电压基本达到最大。但是此时充入的电量还不到80%, 想要充满至少还要继续小电流充电16小时!如果此后的充电电流不是足够小, 极板和电解液之间的表面就会形成高浓度硫酸层, 导至蓄电池电压虚高, 无法充满, 如图2所示。

电池的充电和放电是一个化学反应和还原的过程, 这个过程不仅相对缓慢, 而且还受周围环境温度变化的影响。温度低, 蓄电池的放电容量小;温度高, 蓄电池的放电容量大, 但温度过高会严重损坏蓄电池寿命, 所以一般VRLA蓄电池的最佳工作温度为20-25℃, 如图3所示。

2.3 使用寿命

蓄电池的使用寿命一般可简单的定义为:蓄电池衰老到原有容量的80%即为寿命终止。电池维护规程中规定, 当电池容量小于额定容量的80%时, 该电池可以申请报废。否则当电池容量不足, 且维护人员对该电池的性能没有明确了解时, 一旦交流停电就很容易造成用电系统供电中断的事故。VRLA蓄电池的设计寿命一般大于5年, 最长可达到20年, 但是环境的变化、使用不当等种种因素都会直接影响蓄电池的效率和寿命。

3 蓄电池的使用和维护

由前文所述, 影响蓄电池使用寿命的因素除生产工艺外, 电池的合理使用和维护对电池的效率和寿命也有直接影响, 笔者就工作中一点浅薄的经验和看法作以阐述, 供同行参考。

3.1 保持机房环境温度的适宜性

影响蓄电池使用寿命的重要因素是环境温度, 一般电池生产厂家要求的最佳环境温度是20-25℃。虽然温度的升高对电池放电能力有所提高, 但付出的代价却是电池的寿命大大缩短。环境温度一旦超过25℃, 每升高10℃, 电池的寿命就要缩短一半。这是由于环境温度的提高, 会导致电池内部化学活性增强, 产生大量的热能, 从而又会促使周围环境温度升高, 这种恶性循环, 会加速缩短电池的寿命。低温下铅酸电池内阻值明显增加, 严重降低放电容量, 特别是大电流放电性能严重缩短, 因此为获得蓄电池的最佳容量和较长的使用寿命, 应尽可能的保持机房温度在20-25℃。

3.2 建立健全蓄电池使用与维护措施

UPS电源中的浮充电压和放电电压, 在出厂时均已调试到额定值, 而放电电流的大小是随着负载的增大而增加的, 一般要求不大于2C, 如100Ah的电池放电电流应不大于20A, 故使用中应合理调节负载。一般情况下, 负载不宜超过UPS额定负载的60%, 在这个范围内, 电池的放电电流就不会出现过度放电;UPS因长期与市电相连, 在供电质量高、很少发生市电停电的使用环境中, 蓄电池会长期处于浮充电状态, 日久就会导致蓄电池内部产生大量的硫酸铅, 并吸附到蓄电池阴极上, 形成所谓的阴极“硫酸盐化”, 结果造成了电池内阻增大, 电池化学能与电能相互转化的活性降低, 加速老化而缩短使用寿命。因此建议每季度或半年放电一次, 放出额定容量的30%-40%, 放电过程中记录电池单体电压和电池组总电压变化情况, 并及时处理故障单体电池。

3.3 定期对电池组性能进行评估

整组蓄电池中若有个别电池失效, 那么恒电流充电时可能会导致以下两种结果:一是电压会迅速升高, 即在整组电池尚未充足电时失效电池已处于过充电状态, 并导致整组电池充电电压升高;二是会引起整组电池充电电流下降, 延长充电时间。若个别电池出现内部短路时, 其充电电压就低于其他电池, 当整组电池已充足电时, 该落后电池却尚未充好。长此下去就会出现恶性循环, 影响整组电池性能。因此, 在日常维护中, 要做好整组电池合单体电池的性能分析。

4 结束语

综上所述, 蓄电池的容量和使用寿命除设计因素外, 主要还与充放电和温度控制等因素有关, 不合理的充放电和不适宜的环境温度, 易造成部分电池出现故障, 在市电中断时不能及时为后端用电设备提供供电保证。因此, 蓄电池使用和保养中, 要做好蓄电池的日常运行维护, 定期进行活化充放电, 严格控制好蓄电池运行温度, 做好蓄电池故障分析以及发现问题及时处理等, 保证供电系统的安全运行。

参考文献

[1]李理.阀控式密封铅酸蓄电池的工作原理及使用维护[J].武警工程学报, 2005 (5) .

[2]毛玉生.铅酸蓄电池使用保养与维护[J].经济研究导刊, 2011 (12) .

原电池工作原理教案 第2篇

今天老师要做一个有趣的家庭小实验，水果电池，用水果真的可以做电池吗？和老师一起走进今天的实验吧。

【视频】实验所需要的材料有：柠檬、铁钉、铜币、导线和发光二极管。在每一块柠檬中插入一枚铜币和一根铁钉，用导线像这样子把它们连接好，最后连上发光二极管，仔细观察，发光二极管亮了。

【ppt】想知道水果电池的原理吗？这节课让我们学习原电池的工作原理。接下来请同学们认真观察下面的演示实验。

【视频】向烧杯中加入稀硫酸，先将锌片插入稀硫酸中，观察到锌片上产生大量气泡，现在我们将铜片插入稀硫酸中，观察到铜片上没有任何现象，这是什么原因呢？这是因为锌的金属活泼性比氢强，铜的金属活泼性比氢弱，所以硫酸中的氢可以被锌置换，而不能被铜置换。用导线将铜片与电流表的正极相连，锌片与电流表的负极相连，观察到锌片上的气泡减少，铜片上有气泡产生，电流表的指针发生了偏转。

实验的装置是一套将化学能转变成电能的装置，我们就把这样的装置叫做原电池。由刚才实验观察到，电流计的指针偏转方向可知，电子由锌电极流出，流向铜极，那么我们就把有电子流出的一极叫做负极，有电子流入的一极叫做正极，显然，锌在这里是负极，铜在这里是正极。

我们再来看他下面的动画，同学们就更清楚它的工作原理了。锌失去电子成为锌离子，被溶解，失去的电子沿导线流向铜电极，溶液中的氢离子被吸引到铜电极得到电子成为氢气，外电路因为电子的定向移动形成电流，从而使灯泡亮了。

同学们看懂了吗？我们再来看一遍，该原电池的锌电极为负极，铜电极为正极，在负级，锌失去了电子成为锌离子进入溶液，失电子的反应叫氧化反应，锌失去的电子沿导线传递给正极，由于铜电极有了外来的电子，它吸引了溶液中的阳离子-氢离子，氢离子在铜的这一极得到电子，生成了氢气，得电子的反应叫还原反应，在外电路中，电子的定向移动形成电流使指针偏转，电子的移动方向与电流的移动方向相反。那么在电池的内部，离子有没有发生移动呢？方向又是怎样的呢？其实在电池的内部，正极消耗了大量的H+，所以溶液中的阳离子移向正极，而负极处生成了大量的Zn2+，所以需要大量的阴离子移向负极。

根据以上的两个电极反应式，该原电池的总反应为，锌和两摩尔氢离子反应，生成一摩尔锌离子和一摩尔氢气。

同学们，学习了有关原电池工作原理的知识，大家知道，水果为什么能做成电池了吗？其实柠檬中的化学物质类似于铜锌原电池中的电解质稀硫酸,而铜币相当于铜片做正极，铁钉相当于锌片做负极。水果中的化学能转变为了电能。

掌握了这些知识点，我们来做一道练习题……

原电池的原理和考点分析 第3篇

【关键词】原电池原理;考点分析;思想培养Primary cells of the principles and test sites

【Abstract】In today's production of primary batteries, life and technology development in the viewing screen a wide range of uses lessons from the textbook information, attention to teaching materials, reading materials, teaching students the idea closely. Despite the size of these batteries, use, effectiveness varies, but the design principle is the same.

【Key words】Principles of primary cells; test center analysis; ideas to foster1

基本原理:

1.1 定义:把化学能转化为电能的装置。理解Cu-Zn原电池的原理、现象。

(1)现象:电流计指针发生偏移;锌片溶解;铜片表面冒气泡。(注意:实验中锌片表面也冒气泡。原因是锌片不纯。)

(2)电极反应:

负极:Zn-2e-=Zn2+, 氧化反应

正极:2H++2e-=H2↑ 还原反应

1.2 原电池的构成条件:(1)活泼性不同的两极(2)电解质溶液(一般负极自发与电解质溶液发生氧化还原反应)(3)形成闭合回路(两极用导线连接或紧靠在一起并放入电解质溶液中)

1.3 两极的判断:(有多种方法)

负极:活泼金属的一极;发生氧化反应的一极;金属往往溶解(变细、质量减轻);

电子流出极;电流流进极;负极往往被腐蚀;阴离子移向它;

正极:不活泼的一极 ;发生还原反应的一极;往往产生氢气或析出金属(冒气泡或电极变粗、质量增加);电子流进极;电流流出极;正极往往被保护;阳离子移向它;

电极

名称负极:较活动金属

正极:较不活动金属(或能导电的非金属)电极

反应负极:氧化反应、金属失电子

正极:还原反应,溶液中的阳离子得电子

电子流向:负极→正极(只在外电路中,没有形成回路)

电流方向:正极→负极(形成闭合回路)

理论上,任何一个自发的氧化还原反应都可设计成原电池。

2 考点分析

2.1 原电池的结构和工作原理:

例1.(2006上海)将纯锌片和纯铜片按图示方式插入同浓度的稀硫酸中一段时间,以下叙述正确的是( )

A.两烧杯中铜片表面均无气泡产生

B.甲中铜片是正极,乙中铜片是负极

C.两烧杯中溶液的pH均增大

D.产生气泡的速度甲比乙慢

答案:C

解析:烧杯甲中构成原电池,锌片是负极,铜片是正极,所以甲中铜片表面冒气泡;烧杯乙中未构成原电池,所以乙中铜片表面无气泡,A、B错;烧杯甲中构成原电池,可以加快反应速率,所以产生气泡的速度甲比乙快,D错;两烧杯的溶液中都发生反应:Zn+H2SO4=Zn SO4+ H2↑,氢离子浓度均减小,pH均增大,C对。

2.2 电极方程式的书写:

例2(09广东化学14)可用于电动汽车的铝-空气燃料电池,通常以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液,铝合金为负极,空气电极为正极。下列说法正确的是( )

A.以NaCl溶液或NaOH溶液为电解液时,正极反应都为:O2+2H2O+4e-=4OH-

B.以NaOH溶液为电解液时,负极反应为:Al+3OH--3e-=Al(OH)3↓

C.以NaOH溶液为电解液时,电池在工作过程中电解液的pH保持不变

D.电池工作时,电子通过外电路从正极流向负极

答案:A

解析:电解质溶液显碱性或中性时,该燃料电极的正极反应为:O2+2H2O+4e-=4OH-,A对;铝作负极,负极反应是铝失去电子变为铝离子,在氢氧化钠的溶液中铝离子继续与过量的碱反应生成偏铝酸根,因此负极反应为:Al+4OH-3e=AlO2-+ 2H2O,B错;

该电池在碱性条件下消耗了碱,总反应式为4Al+3O2+4OH-= 4AlO2+ 2H2O,溶液PH降低,C错;电池工作时,电子从负极出来经过外电路流到正极,D错.

2.3 金属的腐蚀和防护:

例3(09年上海化学•13)右图装置中,U型管内为红墨水,a、b试管内分别盛有食盐水和氯化铵溶液,各加入生铁块,放置一段时间。下列有关描述错误的是( )

A.生铁块中的碳是原电池的正极

B.红墨水柱两边的液面变为左低右高

C.两试管中相同的电极反应式是:Fe-2e- Fe2+

D.a试管中发生了吸氧腐蚀,b试管中发生了析氢腐蚀

答案:B

解析 a、b试管中均发生铁的电化学腐蚀,在食盐水中的Fe发生吸氧腐蚀,碳作正极,电极反应:2H2O+O2+4e- = 4OH-,铁作负极,电极反应:2Fe-4e- = 2Fe2+。由于吸收了O2,a管中气压降低,液面上升。b管中的电解质溶液是酸性较强的NH4Cl溶液,故发生析氢腐蚀,正极反应:2H++2e- = H2↑,负极反应:Fe-2e- = Fe2+。由于放出氢气,b管中气压增大,液面下降,故U型管中的红墨水应是左高右低,所以A、C、D对,B错。

2.4 化学电源

例4(09浙江理综,12)市场上经常见到的标记为Li-ion的电池称为“锂离子电池”。它的负极材料是金属锂和碳的复合材料(碳作为金属锂的载体),电解质为一种能传导Li+的高分子材料。这种锂离子电池的电池反应为: Li+2Li0.35NiO2放电充电2Li0.85NiO2。

下列说法不正确的是( )

A.放电时,负极的电极反应式:Li-e-=Li+

B.充电时,Li0.85NiO2既发生氧化反应又发生还原反应

C.该电池不能用水溶液作为电解质

D.放电过程中Li+向负极移动

答案:D

电池原理 第4篇

1 不同类型电池的组成原理、应用及危害

废电池主要成分含有镉、铅、镍、锰等重金属元素, 此外还含有微量的汞。全球的镉污染有50%是来自废旧电池的污染, 镉会对呼吸道产生刺激, 长期饮用被镉污染的水, 会发生牙龈黄斑或渐成黄圈等骨质改变和贫血, 镉化合物不易被肠道吸收, 积存于肝或肾脏造成危害。铅进入人体后, 会迅速溶入血液中, 对全身各系统和器官产生毒性作用。铅进入人体后通过血液侵入大脑神经组织, 使营养物质和氧气供应不足, 造成脑组织损伤, 严重者可能导致终身残废。镍及其化合物对人皮肤粘膜和呼吸道有刺激作用, 可引起皮炎和气管炎, 甚至诱发鼻咽癌和肺癌。锰虽为人体所需的微量元素, 但吸收过多也会引起中毒。虽然电池汞含量很少, 但汞进入土壤或水源, 在微生物的作用下, 无机汞可以转化成甲基汞, 一旦进入人的大脑细胞, 使人的神经系统受到严重破坏。

1.1 锌锰电池

组成及原理:锌锰电池是使用氢氧化钾或氢氧化钠的水溶液做电解质液, 负极在内, 为膏状胶体, 用铜钉做集流体;正极在外, 活性物质和导电材料压成环状与电池外壳连接;正、负极用专用隔膜隔开制成的电池。

负极反应:Zn+2OH-=Zn (OH) 2+2e-, Zn (OH) 2+2OH-=[Zn (OH) 4]2-

正极反应:MnO2+H2O+e-=MnO (OH) +OH-, MnO (OH) +H2O+e-=Mn (OH) 2+OH-

总反应: Zn+MnO2+2H2O+2OH-=Mn (OH) 2+[Zn (OH) 4]2-

应用:适用于闪光照相机、摄像机、微型收录机、对讲机、剃须刀、游戏机、玩具遥测器、报警器、助听器、计算器、手电筒等仪器设备。

废旧锌锰电池的危害:电池中含有锌、锰、镉、镍、汞、铅等重金属物质。经过长期机械磨损和腐蚀, 内部的重金属和酸碱溶液等泄露出来, 进入土壤或水源, 就会通过各种途径进入人的食物链。锌、锰、镍、镉虽是人体必需的微量元素, 但生物从环境中摄取的重金属可以经过食物链的生物放大作用, 逐级在较高级的生物中成千上万地富积, 然后经过食物进入人的身体, 在某些器官中积蓄造成慢性中毒。

1.2 钮扣电池

组成及原理:一般由不锈钢制成小圆盒形, 圆盒由正极壳和负极壳组成, 形似纽扣。盒内正极壳一端填充由氧化银和石墨组成的正极活性材料, 负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料, 电解质溶液为KOH浓溶液。

某钮扣电池反应方程:

负极反应:Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O

正极反应:Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-

总反应:Ag2O+Zn=2Ag+ZnO

应用:钮扣式锌银电池广泛地用于电子钟表、计算器、助听器等, 是人们比较熟悉的电池品种。

废旧纽扣电池的危害:这类电池的危害也主要是由汞、镉和银造成的危害。据有关资料显示, 一颗钮扣电池产生的有害物质能污染6.0106L。

1.3 锂电池

组成及原理:锂电池是用锂作为负极材料的各系列电池的统称, 包括一次电池和金属锂、锂离子二次电池。锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的电池。

负极反应:Li-e-=Li+

正极反应:MnO2+e-=MnO2-

总反应:Li+MnO2=LiMnO2

应用:因其具有性价比高、储存寿命长、工作温度范围宽等优点, 被应用于后备电源、心脏起搏器、手表、照相机、计算器、安全报警器等。

废旧锂电池的危害:锂电池中含有汞、镉、铅等重金属物质。汞具有强烈的毒性, 铅能造成神经紊乱、肾炎等;镉主要造成肾损伤以及骨疾-骨质疏松、软骨症及骨折。

1.4 碱性蓄电池

组成及原理:蓄电池极板的活性物质在充电后, 正极板为氢氧化镍, 负极板为金属镉;而放电终止时, 正极板转变为氢氧化亚镍, 负极板转变为氢氧化镉, 电解液多选用氢氧化钾溶液。

某碱性蓄电池反应方程:

负极反应:Fe-2e-+2OH-=Fe (OH) 2

正极反应:NiO2+2e-+2H2O=Ni (OH) 2+2OH

总反应:Fe+NiO2+2H2O=Fe (OH) 2+Ni (OH) 2

应用:可用作仪器仪表、自动控制、移动的通信设备等电子设备的直流电源;也可作为反压电池使用。

废旧碱性蓄电池的危害:镉易在动植物体内富集, 影响动植物的生长, 具有很强的毒性。镍的毒性相对较小, 但超过一定浓度范围时, 会对人体产生不良影响和危害。

1.5 铅酸蓄电池

组成及原理:电极主要由铅及其氧化物制成, 电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。正极主要成分为二氧化铅, 负极主要成分为铅。

负极反应:Pb+SO42--2e-=PbSO4

正极反应:PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O

总反应:PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

应用:通讯设备、后备电源、太阳能系统、电子开关系统、应急灯、火警盗警、闪光灯、手电筒、电动轮椅、剪草机等。

废旧铅酸蓄电池的危害:铅能够引起神经系统的手足麻木、神经衰弱、消化系统的消化不良、血液中毒和肾损伤等症状。

2 废旧电池中的二次资源利用技术

废电池中所含的镉、铅、镍、锰、汞、铁、锌、石墨、铜等重金属元素均可以通过相应处理技术提取进行资源的二次利用。

2.1 镍、镉的回收

镉镍电池中镉、镍回收工艺, 可以分为湿法和火法两大类。火法回收基本上利用了金属镉易挥发的性质。从各工艺温度条件可知, 火法回收锅的温度范围为900～1000℃。镍的火法回收方式是让其熔入铁水, 否则要采用较高温度的电炉冶炼, 但火法回收的产品是铁镍合金, 没有实现镍的分离回收。湿法工艺大多数采用硫酸浸出, 少数采用氨水浸出, 个别采用有机溶剂选择浸出, 利用硫化镉和硫化镍容度积的差异, 控制一定条件, 使镍、镉分离[2]。具体到镍镉的分离, 有电解沉积、沉淀析出、萃取以及置换等几种方式。主要利用镉及其氧化物蒸气压较高的特点和镍分离。

2.2 铅的回收

将铅膏等细料加入有搅拌装置的反应釜中, 同时加入还原剂FeSO4、稀硫酸, 在50～60℃条件下搅拌反应50～70min, 将二氧化铅还原为硫酸铅, 再将硫酸铅加入有搅拌装置的反应釜中, 同时加入水调浆, 再加入碳酸钠、在50～60℃条件下脱硫得到固体碳酸铅;将碳酸铅投入熔炼炉中, 在320～350℃条件下分解得到氧化铅;再向熔炼炉中加入还原剂碳, 在700～800℃条件下将氧化铅还原为金属铅。本发明采用湿法、干法混合工艺回收铅, 避免了火法冶炼造成的铅尘、铅蒸气、铅渣、二氧化硫气体等对环境的危害[3]。

2.3 铁的回收

把锌锰电池破碎后, 分离出铁、锌和锰并分别用硫酸溶解得到反应前驱物硫酸亚铁、硫酸锌和硫酸锰溶液;把反应前驱物按比例混合后与草酸铵反应制备铁氧体前驱体;高温焙烧前驱体得到铁氧体产品。

2.4 石墨、铜的回收

将废旧电池分离, 取出铜帽和石墨棒。其石墨棒经水洗、烘干再用作电极。将铜帽展平后用热水洗净, 再加入一定量的10%的硫酸煮沸30min, 以除去表面氧化层, 捞出洗净、烘干即得铜片。

2.5 锰的回收

将过滤后的滤渣水洗3次, 过滤, 滤饼置入锅中蒸干除去少许的碳和其它有机物, 再放入水中充分搅拌30min, 过滤, 将滤饼于100～110℃烘干, 即得黑色二氧化锰。

2.6 锌的回收

将剥去的锌壳洗净后置于铸铁锅中, 加热熔化并保温2h, 除去上层浮渣, 倒出冷却, 滴在铁板上, 待凝固后即得锌粒。

2.7 汞的回收

对于含汞较低的电池, 主要采用固化的方法进行处理, 固化后填埋。对于含汞较高的电池 (如普遍使用的碳锌电池和碱性锌锰电池) , 有湿法与火法处理方法。湿法冶金有焙烧浸出法和直接浸出法。火法冶金分为常压冶金法和真空冶金法。

3 结束语

面对废旧电池的不当处理所带来的严重环境危机, 我们应认识到, 废旧电池中的有色金属是不可再生的宝贵资源, 最好的处理办法是, 将废旧电池作为可再生利用的二次资源, 采取有效的废旧电池回收利用技术, 以实现资源的综合利用, 减轻对环境的污染。

摘要：废旧电池主要成分含有镉、铅、镍、锰等重金属元素, 此外还含有微量的汞。这些重金属会不同程度对人体产生危害, 对全身各系统和器官产生毒性作用, 甚至通过血液侵入大脑神经组织, 使人的神经系统受到严重破坏。但是废旧电池中有着丰富的不可再生的宝贵资源, 应当将废旧电池作为可再生利用的二次资源, 采取有效的技术实现资源的综合利用。

关键词：废旧电池,危害,资源再利用

参考文献

[1]2012年1～8月份我国电池产量结果解析[EB/OL].http://www.escn.com.cn/2012/0910/580765.html.

[2]王金良, 马扣祥.也谈废电池的回收利用[J].电池工业, 2000 (12) .

原电池原理的教学案例. 第5篇

苏教版高一年级原电池的教学设计

杭州市萧山六中 邱新德 311261 chisasa@163.com

一、设计思想

指导思想： 为学生创设好学习、研究的环境，把时间留给学生，把想象的空间留给学生，把认知过程留给学生。

理论依据：根据能量守恒定律，“变化都是由能量驱使的”，能量从高到低是自发过程，从能量的角度来分析原电池中所发生的变化。

设计特色：创设相关的情境，帮助学生理解并应用能量守恒定律解释原电池中的电子流向、电极及其反应、溶液中的离子移动等变化过程。

二、教材分析

1．分析《课程标准》、《学科教学指导意见》对本课教学内容的要求。2．分析本课内容的组成成分和在模块学习中的地位和作用；

三、学情分析

1．学生已有的认知水平和能力基础：对于电化学来讲，学生的认知还是处于空白状态，加上目前多数学校都是以讲题为主来提高学生的成绩，学生的分析能力明显不足，理解能力也亟待加强，因此，本节内容从以往的教学经验来看，学生理解得都不好很普遍。

2．本课中学生可能遇到的困难：电池中电能的能量来源，为什么正极上只发生还原反

第1页，共7页 应、负极上只发生氧化反应，或者把正负极上发生的反应弄错。

四、教学目标

知识与能力：

1．使学生了解原电池的概念和组成条件，理解原电池的化学原理。2．初步掌握形成原电池的基本条件。能正确规范书写电极反应方程式。能初步根据典型的氧化还原反应设计原电池。过程与方法：

1．通过对比水电站的工作原理，培养学生观察分析能力和知识迁移能力。2．通过电子在电路中的流向分析电极上发生的反应。态度情感价值观：

1．通过电池方方面面知识，培养学生的科学态度。

2．激发学生的学习兴趣与投身科学追求真理的积极情感。

五、重点难点

教学重点：原电池能量来源、电极及电极反应。

教学难点：许多学生把精力放在了原电池的装置上，忽视了原电池工作时的能量变化及电极反应。

六、教学策略与手段

本课运用参照水电站的能量转换的方式、结合能量守恒原理，使学生理解原电池工作时的能量来源，通过电路中的电子流向，分析不同电极上所发生的氧化反应和还原反应。

七、课前准备

1．教师的教学准备；图片收集、课件制作 2．教学用具：Zn、Cu、稀H2SO4溶液、电流计

八、教学过程

这是教学设计的主体部分。分几个环节具体说明教师指导活动、学生学习活动及师生交互活动。一般应采用文字叙述加点评的格式，不要采用表格或流程图的形式。

电已经成为生产中无法缺少的能源，就连生活中也无法离开电。曾经有一个

第2页，共7页 冰箱企业为了说明冰箱省电，在广告中说他们的冰箱一天只需一只5号电池。你会相信吗？

一只5号电池中到底会含有多少“电量”呢？学完了这节课之后再作回答。

（一）原电池

1．让学生感触化学锌与稀硫酸反应的能量变化

[学生实验]在试管中先加入锌粒，再加入5mL稀硫酸。一分钟后，触摸试管外壁。

让学生感觉试管已经有些烫手，证明反应可以放出较多的能量。

2．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。

展示三峡大坝图片，并同时引用毛泽东《水调歌头 游泳》，激发学生想象力。高峡是指水位很高，此时水的势能很大。

图1 三峡大坝电脑效果图

三峡大坝将水能变成了电能!这就是一个能量守恒的例子，大坝并没有产生新的能量，而是将大坝里的水具有的一部分能量通过相应的装置－整．．．．．套发电装置，转变成了电能。

3．三峡大坝将水的能量转变成电能，锌与稀硫酸反应放出的能量也能转变成电能吗？燃烧反应也能放出热量，中和反应也可以放热，这些反应中放出的热量，怎样才能转变成电能呢？

4．有了象三峡电站这样的大型电站，我国还拥有许多的电站，那为什么需

第3页，共7页 要电池？哪些地方需要电池呢？

在许多用电不方便的地方，比如手机、助听器以及许多特定的地方，电池可以提供普通电源无法提供的电能。这里就是要让学生对电池能“提供能量”树立牢固的印象。

5．听MP3的时候，电池里的“电”会很快被用完了，这是为什么呢？

电池就是通过物质发生化学时释放的化学能转变成电能，而电池的体积就那么一点点大，里面的物质总是很有限的，当电池中的用来提供能量的物质消耗完了的时候，反应也就停止了，没有了能量，电池也就没“电”了。

通过对电池是一个有限的能量源的确认，让学生明确电池的能量来源是“物质变化”所产生的。

6．需要一个什么样的装置？

[学生实验]电流计中指针偏转，说明已经有了电流。

只需要把一块锌片和一块铜片，放进盛有稀硫酸的烧杯里，就可以构成原电池了。原来装置还很简单。

7．在这个装置中，反应放出的能量为什么会转变成电能？ 结合前面的图片，了解水电站的工作简单原理： A.具有较高的能量的水(筑坝)B.能量以一定的方式转换(水高速流下带动发电机)对照右图来看这个可以产生电流的装置：

（1）金属锌中的电子能量比铜的电子的能量高，所以锌的电子可以通过导线“冲向”铜。就像像坝上的水沿管道冲向坝下。但是只是能量高是不够的。坝上的水流到坝下并不能发电。

流向铜片的电子如果还在铜片中，那么后面的电子

124稀H2SO43

图2 铜、锌电池 就不会源源不断地流过来。这样，电路中就不会有电流

的。

（2）流向铜片的电子的能量其实就像坝上的水，与流到坝下的水能量是一样的。因此铜片上的电子能量与锌片上的电子一样，可以与溶液中的H+结合，形成了H2：

第4页，共7页 2H+ +2e－ =H2 氢气从铜片表面逸出。

（3）溶液中H+的可以不断结合由锌片“流”过来的电子，这样，锌的电子也就源源不断地流向了铜。因此，导线中也就形成了电流。这样，电子就完成了图二中从①到②的定向移动，在两个电极间的导线中产生电流。

Zn －2e－ = Zn2+

（4）溶液中的H+不断向铜片移动，锌片上的锌原子失去了电子，变成了Zn2+进入了溶液中，填补H+被消耗形成的电荷“空缺”。溶液中由于Zn2+和H+的定向移动，也就形成了电流。阳离子完成了图二中从③到④的定向移动，在溶液中产．．．生了电流。

(5)整个电路就可以形成一定强度的电流（在电路中，电子移动的方向与离子移动的方向是相反的，但电流的方向是一致的）。

8．电池的电极与氧化、还原反应：导电接力－导线中是电子导电，溶液中是离子导电。正是这两种不同的导电方式，必然在电极上出现电子“流入”与“流出”，从而一定有氧化反应和还原反应的出现。

电源的电极在物理学上有明确的规定：电流流出的极为正极，电流流入的极为负极；电子流出的极为负极，电子流入的极为正极。

导线中的导电是由电子完成的，溶液中的导电是由离子完成的。导线中的电子是无法直接从电极进入溶液中完成导电任务的，溶液的离子也是无法进入电极的，那么，外电路导线的电子导电与溶液中的离子导电要进行“转变”。这样，就会有一个在正极上电子接收的过程，也同时有一个在负极上电子给出的过程。有了这样一个电子的转移过程，必然会有一个氧化还原反应的发生。电极是转变导电方式的场所，当然也是发生氧化还原反应的场所。

在上述装置中，铜片上的“外来”电子必须 “传递”给溶液的离子，氢离子得到电子，在铜片上（正极）就一定发生还原反应。同样，锌把电子给到外电路，锌原子失去电子，因此，在锌片上（负极）一定发生氧化反应。

总 反 应: 2H+ ＋ Zn = H2↑ + Zn2+ 负极反应: Zn － 2e－ =

Zn2+

正极反应: 2H+ ＋ 2e－ = H2 ↑

如果没有氧化还原反应，就不会有电子的转移；没有电子转移，就没有电流的产生。从这里可以得到一个结论：并不是所有放出能量的化学反应都可以用来作为电池的能量来源，而必须是氧化还原反应。因为只有氧化还原反应才有电子转移，才能满足电池中的由电子导电到离子导电的转变。

第5页，共7页

9．回答前面提出的问题：

燃烧是氧化还原反应吗？能不能把氢气与氧气进行的反应置于原电池的装置中进行，得到电流？

一只电池的电量可以让一个大冰箱正常运转一天吗？当然是不能！但从价格上看：一只普通的电池只需0.3元，而一个节能冰箱正常运转所需要的电费也约为0.3元，但是冰箱广告中故意使用了含糊不清的语言，这是不生产道德的。

中和反应虽然也能放出能量，但是由于反应中没有电子转移，所以不能在原电池的装置中直接转换成电能，只能通过其他的方式实现。

10．还需要解释的一个现象

在原电池反应过程中，锌片上的气泡比铜片上还多，可是在课本上，却没有气泡。这是为什么呢？

一、锌片上的电子经过导线流向铜片有阻力，锌片上的电子可以直接与溶液中的H＋结合生成氢气，所以流向铜片的电子只占一总分。

二、但是，锌片直接与H＋反应并不产生氢气，所以“锌片上产生气泡”这一现象与原电池无关，所以本中并没有将其表现出来。

九、知识结构或板书设计

原电池

1．能量守恒定律：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。

2．三峡大坝将水的能量转变成电能

3．电池的能量来源是“物质变化”所产生的。4．原电池装置

5．水电站的工作简单原理： A.具有较高的能量的水(筑坝)B.能量以一定的方式转换(水高速流下带动发电机)6．电池的电极与氧化、还原反应：导电接力－导线中是电子导电，溶液中是离子导电。

总 反 应: 2H+ ＋ Zn = H2↑ + Zn2+ 负极反应: Zn － 2e－ =

Zn2+

第6页，共7页 正极反应: 2H+ ＋ 2e－ = H2 ↑

十、作业设计

水果电池功率竞赛：自己找水果

【问题研讨】

提出2-3个与本课设计相关的、值得反思和讨论的问题。原电池的教学难度相当大，学生要掌握好很困难。

这个设计经过了我多年探索，得到了这个案例，教学效果较好。

【参考资料】

具体列出本课设计的主要参考资料，格式举例如下： 著作类

参考文献：

[1].华彤文,杨骏英,陈景祖,刘淑珍.普通化学原理.北京大学出版社.第二版 [2].蔡少华,黄坤耀,张玉容.元素无机化学.中山大学出版社.第一版 [3].薛金星.中学教材全解（高二化学上）.陕西人民教育出版社.第七版 [4].人民教育出版社化学室.化学（第二册）.人民教育出版社.第一版 [5].人民教育出版社化学室.化学（第三册）.人民教育出版社.第一版

浅谈燃料电池原理及实现和改进 第6篇

关键词：燃料电池 工作原理 比较分析

一、燃料电池基本工作原理

按一般电池的表示方法，燃料电池可表示为Re/电解质/Ox式中，Re表示氢，肼，烃，CO等活性还原剂。Ox表示氧，过氧化氢等氧化剂；电解质为用氢氧化钾溶液，浓磷酸溶液，离子交换膜，熔融碳酸盐等。

由于燃料电池的基本性能对电站设计起重要作用，故首先对其进行必要的讨论。电池有两大基本性能参数：1.发电能量2.开路电压。现分别分析如下：

（1）最大发电能量

根据化学热力学知，对以可逆定温反应的燃料电池，设?和?稳定流入系统，而?从系统稳定流出，忽略动能和位能变化。则此燃料电池在标准状态下对外做的最大有用功为：最大可发出237146kJ的电能。

（2）开路电压

一般电池电动势等于组成电池的两个电极的平衡电极电相位差。单个燃料电池电压很低，实际生产中要采用多个电池串连的电堆（Stack）的方式；2.提高反应温度T和反应气体压力可提高输出电压，从而提高电池性能，这对后面的设计有重要的指导作用。下面讨论燃料电池的效率问题：燃料电池的理想效率就是燃料电池在保持电动势E值的情况下做功，即以无限小的电流做功的理想值。据前面的叙述，其最大值为：

当T=427时＝0.852,可见，温度的提高可使变大。燃料电池工作时由于内电阻和极化等原因，一部分能量转化为热能而耗散掉，使实际电压V小于理论值E，定义电压效率，则燃料电池的实际热效率,同时燃料电池发电系统的效率还包括燃料处理装置和逆变器的效率和余热利用。

其中底循环（Bottoming Cycle）为余热或未反应的尾气供燃气轮机和蒸汽轮机发电，供热是将余热用于采暖，实现热电联产。由此可见，充分利用底循环可有效提高总体效率。這也是后面改进的一大方向。

目前我国的电力供应以煤为主要燃料，效率低，污染大。为了改变现状，迫切需要发展新型绿色能源，而燃料电池大家族中的一员——MCFC熔融碳酸盐型燃料电池无疑是最佳选择。可见要提高开路电压，必须提高和之入口分压及反应温度。同时电池本体效率（非总体效率）。如认为每消耗1mol释放1.930电量，则T=1000K时则可见燃料电池效率与单体电压E成正比，E变大则变大。可见，只有提高反应温度和压力，才可使E提高，从而效率也提高。

综上所述,提高压力和温度是提高发电性能和效率的主要手段。MCFC的高效率也正是因为其1000K的反应温度和3atm以上的工作压力。可是，为了维持如此的燃料气进口压力和温度，需要压气机做功，并且预支大量的热量。这些能量从何而来最经济反应后的高温高压尾气含有大量热值很高的氢气，该如何利用煤气化是当前方兴未艾的新技术，如何把它用于MCFC发电厂

二、MCFC发电厂与普通电厂的比较

针对以上问题，笔者设想了下面的煤气化MCFC联合发电厂。为了便于定量分析，一些细节问题图中已做了简化，并且设想了可能的参数。

设想的燃料电池发电厂基本发电过程如下：首先将煤与593，5atm的水蒸汽在高温下反应，生成900的汽，再经过换热器后脱硫（除去,防止催化剂中毒），最后温度降为进入燃料电池阳极，反应后之剩余气体中含和未反应的，经过分离器B后分为两路，分离的水蒸汽凝结成的水后经换热器温度升为，重新进入燃料转换器与C反应。分离之可用于燃气——蒸汽联合循环的空气经压气机压力上升，后经换热器，温度升为进入阴极反应，并将反应中电池内阻产生的热带出，反应后之气体进入透平做功，做的功一部分推动压气机给电池阴极提供高压空气，一部分驱动发电机发电。从阳极排出的尾气因含有大量未反应的氢气故首先经分离器分离为76度的水和富氢气体，水用于煤气化，充分节约了发电用水，而氢气则用于燃气——蒸汽联合循环。

这套装置有以下几大特点：1）利用煤气化的热量。在燃料转换器中之反应。装置中将该热量通过换热器加热水蒸气，避免了额外支出能量。2）利用反应后阴极的剩余尾气带出反应中电池产生的欧姆热，推动透平做功，发电的同时带动压气机为阴极提供高压燃气。3）把未反应完的富氢阳极尾气分离出水后送至燃气蒸气联合循环系统发电。4）部分最终的尾气可用于厂区的空气调节。5）由于技术限制，在C中对煤气进行脱硫处理时，温度不可太高。故利用换热器E1,E2对进出脱硫装置的气体进行降温升温处理，充分节约了能量。

当使用透平作为联合循环后，燃料电池发电系统总效率有明显提高，整个电站向外输电功率为827＋4400＝5227kW为5.2兆瓦级电站。为了全面地将设想的燃料电池发电厂和普通火力发电厂进行效率比较，需考虑煤气化的效率。考虑透平，锅炉和发电机的实际效率后，普通电厂的发电耗煤率平均约为320g/kWh,总效率约为40％。无论效率还是耗煤量MCFC电厂都远远优于普通火力电厂，消耗单位质量标准煤MCFC电厂发电量是普通火力电站的320/130=2.46倍，燃料电池大规模发电的优越性可见一斑。

三、经济性分析

最后，我们再从经济角度分析该套装置的可行性。燃料电池联合循环的经济性分析以装置的单位发电成本价格为标准。装置的年总投资费用为PE:PE=CAP+M+OM；M=FH（式中：CAP装置总资本的年消耗额；M燃料的年消耗；C装置总资本；F燃料能量的消耗率；OM装置运行和维护的年费用；燃料单位能量的价格；H装置的年运行小时数）可得出单位发电价格。（式中：W装置的发电功率)。

四、结束语

对比上述改进后的燃料电池联合循环和普通发电装置的单位发电价格，燃料电池联合循环由于结合了多项新技术，初期建设的一次性投资大，故CAP项的值较大，可据前面单位发电耗煤量的比较计算可知其M项的值较小；普通发电装置中CAP项的值较小，而M项对应值则大得多。同时，由于燃料电池发电运行稳定，日常维护费用OM低,且由于尾气中无粉尘,等污染物，故不需要高昂的尾气净化费用。因此，燃料电池联合循环的优点就在于其装置循环的效率高，原料的消耗较小，日常运行费用低，但初期投资高是其一大问题。

燃料电池联合循环的运行稳定性同样对整个运营效率也有很大贡献，因为普通发电启停一次要耗电能折合标准煤120～150吨，停运次数增加，加之启动成功率的影响，年均消耗的燃料就要多，最终造成全年平均燃料消耗率偏高。而燃料电池发电由于无大型旋转机械，故障率低，可以连续稳定运转，H值远高于普通发电，导致?降低，故有很大的经济应用前景。

参考文献

【1】工程热力学题型分析（第二版），朱明善 刘颖 史琳，清华大学出版社，2000，4

【2】电工高新技术丛书（第一分册），中国电工技术学会，机械工业出版社，2000，4

【3】新电池读本，（日）吉泽四郎等，化学工业出版社，1987；

电池原理 第7篇

电极材料的选择是高性能锂离子电池开发中的重要工作内容。当前,以LiCoO2为代表的层状结构的锂过渡金属氧化物材料仍是大部分锂离子电池产品的最佳选择,用量约占正极材料总量的80%。LiCoO2是最先被采用的锂离子电池正极材料[1,2,3],由于存在价格较高和安全性相对较差等缺点[4],导致它在动力电池的应用上受到限制。针对这些缺点,人们试图在研究它的充放电过程动力学的基础上,采用掺杂等方法改善其性能、降低成本[5,6,7],随着研究的深入也开发出了一系列其他成分的层状正极材料[8,9,10,11]。

近年来,国内外有大批科研人员开始采用第一性原理计算的方法对锂离子电池的电极材料的物理性质与动力学行为进行研究[12,13,14]。采用第一性原理对锂离子电池电极材料进行研究已经成为广大研究人员所认可的有效和可靠的方法。对当前的研究进行恰当的总结有利于理清研究过程的发展脉络,对后续研究工作的开展、新研究领域的拓展、新型材料的开发以及后续研究人员工作的从速展开都有利。为此本文对近年来采用第一性原理方法进行锂离子电池层状正极材料研究的新进展进行了评述,并从锂离子电池开发人员的角度对相关研究提出了自己的看法。

1 LiCoO2的结构与电化学性质研究

LiCoO2的第一性原理计算研究是比较早的,研究内容主要是锂离子嵌入/脱嵌过程中体系性质的变化,以及更微观的层次上的晶体的性质与变化等。

当用LixCoO2中x值的变化表示锂离子的嵌入/脱嵌程度时,LixCoO2晶体的性质随着x值的变化关系如表1所示。脱嵌锂过程中LixCoO2晶体结构的变化如图1所示,其中未脱锂的片层状LiCoO2晶体(见图1(a))具有R-3m空间群结构。

1.1 LiCoO2的体系变化与性质

MIT的Ceder等[15,16,17]首先研究了LiCoO2的结构和锂离子脱嵌过程中的相的变化。他们发现在电池充放电过程中,锂离子空穴分布和相互作用、体系中的电子数目以及氧堆积层稳定性的变化都能使LiCoO2产生结构的变化,这些通过第一性原理进行计算分析是很明确、清晰的。在锂脱嵌过程中,LixCoO2将发生有序/无序转变,使氧层严重屏蔽Li-Li之间的相互关联。这一研究结果有助于人们从动力学角度考虑LiCoO2在充放电过程中的行为与性质改变,从而能为对其进行改性提供有益的指导。Yamauchi等[18]也进行了类似的研究。他们通过计算LixCoO2的能量绘制了LixCoO2与Li金属间计算电压曲线,通过电荷布居分析和能量密度分析对体系的稳定性进行了研究。研究发现,Li离子的扩散对O原子的电子结构影响要比对Co原子的显著,这导致了O原子的局部能量的变化,但同时在Li离子含量非常低和Co原子的电子结构变化不大的情况下,随着充放电的发生,其能量变化却非常显著。基于上述现象他们提出,在电池安全和稳定性研究方面,对电极材料进行局部分析是非常有必要的,这能够辨明稳定性的来源。

为考虑温度对材料稳定性的影响,Gong等[19]通过引入晶格振动作用,对LiCoO2的结构和稳定性进行了计算。他们发现,受温度影响,LiCoO2的嵌入电势会因温度的升高而降低,嵌锂和脱嵌状态的LiCoO2的声子频率也不同,Co-O键在脱锂状态下变长,使得深充电时完全脱锂的CoO2都能稳定存在。这一计算结果说明温度变化对LiCoO2晶体结构的影响在脱嵌锂过程中是不能忽略的。一般情况下,第一性原理计算都是在绝对零度进行,研究表明,对LiCoO2计算分析时考虑温度对其的影响非常有必要。

LiCoO2在电解液中的稳定性影响着其使用性能,Gu等[20]对LiCoO2的这一性能进行了计算。他们通过计算一系列氢在LiCoO2中的转移路径,详细分析了氢的吸附与扩散行为。通过计算发现,LiCoO2的电化学稳定性严重依赖于电解质中H+的浓度,当pH<9时,LiCoO2在电化学上是不稳定的,在pH>11时它才变得稳定。其原因在于,在低的pH值情况下,H+将与LiCoO2中的氧通过O-H键首先结合在一起,从而进入到电极材料体系内。H+最容易在原子空穴处驻留,当锂离子在充放电过程中离开原有位置形成Li+空穴,正适合于H+去填充,从而形成H+-空穴组合缺陷。在体系中空穴数量多、H+浓度高时,形成的此类缺陷数量就会增加。在这种情况下,由于上述缺陷阻塞了Li+的扩散通道,造成在正常工作电压下不能使锂离子发生移动,使LiCoO2的电化学稳定性丧失。需要说明的是,并不是多大的H+浓度都能产生这种效果,只有当形成的H+-空穴组合缺陷能够连接呈大的网时,它才能起到阻碍锂离子扩散的作用,这是LiCoO2依赖于pH值的原因。Gu等的这一研究从微观的动力学过程解释了LiCoO2在充放电过程中与电解质环境的作用,不但解释了相关实验现象,同时也为如何防止这种现象的发生提供了必要指导。

Koyama等[21]对LiCoO2(也包括LiNiO2、LiMnO2和Li-(Li1/3Mn2/3)O2)的缺陷化学进行了计算,系统研究了空位、置换原子和间隙原子缺陷对材料性质的影响。计算发现,Li-CoO2和Li(Li1/3Mn2/3)O2的缺陷浓度低,容易合成。这些计算结果和特性与在实验中观察到的氧化物的导电性能非常一致。计算还发现,材料表面在有机电解质的浸泡下出现被还原的倾向以及表面减少的倾向与缺陷化学的计算是一致的。通过高温缺陷化学的计算认为[22],层状正极材料中过渡金属的置换原子缺陷占据主导地位,缺陷浓度与生成条件有关。Kim[23]通过第一性原理计算模拟了LiMO2(M=Ni,Co,Mn)的相图,进而分析了缺陷与材料性质之间的关系,指出无缺陷的LiCoO2的稳定性最强,LiNiO2的缺陷在热力学上就是无法完全消除的。利用Co、Mn的代位掺杂可以有效降低LiNiO2的点缺陷。这为多元层状材料的设计与制备提供了理论支持与指导。上述缺陷化学的分析可以有效地定量描述材料的电化学行为,为设计新材料和计算材料的结构与性质提供了新的方法。

1.2 表面结构与材料性质

锂离子电池电极材料在充放电过程中的很多性质是与其表面状态相联系的,因此其表面性能的研究也是很有必要的。Dahéron等[24]利用X射线光电子能谱(XPS)和理论计算分析研究了LiCoO2的表面性质并与其充放电过程中的行为相联系,解释了某些实验现象。XPS所得实验结果和第一性原理计算得到的态密度(DOS)是有对应关系的,通过实验和计算发现,LiCoO2电极在充放电过程中存在氧原子的移动,某些晶面上出现了氧原子的特征峰值。这说明在充放电过程中电极与电解液存在一个相互扩散和溶解的过程。这一发现解释了一个实验现象,即LiCoO2电极在充放电过程中能对电解液的氧化能力起到催化的作用,计算认为这是由于Co的溶解而产生的。

Kramer等[25]通过对不同状态下LiCoO2某些晶面稳定性的计算,提出了“裁剪”LiCoO2形貌的方法。他们发现Li-CoO2只有(0001)、和晶面能在平衡状态下存在,这些晶面(如(0001)、)还很有可能只在氧化条件下稳定存在。由于LiCoO2有晶面生长依赖于环境的这一特点,因此可以通过控制LiCoO2制备过程条件的方法,控制LiCoO2的形貌,达到“裁剪”的目的。

为研究固体电解质电池中的界面问题,Moriwake等[26]对Li在LiCoO2中晶面上的孪晶界上的扩散进行了实验观测和计算。计算发现,相对于理想晶体,在孪晶界附近正极电势降低了0.2V。界面对Li在LiCoO2中的扩散有强烈影响,Li在孪晶界上扩散的激活能为0.2eV,而穿过孪晶界则需要0.4eV的激活能,这对全固态电池的充放电是非常不利的。对这一机制的研究,有助于在材料制备过程中对其晶体结构进行必要的控制。Kim等[27]对LiCoO2和NCM(LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)在电解液中的界面性质进行了计算。计算表明,在高脱锂情况下,LiCoO2表面氧空穴的生成较NCM容易,这说明充电时其析氧倾向大。实验测试也证实了这一点。这在材料结构方面给出了如何抑制析氧现象的研究途径。

2 其他LiMO2正极材料的研究

对其他LiMO2电极材料的研究一开始是基于替代Li-CoO2降低成本这一目的而进行的,研究的材料主要有LiNi-O2、LiMnO2等,随着研究材料数量的增加,有很多具有这类化学式的材料已不再是类似LiCoO2的R-3m结构。

2.1 LiNiO2的研究

LiNiO2有与LiCoO2相似的R-3m空间群结构(如图1所示),都属于可脱嵌锂的层状结构,因此与LiCoO2一样具有脱嵌锂的电化学活性。Dompablo等[28]系统研究了LixNiO2的相的稳定性与单斜变形。他们采用第一性原理方法计算了LixNiO2的相图,发现在x=0.25、0.33、0.4、0.5和0.75处会出现LixNiO2的有序相,验证了有关实验结果,同时又新发现了Li0.4NiO2的存在。LixNiO2中存在Ni3+,具有Jahn-Teller活性,这导致在LixNiO2中有Jahn-Teller效应(J-T效应)的存在。当LixNiO2体系中Li的数量发生变化(即x值发生变化)时,在Ni3+的J-T效应作用下,相应的晶体构型要发生一些变化,如使得LiA-O-Ni3+-O-LiB(A、B指Li的不同层)形成180°的连接等,这在晶格结构层次上能造成晶格常数的变化,从而形成了在LixNiO2中的单斜变形。Amriou等[29]也用J-T效应讨论了层状结构的LiCoO2、LiNi-O2、LiMnO2的稳定性。J-T效应是通过3种结构嵌锂前后的能带结构而分析得到的。计算结果显示,层状R-3m结构的LiCoO2是稳定的,而LiNiO2和LiMnO2是不稳定的。这一结论既被de Dompablo的计算所支持,也为相关的实验所验证。层状LiNiO2和LiMnO2结构不稳定的原因就在于Ni3+和Mn3+的电子构型不能支撑完善的R-3m空间群的层状结构。

LiNiO2和LiCoO2的形貌受到界面能的影响,Kim[30]也对其进行了计算。结果表明,LiNiO2的所有易变形的表面的能量都低于LiCoO2,烧成时的驱动力小,从而导致其非常容易碎片化。其表面的离子化程度小,键能也低,这些都得到了实验结果的支持[30]。

2.2 LiMnO2的研究

虽然LiMnO2不能维持稳定的层状结构,但这并不妨碍用第一性原理的方法对其进行计算。Huang等[31]对虚拟的层状结构的LiMnO2(r-LiMnO2)的性能进行了计算,结果发现,在Mn3+低自旋的状态下,r-LiMnO2能作为一种很好的正极材料来使用。他们建议在低温、高压和有Co、Ni、Cr等掺杂的情况下合成r-LiMnO2,同时也进行了相关实验并取得了成功。

当前,层状的富Li锰酸锂Li(Li1/3Mn2/3)O2(可写作Li2MnO3)越来越被重视,它的理论容量高[32],甚至能和Li-CoO2形成层状的复合正极材料[33]。Chen等[34]采用GGA+U的方法计算Li2MnO3的嵌锂电压,所得结果与实验吻合良好。通过电子结构的分析认为,纯的Li2MnO3是电子绝缘体,但它在三维情况下却是Li+的导体,其Li+迁移能垒在0.57~0.63eV之间。 Hoang[35]研究了层状LiMnO2和Li2MnO3化合物中缺陷对它们的性能的影响,发现氧空穴极化子能有效提高材料导电性和容量,他提出,可以利用材料制备过程中氧的氧化作用制备高容量的正极材料。

LiMnO2的稳定相具有单斜晶体结构,Huang等[36]也对其进行了计算,主要计算内容包括Li脱嵌后的结构稳定性、电子结构(态密度)和脱嵌锂电位等。计算结果表明,当Li脱嵌后,Mn可以进入到原来的Li位,这被称为单斜相LiMnO2中Li的抽出行为。通过计算其J-T效应发现,Li抽出后,Mn由J-T活性的Mn3+变成了J-T非活性的Mn4+,从而在根本上解释了LiMnO2由单斜结构向尖晶石结构转变的机制。

在Li-Mn-O体系中,尖晶石结构的LiMn2O4(见图2(a))是常用的一种正极材料。第一性原理计算在它上面的应用主要集中于充放电过程中的结构变化(Mn离子的J-T效应对结构的影响)[37,38]与掺杂[39]、多元化[40]等方面。

2.3 其它正极材料

LiTiO2不能维持稳定的层状结构,Koudriachova[41]预报了斜方锰矿结构的LiTiO2,认为其具有可脱嵌锂的性质,可以应用于锂离子电极材料中。Li2TiO3是与Li2MnO3类似的另一种富锂层状材料,能够保持稳定的层状结构,且也可与LiMO2(如LiVO2)形成复合层状材料[42]。当前,第一性原理计算主要应用于Li2TiO3晶体或界面性质的研究[43,44]上。

作为正极材料应用时,LiVO2表现出与层状LiMnO2相似的行为,同时,LiV2O4也具有与LiMn2O4相同的尖晶石结构[45]。Ma等[46]采用第一性原理计算系统研究了各种元素的掺杂对其稳定性的影响,结果表明,Cr原子的代位掺杂能显著增加V迁移的势垒,从而提高了LiVO2的结构稳定性。

LiFeO2不具备层状结构,但它也能作为正极材料来使用,Catti等[47]对其进行了计算,确定了其最基本的稳定相的结构(Pmmn空间群),发现其在脱嵌Li时,最终将反应生成尖晶石结构的LiFe5O8。 常用含铁的锂离子正极材料是LiFePO4[48],它不是层状结构(见图2(b)),而是属于聚阴离子型的正极材料。对它的研究主要包括本质导电性的计算分析[49]、掺杂改性[50]等。这对于高电压层状正极材料的计算研究具有借鉴意义。

3 掺杂改性和多元材料的研究

3.1 掺杂改性研究

采用少量的金属元素代替LiCoO2中部分的Co不会破坏其层状结构,若能合理对掺杂金属进行选择,就能寻找到合理改善LiCoO2的综合性能的方法。

Shi等[51]对Mg元素掺杂LiCoO2进行了计算,计算了Mg对LiCoO2结构的稳定性、电子结构、平均嵌锂电位和电性能的影响。Mg掺杂后,LiCoO2的费米面向价带移动,随着Mg掺杂量的增加,Co 3d电子与O 2p电子的重合明显增大,说明它们之间的联系更加紧密。这一计算结果表明,Mg掺杂使体系的导电性增强。体系结合程度的增强使脱嵌锂反应的能量变化得到提高,最终导致平均嵌锂电位提高。计算还发现,Mg掺杂后LiMgxCo1-xO2的容量要比LiCoO2的容量低,但由于Mg2+的离子半径要大于Co3+的离子半径,使得层间距增大,Li的嵌入和脱出反倒变得容易,因此整体性能也不至于受到大的影响。由于有比容量降低的效应,因此,他们还是建议Mg的掺杂量要小于15%为宜。

Shi的这一计算可以说是一种非常典型的掺杂计算方法,整个计算过程非常简单、清楚,分析上不需要过深的理论。在实际研究中可以非常方便地采用这种方法来对掺杂元素的种类和添加量进行初步选取,然后再进行具体实验。用第一性原理计算作为锂离子电极材料设计与性能选择的初步筛选工作,能够在显著减少实验工作量的情况下获得更好的实验结果。

Kim[52]对Co和Mn掺杂LiNiO2的稳定性进行了计算,结果发现,在LiNiO2掺杂Co和Mn元素后,若Co和Mn聚集于一层,则LiNiO2的结构就是稳定的。这样的分布使LiNiO2体系中的Ni-O键的键长得到调整,缓解了应力。而此时,Li离子趋向占据Co和Mn的晶格位置,形成了3种元素的团簇,这种团簇预计在高度脱锂状态下依然能够存在。这一计算解释了Mn和Co掺杂LiNiO2提高其稳定性的原因。

3.2 多元层状材料的研究

少量的元素取代LiCoO2中Co的位置可以称为掺杂,若某一种元素与Co的比例相当且体系仍然保持LiCoO2的结构,则就应称为多元层状结构的化合物。虽然层状的LiNi-O2、LiMnO2等不能稳定存在,但Ni、Mn等与Co相互配合还是可以形成稳定的层状结构,另外在有Co、Ni等元素的存在下,Al也可以进入到层状结构的Co位中。现在开始应用和研究的多元层状结构材料有Ni-Co-Mn系(NCM)、Ni-Co-Al系(NCA)等,它们是在LiNiO2掺杂改性的基础上设计实现的。二元的层状结构材料也有研究和应用。

Landa等[53]对Li(Mn100-xCox)O2体系进行了计算,其计算主要是以磁性的计算为主。计算发现,当x<13时,体系保持反铁磁性的正交结构,在13<x<30时,体系为磁无序状态的正交结构,在30<x<60时,体系为铁磁性的三方结构,在x>60时,体系是磁无序结构的三方结构。磁无序结构的三方结构与LiCoO2的结构相同,用于正极材料非常合适,因此,他们认为只有当Mn和Co的量差不多时才能形成稳定的含锰的层状结构。

Wang等[54]对LiCo0.5Ni0.5O2体系进行了计算,计算内容主要包括LiCo0.5Ni0.5O2相对于层状LiNiO2的结构变化,通过计算电子结构分析了Co加入后体系J-T效应的改变。计算表明Co与Ni共存时,Co明显阻止了Ni3+的J-T效应,从而可使材料呈现稳定的层状结构。由于J-T效应被阻止,体系中的NiO6八面体的键长增加,由1.92 增加到2.00,结构对称性也增强。体系中发生了Co原子到Ni原子的电荷的转移,由于电荷发生了转移,就使得Ni3+由J-T活性变为了J-T非活性。罗改霞等[55]从Ni元素掺杂LiCoO2的角度对LiCo0.5Ni0.5O2体系进行了计算,他们发现,如同Mg元素掺杂一样,Ni3+的加入也导致Co的3d轨道与O的2p轨道之间的成键加强。随着Co与O之间结合紧密程度的增加,Li与O和Co的联系进一步减弱,从而使锂离子在层间更容易自由移动。与LiCoO2体系相比,LiCo0.5Ni0.5O2体系的部分占据态得到电子向费米能级以下移动,在费米能级处出现杂化态,这样导电性能也得到了提高。

对三元材料LiMnxCoyNi1-x-yO2的计算发现[56],增大Ni含量可以提高正极材料的容量且足够的Ni含量还能稳定材料的电位,Ni对Co的替代能使Li扩散相对容易,而Mn元素则起到相反的作用。计算推荐Mn与Co的比例为1∶1,而Ni的含量可以提高。通过合理的调整成分,能够使材料有较宽的电压平台,整体性能良好。Yu等[57]研究了LiNi0.42-Mn0.42Co0.16O2中Li+/Ni2+离子交换对其性能的影响。计算发现,Li+/Ni2+离子交换的增加将使材料产生严重的各向异性的应力,在脱锂过程中畸变力将大大增加。这一变化将直接影响材料的容量、稳定性和倍率性能。

理论计算解决了Ni、Mn等元素与Co配合形成多元层状结构化合物的稳定性的机理,给实验做出了合理的解释,从而促进了多元层状结构化合物的应用。现在常用的三元正极材料有LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2等。由于计算方法和软件的成熟,人们在设计多元层状结构化合物的成分时,也首先采用第一性原理计算的方法来预测材料性能的好坏,然后进行实验验证。Saavedra-Arias等[58]开发了一种新的三元层状化合物LiNi0.66Co0.17Al0.17O2,他们首先计算了该化合物(以及其他候选成分的化合物)的相稳定性、结合能、锂嵌入电位等,在得到充足的有利信息后,进行实验,合成了该种材料,经过测试确实达到了比较好的使用效果,在1C充电情况下其比容量为169.7mAh/g,循环25次后仍保持初始比容量的93.8%,显示出非常好的循环性能[58]。

4 结语

第一性原理计算在锂离子电池层状正极材料方面的应用主要体现在LiCoO2结构与性质的计算、LiCoO2改性的计算和新型层状结构正极材料的计算设计方面。LiCoO2等层状结构材料应用较早、研究也较深入,今后应用第一性原理计算对这类材料进行研究应该在切合电池发展需求的情况下,对材料在真实复杂环境下结构与行为的理论分析、材料改性微观机制的初步探索和新型材料的体系化设计等方面予以关注。

随着消费类电子产品对电池电极材料体积比容量要求、电动汽车对质量比容量要求以及对电池安全性要求的不断提高,高电压高压实LiCoO2、高容量NCA、多种材料混合使用、材料与电解液搭配等领域都是具有较高研究价值的方向。在这些新领域的研究方法上,第一性原理计算是配合传统实验的有效途径,合理的计算可以在加速实验进程、节约开发成本等方面发挥重要作用。以高电压LiCoO2为例,其主要是通过对LiCoO2晶体的包覆和掺杂来实现,以达到减轻以至消除因高电压所导致的材料结构不稳定化倾向的目的。然而,可以进行包覆和掺杂的材料种类繁多,传统实验的开展费时费力。此时如果能在更大尺度范围内对LiCoO2的结构与行为进行理论分析以获取尺度因素对其性能的影响、通过对掺杂行为的分析以缩小掺杂物选取范围,就可以充分发挥计算优势,相对较快的获得指导性结论,为实验开展指明方向,加速研发进程。

第一性原理计算已应用于锂离子电池层状正极材料许多方面的研究中,但作为一种具有严格理论基础和正在快速发展的研究手段和工具,无疑它会在相关研究中体现出更大的优势。从第一性原理在锂离子电池正极材料方面的应用趋势来看,采用第一性原理的计算研究将在锂离子电池开发甚至材料科学研究中占据越来越重要的地位。

摘要：对近几年来第一性原理计算在以LiCoO2为代表的锂离子电池层状正极材料研究方面的应用进行了综述。主要包括LiCoO2的结构与电化学性质研究、其他LiMO2正极材料的研究、掺杂改性和多元材料的研究等方面。较详细地介绍了它们的研究过程,讨论了取得的成果,分析了研究特点。在对上述研究内容进行简要评述的基础上阐述了继续开展相关研究的领域。

电池原理 第8篇

针对电池组因个体内阻差异造成的不一致性, 有专家指出最好的解决方法就是采用串联放电、并联充电的方式对电池组进行维护, 这样不但可以消除单节电池落伍现象, 而且还可以逐步扩充落伍电池的容量。这样就可以延长电池的使用寿命, 而且对电池组的配组要求等级也可以降低。可是这种充电器推出之后市场并不接受, 原因是电池组都是采用串联放电方式, 如果再采用并联充电器电路连接方式, 就会导致电路连接过于复杂, 而且容易出错。因此这类并联充电器在使用推广的过程中就遇到了阻碍。

2 本产品的设计思路

本人设计的电路就是采用电池组串/并联充电方式自动模拟转换的原理, 这样既克服了串联充电的不一致性, 又克服了并联充电的复杂连接方式。为了增加本产品的维护功能, 我还在均衡器中增加负脉冲发生器, 能够在电池充电末端自动产生变频负脉冲 (相当于全脉式充电器的末端功能) , 使本产品的维护功能达到及至。

3 本产品的工作模式及特点

本电路 (功能方框图附后) 的具体工作模式就是在电池组的每节电池上并联一只维护器, 并不影响电池组原来的连接和输出方式, 本维护器只有在电池组充电末期才开始工作 (平时都处于不耗电的待机状态) , 在单节电池电压升至临近产气点附近时自动产生间隙导通, 即振荡电路开始工作, 同时将其转化为比较强大的负脉冲, 这样就相当于给处在临界产气状态下的电池添加一个负脉冲, 对于因硫化而导致容量降低的电池给予良好的维护机会, 如果本组电池不均衡, 最早到达产气点的单节电池电压会继续增加, 超过产气电压值 (这时如果继续充电, 本节超压电池就会进入电解水状态, 时间久了就会使单节电池严重失水, 容量降低) , 这时本均衡器就会开始转入完全导通状态, 让多余的电流通过本维护器涓流旁路掉 (而不是起先间隙导通时的大电流, 以免功率过高而发烫烧毁) , 这样一来, 凡是提早达到产气电压的单节电池都会自动旁路导通, 而落伍的电池还会继续充电, 相当于把充电末期的电池组自动转换成并联充电模式 (等效并联状态) , 同时为了不至于让电池组同时产生旁路, 造成充电不转灯现象 (不进入充电第三阶段) , 设计时采用让均衡器的导通电压之和刚好大于充电输出最高电压, 使得并接于单节电池两端的均衡器永远无法同时满足导通条件 (总有一只以上均衡器处在负脉输出阶段) , 消除了增加旁路电路后的不转灯现象。

本维护器的最大优点是在电路功能实现上设计巧妙, 以最简单的振荡电路加电压控制方式完成以上功能 (而不是复杂的单片机电路) , 其工作特点是:根据振荡电路的频率会随着基准电压的升高而产生变化的工作原理设计而成, 即使用一个振荡电路就完成了脉冲发生、变频直至导通等三级功能, 因而使得电路简化, 成本降低。使得单节维护器制作成本大大降低。本维护器的第二大优点是电压检测采用普通稳压二极管采样, 并通过外围电路适当调整增加它的取样精度, 同时使得电路简单又经济。本电路的第三个优点是脉冲发生电路和涓流旁路电路能够根据电压变化自动进行转换, 而且脉冲频率会随着电压变化而自动变化, 等效于全脉冲电路。主要是以上三大设计优点就是本次要求申请专利的保护项。

4 电路的具体工作原理如下

本电路主要有电压取样电路D1及外围辅助电路、核心振荡电路、负脉冲输出电路 (主要是开关电路及外围辅助元件) 三部分构成, 具体工作过程是:电池两端的电压直接加在取样电路两端, 电压取样电路的主要元件是稳压二极管DI及外围调整电阻, 当电源两端的电压接近规定值 (电池产气点电压) 时, 稳压管开始导通, 为振荡电路 (复合管的Q1的基极) 提供启动电压, 这时基极电压应低于0.6V, 使得复合管组成的电路始终处于放大状态, 并通过电容C1正反馈形成振荡, 而且振荡频率随着基极电压的升高而增大, 同时将脉冲信号向下一级电路输送, 一旦电源电压超过规定值 (电池产气点电压) , 此时取样电路提供的电压值将超过0.6V, 加在Q1基极后就会使复合管处在饱和导通组状态, 涓流旁路电路开始工作, 外部充电电流一部分会通过Q2及R2旁路而消耗掉, 使得本节电池充电速度减慢, 而此时振荡也会自动停止, 脉冲停止输出, 振荡电路部分的电阻R1只是起到保护复合管的作用 (防止饱和导通时击穿Q1) 。本电路的最后一节为负脉冲输出电路, 它实际上就是一只开关管K后面串接一只大功率电阻, 一旦上一级有脉冲信号输出时, 它就处在工作状态, 开关管间歇导通 (用外围辅助电路让它变为导通比将近1∶20) , 相当于输出尖负脉冲, 去消除电池两极的细微气泡, 并去除极板的硫化, 从而达到维护电池功能。一旦上一级电路没有脉冲输出, 脉冲输出电路就会停止工作 (处在截止状态) 。

本产品的使用性能如下。

本产品从设计、测试到试用已有2年时间, 其中第一年都在测试性能 (实验原始数据超过200条) , 第二年在测试使用效果和使用寿命, 现在各项指标均已符合要求, 特此申请专利, 恳请有关部门予以检测。

摘要：随着电动自行车的大力推广, 越来越多的普通百姓都用上了电动自行车, 但电动自行车的电池维护却成了一个世界性的难题, 由于技术所限, 大部分电动自行车电池都采用到期换新电池的方法来达到提高续航公里数的目的, 这种方法既不经济也不环保。经过本人多年的研究, 发现电动车续航公里数下降大部分是因为电池组的平衡失调引起的, 而非真正的电池寿命到期, 只要我们采取措施让电池组的所有个体电压保持平衡, 再加上充电时的负脉冲进行维护, 就会大大延长电动车电池的使用寿命。

电池原理 第9篇

1 阀控式蓄电池的工作原理

阀控式蓄电池, 在对其进行充电的过程中和充电终止时会发生水被电解的情况, 一般情况下, 在蓄电池的正极出现氧气, 在负极出现氢气。其工作原理和以往的铅酸蓄电池的工作原理大部分相同, 正极活性物质为二氧化铅, 负极活性物质为绒状铅, 其电解液为稀硫酸。由于电池运用的是免维护极板, 将氧气析出来时, 提高电位, 又受到反应区域、反应速度不一样, 导致正极出现氧气, 负极出现氢气。在阀控式电池结构中, 将电池内部的压力和气体进行保留, 使其进行循环反应, 并将抑制负极氢气的气体析出, 有效地对电池内的水分进行控制, 避免大量的消耗, 由此可以了解到, 电池能够进行密封运行。

近年来, 随着科学技术水平的不断提高, 阀控式蓄电池的结构和材料都进行了创新改进。其正极板的材料运用铅钙合金或者铅镉合金材料制作, 负极板运用铅钙合金制作, 运用超细玻纤材料作为隔板, 并运用紧密装配、贫液设计技术工艺, 实现将电池放置在塑料电池壳中, 在其中密封发生反应, 在出气孔中安装单向的安全阀。阀控式密封铅酸蓄电池固有的内部氧循环反应原理, 在充电的过程中, 不会造成电解液中的水出现减少的现象, 在使用电池时, 不需要进行加水工作。

2 阀控式蓄电池在通信电源中的应用

阀控式蓄电池运行的环境、一般维护、阀控式蓄电池的检查工作以及充放电工作等方面都有特点, 其在通信电源中的应用需要注意几点问题。

2.1 阀控式蓄电池适宜运行的环境

安装阀控式蓄电池时, 要使其在具有通风换气条件的通信机房中, 且机房内的温度控制在27以内, 机房周围环境的温度适宜在11˚С~26˚С范围内;阀控式蓄电池的安装位置, 适宜放置在干燥阴凉处, 避免阳光的直射, 在机房朝阳的位置应该做好遮挡阳光的处理;阀控式蓄电池组之间需要预留足够多的空间, 用来进行维护工作;用于UPS的阀控式蓄电池组在建设维护通道的过程中, 要铺设具有绝缘性的胶垫。

2.2 阀控式蓄电池的一般维护工作

在对阀控式蓄电池进行维护工作时, 要注意以下几个方面的问题:阀控式蓄电池与防酸式蓄电池不能将其放置在同一个供电系统中进行混合使用;阀控式电池不同的型号、不同的规格以及不同的设计使用寿命, 也要禁止在同一个直流供电系统中进行使用;新阀控式蓄电池和旧阀控式蓄电池也不能在同一个直流供电系统中进行混合使用;阀控式蓄电池与防酸式蓄电池在安放时, 防止出现将其放在同一个电池室内的情况现象。

对于具备动力、环境集中的监控系统, 可以通过运用具备动力以及环境集中的监控系统, 针对阀控式蓄电池组的总体电压、电流、温度以及表示电池的单体电压等方面进行监测, 定期、定时的对蓄电池组进行检测工作。另外, 对电池监测装置进行定期的检测, 有利于对电池的充电、放电以及性能进行了解, 并及时的发现其中存在的问题故障, 给予快速、准确的处理。

2.3 阀控式蓄电池的检查工作

对阀控式蓄电池进行检查工作时, 对其进行物理性的检查。例如, 蓄电池是否出现损伤、变形或者腐蚀的现象;蓄电池的极柱和连接条是否足够清洁;蓄电池的连接处是否出现松动的情况;阀控式电池极柱的地方是否有爬酸、漏液的现象;蓄电池周围是否发生酸雾、酸液溢出的情况;蓄电池壳体是否出现渗漏、损伤以及变形的情况, 连接处的温度是否正常等。

2.4 阀控式蓄电池的充放电工作

在对阀控式蓄电池进行使用之前, 不需要对其进行充电, 但是要做好补充充电工作。其中, 进行补充充电的方式和充电运用的电压要依据阀控式蓄电池说明书。通常情况下, 补充充电的方式要采取恒压限流充电方式, 其充电的电流不能超过0.2C10 (C10指的是电池的额定容量) 。对阀控式蓄电池进行终止工作时, 要依据三个方面的条件:1) 对电池组进行的核对性放电试验, 其放出的额定容量要控制在35%左右;2) 对电池组进行放电试验时, 按照理论要求, 额定容量放出控制在80%范围内;3) 电池组中的任何一个单体达到放电, 将会终止电压。

2.5 阀控式蓄电池的使用寿命

按照以往的经验得出结论, 6V和12V的阀控式蓄电池的使用寿命通常情况下约为6年, 2V的阀控式蓄电池使用寿命约为8年。因此, 在不同的单位要根据相关的规定, 选择适宜的阀控式蓄电池种类。

3 小结

阀控式蓄电池具有体积小、重量轻等特点, 了解其工作特点和充电要求等, 严格按照要求安装及对蓄电池充电等, 对于提高阀控式蓄电池的工作性能、使用寿命以及维护具有重要意义, 对于提高通信电源系统的可靠性、先进性和可维护性都方面都具有十分重要的作用, 才能有效保证通信稳定与安全。

摘要：本文通过对阀控式蓄电池的工作原理、维护工作以及在通信电源中的应用进行分析, 旨在降低阀控式蓄电池在使用过程中出现的问题, 有效的提高阀控式蓄电池的使用寿命。

关键词：阀控式蓄电池,工作原理,应用

参考文献

[1]李爱霞.浅谈阀控式蓄电池的检修与维护[J].内燃机车, 2013, 01 (9) :9-10.

[2]胡波.阀控式蓄电池在通信电源系统中的应用[J].中国新通信, 2013, 04 (4) :95-96.

[3]李新艳.浅谈阀控蓄电池的保养和维护[J].技术应用, 2010, 04 (3) :153-154.

电池原理 第10篇

一、明确课程在课程体系中的地位

为适应创新型应用人才培养目标, 围绕学校“让每一个学生都获得成功”的办学理念, 创建“以人为本, 因材施教, 学、做、创并举”的教学理念, 为教学改革和创新型人才培养引领方向。常州工学院新能源科学与工程专业以光伏技术为培养方向, 培养从事新能源, 尤其是光伏技术开发与应用系统的设计、开发、测试、运行、管理等方面的具有创新精神的应用型高级工程技术人才。学生学习和掌握新能源材料、器件与应用系统的基本工作原理和制备、设计方法, 拓宽专业应用范围。

二、教学内容设计

《光伏电池原理与工艺》课程定位为常州工学院新能源科学与工程专业的核心专业课。根据学校的人才培养目标和生源特点, 该课程的定位是使学生掌握光伏电池的基本工作原理、制备工艺以及应用技术, 达到能熟练使用测试光伏电池性能、设计电池组件的目的。通过课堂理论教学和实践教学环节, 培养学生分析和解决实际问题的能力, 使学生具备扎实的物理基础, 逻辑性强的思维能力和创新精神, 培养学生掌握熟练的实验技巧和动手能力, 为后续专业课程的学习以及将来从事有关光电子与光通信领域的科研、教学、开发、生产、销售等工作打下必要的基础。

常州工学院在新能源科学与工程专业第三学年上学期开设《光伏电池原理与工艺》专业课程, 学分 (学时) 设置为4学分 (64学时) 。主要内容包括太阳辐射的特性, 半导体材料与P-N结基础, 太阳能电池的原理, 晶硅太阳能电池, 非晶硅薄膜太阳能电池, 染料敏化太阳能电池, 硅基薄膜太阳能电池, 太阳能电池的结构与设计, 光伏电池的互联与组件的装配, 化合物太阳能电池等。通过本课程的学习, 学生掌握从事光伏产业所必需的基础知识与理论及应用技能。该课程在阐明基本原理的同时, 突出应用技术, 使学生能够把握光伏电池组件的总体框架, 有兴趣、有信心投入实践和创新活动。

三、教学方法探索

该课程也是一门涵盖知识面广, 涉及多学科、多领域, 实践应用性强, 并且相关原理深奥难懂的课程。针对常州工学院地方本科高校生源的特点以及当代“90后”大学生的认知规律与个性化特征, 探索新的教学方式与手段, 实现课程的知识体系与学生应获得的能力结构有效融合。

培养学生的学习兴趣和自觉学习愿望, 在课堂教学过程中广泛利用多媒体辅助教学手段, 采用精讲、讲透的教学方式, 集中讲解重点、难点教学内容, 达到举一反三、融会贯通的效果。教师讲课时注重教学互动, 对学生特别关注的内容进行课堂讨论, 让学生各抒己见, 充分发表意见, 努力提高学生在讨论中发现问题和解决问题的能力。目的是培养学生善于和敢于“提出问题”的习惯, 并通过“解决问题”的能力训练, 掌握正确的学习方法, 由“学会”逐渐进步到“会学”。

通过对《光伏电池原理与工艺》课程内容设置既注重丰富的基础理论和专业知识, 又加强实验技能和实验设计能力的培训, 不仅能使学生的动手能力和创新能力得到锻炼和培养, 也使学生对所学专业方向的学科前沿及发展趋势有所了解, 能有效地促进学生实践能力和专业技能的培养;促进学生对实验知识的掌握, 拓展学生的视野, 增强教学效果, 能够切实提高高技能复合型人才培养的质量。

摘要：根据应用型地方本科高校常州工学院新能源科学与工程专业培养人才定位与人才培养目标, 对开设的《光伏电池原理与工艺》课程的教学内容设置、教学形式与方法以及教学效果等内容进行了分析与探讨。实践表明, 该课程的开设, 不仅可以促进新能源科学与工程专业学生的就业, 还可激发学生的学习兴趣, 有助于科研工作的开展, 培养学生的创新精神。

关键词：光伏电池,新能源科学与工程,教学内容,教学方法

参考文献

[1]安春爱, 米晓云, 柏朝晖.浅谈新能源材料与器件专业建设[J].长春教育学院学报, 2012 (28) :107-108.

[2]陈磊, 熊超, 肖进, 等.论新能源科学与工程专业的半导体物理学课程[J].新课程 (教师) , 2014 (12) :100-101.

电池原理 第11篇

关键词：光伏电池；新能源科学与工程；教学方式与方法

中图分类号：G642.41

一、引言

近几年来，我国新能源产业发展迅速，但与我国新能源产业快速发展不相适应的是新能源专业技术人才需求严重不足。新能源产业人才培养落后于产业发展，已严重阻碍了我国当前新能源产业的健康发展。大学教育的本质目的是发展每个学生个体，并且获得学生的认可与社会的肯定，要想达到这一目的，就需要使培养的学生所具有的知识与能力具有竞争力，并且得到社会的认可。常州工学院是一所培养应用型本科人才的普通高等院校，一直追求学生不仅要有扎实的理论基础，更要有较强的实践动手能力和创新精神，以满足人才市场的需求。

常州工学院新能源科学与工程专业针对学生如何掌握各种知识与能力这一问题，结合常州工学院的办学定位、地方本科高校生源特点，以及当代“90后”大学生的认知规律与个性化特征，探索新的教学方式与手段，实现课程知识体系与学生能力结构的有效融合。在光伏电池原理与工艺课程教学实践过程中，创建以“二八定律安排课内课外时间与内容分布的完整教学过程、二八定律控制教师主导与学生主导课堂比率的互动教学方法、二八定律分配教学资源的现代教学手段、二八定律划分课程成绩考核比率的全程考核方式”，形成以学生为主导的，以“主动型课堂”为特色的“二八式”课程教学新模式。

二、“二八式”的完整教学过程

教学过程不能只停留在传统授课的45分钟内，或者一门课程的四、五十个课时全部由老师讲授，而应将45分钟的课堂按二八定律分为20%的时间由老师讲授，80%的时间由学生演讲与讨论，并且将45分钟课堂拓展为课内和课外两个过程，课内所学的知识与花的时间只是完整教学过程的20%，课外所学的知识与花的时间为这个教学过程的80%。

课内采用“二八式”互动教学方法，可以使学生成为学习的主导，提高学生获取知识与能力的效率。整个光伏电池原理与工艺课程教学内容设计成多个专题教学，每一个专题安排2至3节课，老师占用课内20%的教学时间，利用各类教学资源，通过理论联系实际、多种教学手段的综合运用等措施，对每一个专题的知识体系框架、技术原理进行摘要式的讲授与呈现，并对下一个专题内容进行布置。课内余下80%的教学时间，让学生根据老师布置的专题内容，将课外学习过程中搜集的资料与学习内容通过PPT演讲的形式与大家分享，并展开讨论，教师只是一个记录员与成绩评定人员，真正实现以学生学习为主导的“主动型课堂”。

课外，老师布置的专题内容，采用“二八式”的现代教学手段，迎合当代“90后”大学生的认知规律与个性化特征，激发学生兴趣，养成其自主学习的习惯，培养自主学习的能力。20%的学习资料与内容可来源于教材，80%的学习资料与内容可来源于图书馆、网络、论坛等课外教学资源，这样学生展现的PPT不会重复，而且凸显了每一个学生的个性，以及反映了学习过程的态度与效果，迎合了“90后”的张扬个性与网络控的特点，激发了学生的学习兴趣。

三、“二八式”的互动教学方式

在课堂教学上，形成学生主导课堂，占用80%课内时间，讲授80%教学内容，教师是裁判为特点的“二八式”互动教学方法。

光伏电池原理与工艺课程采用专题教学的形式，整个课程教学内容设计成多个专题教学，每一专题内容，老师利用课内20%的教学时间，讲授20%的专题内容，讲授一些启发式、概述性的、摘要式的专题内容，并对下一个专题内容进行布置。课内余下80%的教学时间，学生将在课外学习过程根据老师布置的专题内容，搜集的资料与学习内容通过PPT演讲的形式与大家分享，并展开讨论，学生演讲与讨论的学习内容将占据整个专题教学内容的80%，真正实现学生学习为主导的“主动型课堂”。

四、“二八式”的现代教学手段

光伏技术这种新兴行业，技术更新非常快，教材上的知识与技术远落后于产业领域，要想实现人才培养与企业需求的无缝对接，必须快速更新课堂教学内容。

采用“二八式”的现代教学手段，实现20%的学习资料与内容可来源于教材，80%的学习资料与内容可来源于图书馆、网络、论坛等课外教学资源，同时学生通过展现PPT，凸显每一个学生的个性，及反映学习过程的态度与效果。这种教学手段符合当代“90后”大学生的认知规律，迎合了“90后”的张扬个性与网络控的特点，激发了学生的兴趣，从而使学生养成自主学习的习惯，增强专业综合技能。

五、“二八式”的全程考核方式

高等教学应该更看重学生的学习过程，因为学习过程影响学生在将来工作中处理问题的方式与方法，尤其是应用型本科教育更注重学生的学习能力、学习行为，工作能力、工作行为，而非专业课、专业知识。因此，学生的课程学习成绩考核方式也应该注重能力考核，而非文字记忆与解题技巧。

在课堂教学中，学生的PPT演讲与讨论过程，能够较好地反映学生学习过程中的学习态度与效果、学习行为与能力。教师做好每一个记录，并评定每一堂课程的学生成绩。最终的课程考核成绩20%来源于期末考试试卷，80%来源于课堂上的PPT演讲与成绩讨论。这种“二八式”的全程考核方式，能更合理地反应每一个学生的学习效果，关注每一个学生的学习行为，更有利于促进每一个学生个性化的发展与能力的提升。

光伏电池原理与工艺采用“二八式”课程教学新模式，有利于激发学生的学习兴趣，真正实现以学生学习为主导的“主动型课堂”，提升学生的自主学习能力与专业综合技能，促进课程知识体系与学生能力结构的有效融合。

参考文献：

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