化学电源 第2版PDF电子书下载

第1章 电化学理论基础 1

1.1 电极电势与电池电动势 1

1.1.1 电极／溶液界面的结构 1

1.1.2 绝对电极电势与相对电极电势 3

1.1.3 电极电势和电池电动势 4

1.1.4 电池电动势与温度和压力的关系 6

1.2 电化学反应的特点及研究方法 7

1.2.1 电化学反应的特点 7

1.2.2 电化学反应基本概念 8

1.2.3 极化曲线及其测量方法 9

1.2.4 电极过程特征及研究方法 11

1.3 电化学步骤动力学 12

1.3.1 电极电势对反应速率的影响 12

1.3.2 稳态极化的动力学公式 14

1.3.3 多电子转移过程 16

1.4 液相传质过程动力学 17

1.4.1 液相传质的方式 17

1.4.2 稳态扩散过程 18

1.4.3 电化学步骤不可逆时的稳态扩散 21

1.5 气体电极过程 21

1.5.1 氢析出电极过程 22

1.5.2 氧电极过程 23

第2章 化学电源概论 25

2.1 化学电源的发展 25

2.2 化学电源的分类 26

2.3 化学电源的工作原理及组成 26

2.3.1 化学电源的工作原理 26

2.3.2 化学电源的组成 27

2.4 化学电源的电性能 28

2.4.1 电池的电动势 28

2.4.2 电池的开路电压 29

2.4.3 电池的内阻 29

2.4.4 电池的工作电压 29

2.4.5 电池的容量与比容量 31

2.4.6 电池的能量与比能量 35

2.4.7 电池的功率与比功率 36

2.4.8 电池的储存性能与自放电 37

2.4.9 循环寿命 38

2.5 化学电源中的多孔电极 38

2.5.1 多孔电极的意义 38

2.5.2 两相多孔电极 39

2.5.3 三相多孔电极 42

第3章 锌锰电池 49

3.1 概述 49

3.2 二氧化锰电极 50

3.2.1 二氧化锰阴极还原的初级过程 50

3.2.2 二氧化锰阴极还原的次级过程 51

3.2.3 二氧化锰阴极还原的控制步骤 52

3.3 锌电极 52

3.3.1 锌电极的阳极氧化过程 52

3.3.2 锌电极的钝化 52

3.3.3 锌电极的自放电 53

3.4 锌锰电池材料 54

3.4.1 二氧化锰材料 54

3.4.2 锌材料 56

3.4.3 电解质 57

3.4.4 隔膜 57

3.4.5 导电材料 57

3.4.6 锌膏凝胶剂 58

3.5 锌锰电池制造工艺 58

3.5.1 糊式锌锰电池 58

3.5.2 纸板电池 58

3.5.3 叠层锌锰电池 61

3.5.4 碱性锌锰电池 61

3.5.5 可充碱性锌锰电池 63

3.6 锌锰电池的主要性能 64

3.6.1 开路电压与工作电压 64

3.6.2 欧姆内阻、短路电流和负菏电压 65

3.6.3 容量及其影响因素 65

3.6.4 储存性能 66

3.6.5 高温性能和低温性能 66

第4章 铅酸蓄电池 67

4.1 概述 67

4.1.1 铅酸蓄电池的发展 67

4.1.2 铅酸蓄电池的结构 68

4.1.3 铅酸蓄电池的用途 69

4.1.4 铅酸蓄电池的特点 69

4.2 铅酸蓄电池的热力学基础 69

4.2.1 电池反应、电动势 69

4.2.2 铅-硫酸水溶液的电势-pH图 70

4.3 板栅 73

4.3.1 板栅合金 73

4.3.2 铅板栅的腐蚀 75

4.4 二氧化铅正极 76

4.4.1 二氧化铅的多晶现象 76

4.4.2 二氧化铅颗粒的凝胶-晶体形成理论 76

4.4.3 正极活性物质的反应机理 77

4.5 铅负极 78

4.5.1 铅负极的反应机理 78

4.5.2 铅负极的钝化 79

4.5.3 负极活性物质的收缩与添加剂 79

4.5.4 铅负极的自放电 79

4.5.5 铅负极的不可逆硫酸盐化 81

4.5.6 高倍率部分荷电状态下铅负极的硫酸铅积累 81

4.6 铅酸蓄电池的电性能 82

4.6.1 铅酸蓄电池的电压与充放电特性 82

4.6.2 铅酸蓄电池的容量及其影响因素 82

4.6.3 铅酸蓄电池的失效模式和循环寿命 84

4.6.4 铅酸电池的充电接受能力 84

4.7 铅酸蓄电池制造工艺原理 85

4.7.1 板栅制造 85

4.7.2 铅粉制造 85

4.7.3 铅膏的配制 86

4.7.4 生极板的制造 87

4.7.5 极板化成 87

4.7.6 电池装配 90

4.8 铅炭电池 90

4.8.1 铅炭电池的结构原理 91

4.8.2 铅炭负极及碳材料 93

4.8.3 铅炭电池正极活性物质 94

4.8.4 铅炭电池的性能特点与应用领域 94

第5章 镉镍电池 96

5.1 概述 96

5.2 镉镍电池的工作原理 96

5.2.1 成流反应 96

5.2.2 电极电势与电动势 97

5.3 氧化镍电极 97

5.3.1 氧化镍电极的反应机理 97

5.3.2 氧化镍电极的添加剂 99

5.3.3 氧化镍电极材料 100

5.4 镉电极 101

5.4.1 反应机理 101

5.4.2 镉电极的钝化与聚结 102

5.4.3 镉电极的充电效率与自放电 102

5.4.4 镉电极材料 102

5.5 密封镉镍电池 103

5.5.1 密封原理 103

5.5.2 密封措施 103

5.6 镉镍电池的电性能 105

5.6.1 充放电曲线 105

5.6.2 记忆效应 106

5.6.3 循环寿命 106

5.6.4 自放电 107

5.7 镉镍电池的制造工艺 107

5.7.1 有极板盒式电极的制造 107

5.7.2 烧结式电极的制造 108

5.7.3 黏结式电极的制造 111

5.7.4 发泡式电极的制造 111

5.7.5 纤维式电极的制造 112

5.7.6 电沉积镉电极的制造 112

5.7.7 密封镉镍电池的制造 113

第6章 金属氢化物镍电池 114

6.1 概述 114

6.2 MH-Ni电池的工作原理与特点 114

6.2.1 MH-Ni电池的工作原理 114

6.2.2 MH-Ni电池的密封 115

6.2.3 金属氢化物-镍电池的特点 116

6.3 储氢合金电极 116

6.3.1 储氢合金的性质 116

6.3.2 储氢合金电极的电化学容量 118

6.3.3 储氢合金的分类 118

6.3.4 AB5型储氢合金 119

6.3.5 AB2型储氢合金 120

6.3.6 储氢合金的制备 121

6.3.7 储氢合金电极的制造 122

6.3.8 储氢合金电极的性能衰减 122

6.3.9 储氢合金的表面处理技术 123

6.4 MH-Ni电池的性能 123

6.4.1 MH-Ni电池充放电特性 123

6.4.2 温度特性 124

6.4.3 内压 124

6.4.4 自放电特性 125

6.4.5 循环寿命 125

第7章 锌氧化银电池 126

7.1 概述 126

7.2 锌氧化银电池的工作原理 127

7.2.1 电极反应 127

7.2.2 电极电势与电动势 127

7.3 氧化银电极 128

7.3.1 充放电曲线 128

7.3.2 氧化银电极的自放电 130

7.4 锌负极 132

7.4.1 锌的阳极钝化 132

7.4.2 锌的阴极沉积过程 134

7.5 锌氧化银电池的电化学性能 134

7.5.1 放电特性 134

7.5.2 锌银电池的循环寿命 135

7.6 锌银电池结构与制造工艺 137

7.6.1 电极制备 137

7.6.2 隔膜和电解液 139

7.6.3 电池装配 140

第8章 锂电池 142

8.1 概述 142

8.1.1 锂电池的发展与特点 142

8.1.2 锂电池分类 143

8.2 锂电池的电极与电解液 144

8.2.1 正极材料 144

8.2.2 锂负极 144

8.2.3 电解液 145

8.3 Li-MnO2电池 149

8.3.1 Li-MnO2电池的特点及基本原理 149

8.3.2 Li-MnO2电池的结构与制备 150

8.3.3 Li-MnO2电池特性 151

8.4 Li-SOCl2电池 152

8.4.1 特点及基本原理 152

8.4.2 Li-SOCl2电池的组成和结构 153

8.4.3 Li-SOC12电池的电化学特性 154

8.5 Li-SO2电池 155

8.5.1 基本原理 155

8.5.2 Li-SO2电池结构与制造工艺 155

8.5.3 Li-SO2电池特性 156

8.6 Li-（CFx）n电池 157

8.6.1 Li-（CFx）n电池原理与基本特点 157

8.6.2 反应机制 158

8.6.3 发展趋势与前景 159

8.7 Li-I2电池 159

8.8 可充电金属锂负极 160

8.8.1 金属锂负极存在的问题 160

8.8.2 锂枝晶的生成原理 161

8.8.3 金属锂负极的结构优化 163

8.8.4 电解液的优化 164

8.8.5 金属锂负极的固体电解质界面优化 165

8.8.6 金属锂负极展望 166

8.9 Li-S电池 166

8.9.1 Li-S电池特点及基本原理 166

8.9.2 Li-S电池面临的主要挑战 168

8.9.3 硫电极 169

8.9.4 Li-S电池电解液 169

第9章 锂离子电池 171

9.1 概述 171

9.1.1 锂离子电池的发展史 171

9.1.2 锂离子电池的工作原理 171

9.1.3 锂离子电池的特点和应用 172

9.2 锂离子电池的正极材料 173

9.2.1 钴酸锂 173

9.2.2 锰酸锂 174

9.2.3 镍酸锂 176

9.2.4 磷酸亚铁锂 176

9.2.5 其他正极材料 177

9.3 锂离子电池的负极材料 178

9.3.1 碳素材料 178

9.3.2 合金负极材料 179

9.3.3 其他负极材料 181

9.4 锂离子电池的电解液 181

9.4.1 有机溶剂 182

9.4.2 电解质盐 183

9.4.3 电解液添加剂 184

9.5 聚合物锂离子电池 185

9.5.1 聚合物锂离子电池的特点 185

9.5.2 聚合物锂离子电池的结构 185

9.6 锂离子电池的制造工艺 186

9.6.1 极片制造 186

9.6.2 电池的装配 187

9.6.3 聚合物锂离子电池的制造 188

9.7 锂离子电池的性能 189

9.7.1 充放电性能 190

9.7.2 安全性 190

9.7.3 自放电与储存性能 193

9.7.4 使用和维护 193

第10章 燃料电池 195

10.1 燃料电池概述 195

10.1.1 燃料电池的发展历史 195

10.1.2 燃料电池的工作原理 195

10.1.3 燃料电池的工作特点 197

10.1.4 燃料电池的类型 197

10.1.5 燃料电池系统的组成 198

10.1.6 燃料电池的应用 199

10.2 燃料电池的热力学基础 200

10.2.1 燃料电池电动势 200

10.2.2 燃料电池的理论效率 201

10.3 燃料电池的电化学动力学基础 201

10.3.1 燃料电池的极化行为 201

10.3.2 燃料电池的电极反应机理 202

10.3.3 燃料电池的实际效率 205

10.4 燃料电池所用的燃料 205

10.4.1 氢气燃料的制备 206

10.4.2 氢气燃料的净化 208

10.4.3 氢气燃料的储存 209

10.4.4 其他燃料 210

10.5 碱性燃料电池 211

10.5.1 简介 211

10.5.2 碱性燃料电池的工作原理 211

10.5.3 碱性燃料电池组件及其材料 212

10.5.4 碱性燃料电池的排水 213

10.5.5 碱性燃料电池的性能及其影响因素 213

10.6 磷酸燃料电池 215

10.6.1 简介 215

10.6.2 磷酸燃料电池的工作原理 215

10.6.3 磷酸燃料电池的组成和材料 215

10.6.4 磷酸燃料电池的排水和排热 218

10.6.5 磷酸燃料电池性能 219

10.7 熔融碳酸盐燃料电池 222

10.7.1 简介 222

10.7.2 熔融碳酸盐燃料电池的工作原理 223

10.7.3 电解质和隔膜 223

10.7.4 电极 225

10.7.5 双极板 226

10.7.6 熔融碳酸盐燃料电池性能 226

10.8 固体氧化物燃料电池 227

10.8.1 简介 227

10.8.2 固体氧化物燃料电池的工作原理 228

10.8.3 电解质 229

10.8.4 电极 229

10.8.5 双极板 230

10.8.6 电池结构类型 230

10.8.7 燃料电池性能 232

10.9 质子交换膜燃料电池 232

10.9.1 简介 232

10.9.2 质子交换膜燃料电池的工作原理 232

10.9.3 质子交换膜 233

10.9.4 催化剂剂和电极 234

10.9.5 双极板和流场 235

10.9.6 水管理 236

10.9.7 质子交换膜燃料电池的性能 237

10.10 直接醇类燃料电池 237

10.10.1 简介 237

10.10.2 直接甲醇燃料电池的工作原理 237

10.10.3 甲醇氧化和电催化剂 238

10.10.4 质子交换膜 239

10.10.5 直接甲醇燃料电池的性能 239

10.11 可再生燃料电池 240

10.11.1 简介 240

10.11.2 可逆再生燃料电池的工作原理 241

10.11.3 氢电极催化剂 241

10.11.4 氧电极催化剂 242

第11章 金属空气电池 243

11.1 锌空气电池 244

11.1.1 概述 244

11.1.2 锌空气电池工作原理 245

11.1.3 锌空气电池的空气电极 245

11.1.4 锌空气电池的锌电极 248

11.1.5 锌空气电池的性能与限制因素 250

11.2 铝空气电池 252

11.2.1 中性电解液铝空气电池 252

11.2.2 碱性电解液铝空气电池 253

11.2.3 铝电极 253

11.3 锂空气电池 254

11.3.1 锂空气电池的特点及工作原理 254

11.3.2 锂空气电池的空气电极 255

11.3.3 锂空气电池的电解液 256

11.3.4 锂空气电池的锂负极 257

第12章 电化学电容器 258

12.1 概述 258

12.2 电化学电容器与电池的比较 258

12.2.1 能量的存储形式 258

12.2.2 电容器和电池的电能存储模式比较 258

12.2.3 电化学电容器和电池运行机理的比较 259

12.2.4 电化学电容器与电池能量密度的差别 259

12.2.5 电化学电容器和电池充放电曲线的比较 260

12.2.6 电化学电容器和电池循环伏安性能的比较 260

12.3 双电层电容及碳材料 262

12.3.1 双电层模型及其结构 262

12.3.2 双层电容和理想极化电极 264

12.3.3 非水电解质中双层的行为和非水电解质电容器 264

12.3.4 用于电化学电容器的碳材料 265

12.3.5 关于碳材料的双层电容 266

12.3.6 影响碳材料电容性能的因素 267

12.4 法拉第准电容及氧化钌材料 269

12.4.1 准电容（CΦ）和双层电容（Cdl）的区分方法 269

12.4.2 用于电化学电容器的氧化钌（RuO2）材料 270

12.4.3 氧化钌的制备、充放电机理及电化学行为 270

12.4.4 其他氧化物膜表现的氧化还原准电容行为 272

12.5 导电聚合物膜的电容行为 273

12.5.1 概述 273

12.5.2 导电聚合物与准电容有关的行为及循环伏安曲线的形式 275

12.5.3 以导电聚合物为活性材料的电容器系统的分类 276

12.6 影响电容器性能的电解质因素 278

12.6.1 水性电解质 278

12.6.2 非水电解质 278

12.7 制备技术及评价方法 279

12.7.1 用于碳基电容器电极的制备 280

12.7.2 基于RuOx的电容器电极的制备 281

12.7.3 电容器的装配 281

12.7.4 电化学电容器的实验性评价 282

第13章 电极材料与电池性能测试 284

13.1 电极材料的电化学测试体系 284

13.1.1 三电极体系 284

13.1.2 复合粉末电极技术 284

13.1.3 粉末微电极技术 285

13.2 电势阶跃法 286

13.2.1 小幅度电势阶跃法 286

13.2.2 极限扩散控制下的电势阶跃法 287

13.3.3 电势阶跃法测定电极中反应物质的固相扩散系数 289

13.3 循环伏安法 290

13.3.1 可逆电极体系的循环伏安曲线 290

13.3.2 不可逆电极体系的循环伏安曲线 290

13.3.3 电池中循环伏安法的应用 291

13.3.4 循环伏安法测定电极中反应物质的固相扩散系数 291

13.4 电化学阻抗谱技术 292

13.4.1 电化学极化和浓差极化同时存在时的电化学阻抗谱 292

13.4.2 电化学阻抗谱的解析 293

13.4.3 电池中电化学阻抗谱的应用 294

13.5 电池性能测试方法 296

13.5.1 充放电性能与容量测试 296

13.5.2 循环性能测试 298

13.5.3 自放电与储存性能测试 299

13.5.4 内阻测试 299

13.5.5 内压测试 300

13.5.6 温度特性测试 300

13.5.7 安全性能测试 301

参考文献 302