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电化学定义

电化学电源或电池是在电化学的跨学科学科下研究的,涉及在电子导体(活性材料)和离子导体(电解质)的界面上发生的反应,从化学电池中产生电能(或化学能的转化)转化为电能)及其逆反应,其中电解池用于化学转化。

电化学电源(电池)

电池中的能量转换过程基于氧化还原反应(氧化还原反应)。 电池分为电解电池和原电池。 电解池的例子是用于提取铝、镁等金属的电池和充电时的电池。 与电解池不同,原电池或电池组能够向我们输送电流,我们必须将电流传入电解池才能发生反应。

氧化仅仅意味着去除电子/电子(在放电反应期间从阳极),还原是通过外部电路将这些电子添加到另一个电极(阴极)的过程,离子导电电解质是内部离子转移的介质细胞。 在电池放电过程中,电子通过外部电路从阳极(负极板)传递到阴极(正极板),离子在电池内部流动,将化学能转化为电能。

阳极的典型例子是:

李 → 李+ + e

铅 → 铅2+ + 2e

Zn → Zn 2+ + 2e

阴极的例子是:

PbO 2 ⇄ Pb 2+ +2e (铅酸电池)

LiFePO 4 (硫酸锂铁电池)

NiOOH + 2e ⇄ Ni(OH) 2 (镍镉电池)

Cl 2 + 2e ⇄ 2Cl (锌氯电池)

Br 2 + 2e ⇄ 2Br (锌溴电池)

初级和次级电池 - 电化学

电池是原电系统的独立单元。 当多个电池以串联或并联方式连接时,这种布置称为电池。 电池的基本组件是正极或极板(阴极)、负极或极板(阳极)、电解质和其他非活性组件,如容器、隔板、汇流条、柱柱、接线柱等小部件。

原电池分为一次和二次(或可充电或存储)电池。 在原电池中,一旦由于活性材料耗尽而放电结束,反应就无法逆转,而在二次电池中,通过在电池中通入电流,活性材料可以恢复到以前的状态。相反的方向。

主要电池的常见示例是用于手表、手电筒和许多控件(如电视遥控器和交流遥控器)的电池。 用于启动汽车和家用逆变器/UPS 的无处不在的铅酸电池以及镍镉、镍氢锂离子电池都是二次电池的例子。 燃料电池与(原)电池的不同之处在于,反应成分是从外部供给的,而电池内部则相反。

电极(半电池)的电位和电池和原电池的质量无关实体的电压:

电极的电位(电压)是一种基本的电化学性质,其值不取决于电极材料的数量。 从热力学上讲,它是一种强度特性,而电极的容量(这是一种广泛的特性)取决于它所包含的活性材料的质量。

电池的电压是阳极(负极或极板)和阴极(正极或极板)的两个电极电位或电压值的组合。 负极的电位值始终为负(在 EMF 系列中低于零伏,请参阅标准教科书或手册)。 零伏是指氢电极(SHE)的标准电极电位。

负极材料总是金属或合金,但有一些例外,如碳和氢,它们是 Ni-MH 和 Ni-H2 电池中的负极活性材料。 阴极具有正电位,它们主要是氧化物、卤化物、硫化物等,但氧气除外,它在金属-空气电池中用作阴极活性材料。 电池内部应该有一种电解质来传导离子。

电压是电流的驱动力。 它是正负电位两个值的组合(代数差)。 电压可以比作水箱的高度或水箱中的水位,电流可以比作从水箱出来的管道的直径。 水箱中的水位越高,出水的速度就越快。 同样,管道直径越大,流出的水量就越多。

如何确定电池的电压?

电池电压可以根据两个电极电位值确定,也可以使用吉布斯方程和标准吉布斯形成自由能 (Δ f G ˚) 计算。 标准吉布斯形成自由能 化合物的吉布斯自由能的变化是伴随着标准状态的 1 摩尔物质从其标准状态的组成元素(在 1 巴压力和指定温度下元素的最稳定形式,通常298.15 K 或 25 °C)。

吉布斯自由能 (G)

在热力学中,吉布斯自由能是可以从系统中提取的功的量度,在电池的情况下,功是通过在一个电极(阳极)释放离子然后移动到另一个(阴极)来完成的。 能量的变化主要等于所做的功,而在原电池的情况下,电功是通过离子的运动来完成的,这是由于反应物之间的化学相互作用产生的产物。 因此,能量以 Δ G表示,即吉布斯自由能的变化,代表在能量转换过程中可以获得的最大化学能。

每当反应发生时,系统的自由能就会发生变化

∆G = – nFE°

其中F = 常数,称为法拉第(96,485 C 或 26.8 Ah)

n = 参与化学计量反应的电子数

E ° = 标准电位,V。

可以从其他三个值 n、F 和 E 计算出 ∆G 的值。

原电池的电池电压可以从表达式计算

ΔG° = ΣΔG° f 产物– ΣΔG° f 反应物

标准摩尔形成自由能可从标准教科书中获得 [Hans Bode, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, p.366]。

PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ⇄ 2PbSO 4 + 2H 2 O

ΔG° = ΣΔG° f 产物– ΣΔG° f 反应物

∆Gº = [2( 193 . 89) + 2( 56 . 69)] [( 52 . 34) + 0 – 2( 177 . 34)]

= 94 14大卡/摩尔

= 94 14大卡/摩尔× 4 184 kJ/摩尔

= 393 88 kJ/摩尔

= Δ Gº/nF

= ( 393 . 88 × 1000) / 2 × 96485

= 2 04 伏

相应增加的自由能等于对系统所做的电功。 因此,

-ΔG = nFE 或 ΔG = -nFE 且 ΔGº = -nFEº。

来自电极电位的电池电压

两个电极电位的组合将给出电池电压:

E电池= E阴极或正极– E阳极或负极

或 E单元格= E PP – E NP

根据 1953 年和 1968 年国际纯粹与应用化学联合会 (IUPAC) 的约定,原电池的编写方式为 右手电极(RHE) 是正极,其中 减少发生并且 左手电极是负极,其中 发生氧化,电子从左向右流动 [麦克尼科尔BD;兰德,麦克尼科尔 BD 的 DAJ; Rand, DAJ (ed.) Power Sources for Electric Vehicles,第 4 章,Elsevier,阿姆斯特丹,1984 年] 。 RHE 是阴极,LHE 是阳极

E细胞= E RHE − E LHE

电极电位的值可以从教科书和手册中获得。

铅酸电池电极电位的电池电压

E电池= E阴极或正极– E阳极或负极

LHE Pb½H 2 SO 4 ½H 2 SO4½PbO 2 RHE

RHE 是阴极E ° Rev = 1.69 V 对于 Pb 4 + + 2e ⇄ Pb 2+

LHE 阳极E ° Rev = −0.358 V,对于 Pb º − 2e _ Pb 2+

E电池= 1.69 – (-0.358) = 2.048 V。

Ni-Cd 电池电极电位的电池电压

RHE Cd|KOH|KOH|NiOOH LHE

LHE E ° Rev = 0.49 对于 NiOOH +2e ⇄Ni(OH)

RHE E ° Rev = – 0.828 V Cd ⇄ Cd 2+ +2e

E细胞=0 49 V ( 0 . 828) = 1 318伏

镍电极在标准条件下的E ° Rev为 0.49V。MH 电极的E ° Rev取决于氢化物形成材料的分压,根据

2MH ⇄ 2M + H 2

MH 电极的优选氢分压约为 0.01 bar, E ° Rev范围通常在 –0.930 和 –0.860 V 之间。所以

E细胞=0 49 V ( 0 . 89) = 1 . 3 伏。

来自 LCO 化学锂离子电池电极电位的电池电压

RHE C | DMC +DEC +PC 中的 LiPF 6 | LiCoO 2 LHE

对于 LiC 6 ⇄ xLi + + xe + C 6 ,RHE E ° Rev = 0.1 V(相对于锂金属)

LHE E ° Rev = 3.8 V(相对于锂金属)对于 Li 1-x CoO 2 + xe放电 → LiCoO 2

总反应为 C 6 +LiCoO 2 ⇄Li x C 6 + Li 1-x CoO 2

E电池= 3.8 – (0.1) = 3.7 V。

LiFePO4 化学式锂离子电池的电极电位的电池电压

RHE C | LiPF 6或 LiODFB (EC+EMC+DEC) |磷酸铁锂4 LHE

对于 LiC 6 ⇄ xLi + + xe + C 6 ,RHE E ° Rev = 0.1 V(相对于锂金属)

LHE E ° Rev = 3.5 V(相对于锂金属)对于 FePO 4 + xe + xLi + =放电 → xLiFePO 4 + (1-x) FePO 4

LIODFB = 二氟(草酸)硼酸锂

总反应 LiFePO 4 + 6C → LiC 6 + FePO 4

E电池= 3.3 – (0.1) = 3.2 V

原电池的质量依赖量:电流、功率和能量

功率以瓦特为单位给出,时间因素不涉及功率。

P = W = V*A

能源是指在一段时间内消耗的功率,因此单位涉及小时。

能量 1 W.Second = 1 焦耳

能量 = Wh = W*h = V*A*h = 3600 焦耳。

1 千瓦时 = 1000 瓦时。

容量是电池可以提供的电量 (Ah)。

如果给出 Wh 或 kWh 中的任意两个,则可以计算另一个(Wh = VAh)。

850 Wh 的 12 V 电池可以提供 850 Wh/12 V = 71 Ah。 可以提取 71 Ah 的持续时间不仅取决于电流,还取决于化学类型。 例如,锂离子电池可以在 1 小时内提供 70 A 的电流。 但是,另一方面,如果放电电流为 35 A,铅酸电池可以承受 1 小时。但是,VRLA 电池只能提供 70A 的电流,但大约不到 40 分钟。

锂离子电池在 70 A = 70 A*3.6 V= 252 W 时提供的瓦数。

但是铅酸电池在 70 A = 70 A* 1.9 V = 133 W 时提供的瓦数。

可以看到,锂离子电池可以在相同电流下以每个电池为单位提供更多瓦数。

类似地,锂离子电池在 70 A = 70 A*3.6 V *1h= 252 Wh 时提供的能量。

但是 VR 铅酸电池在 70 A = 70 A* 1.9 V * 0.66 h = 88 Wh 时提供的能量。

我们可以看到锂离子电池可以在相同电流的情况下以每个电池为单位提供更多能量

比容量是每单位重量的 Ah(Ah/kg 或 mAh/g)。

比能是单位重量的 Wh (Wh/kg)。

能量密度是每单位体积的 Wh(Wh/升)。

笔记:

术语重量能量密度已被比能体积能量密度取代为能量密度

电化学 - 电极活性材料的理论比容量和理论比能量

电的单位是库仑,即 1 安培秒 (As)。 法拉第常数 (F)是指 1 摩尔电子携带的电荷量。 由于 1 个电子的电荷为 1.602 x 10 19库仑 (C),因此 1 摩尔电子的电荷应为 96485 C/摩尔。

1 F = 1(6.02214 *10 23 ) * (1.60218*10 -19 C) = 96485 C(即 96485 C/摩尔)。

6.02214 *10 23阿伏伽德罗数(Avogadro constant),定义为一摩尔该物质中的原子数、摩尔数或离子数。 它可用于将物质的质量与物质中的粒子数相关联。 因此,0.2 摩尔的任何物质将包含 0.2 *阿伏伽德罗数的粒子。 根据现代实验,电子上的电荷为每个电子 1.60217653 x 10 -19库仑。 如果您将一摩尔电子的电荷除以单个电子的电荷,您将获得阿伏伽德罗数的值,即每摩尔 6.02214154 x 10 23个粒子 [ https://www.scientificamerican.com/article/how-was-avogadros -号码/ ]。

1 F 96485 C/mole = 96485 As/60*60 s = 26.8014 Ah/mole

铅酸电池的比容量和比能量

以克为单位的分子量或原子量除以参与反应的电子数得出相应材料的克当量。 一克当量将提供 96,485 库仑(大多数作者将其四舍五入为 96,500 C),这等于 26.8014 Ah。

207.2 g 的铅金属可以等同于 2F 电 = 2 × 26 8014 Ah = 53.603 Ah。 (反应:Pb →Pb 2+ + 2e )。

因此,1 Ah 所需的铅酸电池中负极活性材料 (NAM) 的量(称为容量密度 = 207.2 / 53 603 = 3.866 g /Ah [ Bode, Hans, Lead-Acid Batteries, John Wiley, New York, 1977, p.292 .]。

容量密度的倒数称为比容量

比容量 = nF / 分子量或原子量。 (n=参与反应的电子数)。

负极活性物质的比容量

负极活性物质的比容量(NAM),Pb = 56.3/207.2 = 0.259 mAh /g = 259 Ah/kg。 这个值乘以电池平衡电位就是理论比能NAM铅的理论比能= 259*2.04 V = 528.36 Wh/kg

正极活性物质(PAM)的比容量

类似地,1 Ah 所需的铅酸电池中正极活性物质的量(称为容量密度 = 239.2 / 53 603 = 4.46 g/Ah。

正极活性物质(PAM)的比容量,PbO 2 = 56.3/239 = 0.224 mAh /g = 224 Ah/kg。 PAM 二氧化铅的理论比能= 224*2.04 V = 456.96 Wh/kg。

锂离子电池

锂离子电池碳负极的比容量和比能量

LiC 6比容量= xF/n*分子量

= 1 * 26.8/ 1*72 mAh/g(化学计量的 72 g C 需要 1

摩尔的锂存储形成 LiC 6。由于锂可从 LCO 正极获得,因此其质量不计入负极总质量。 只考虑碳。 X = 1; 100% 嵌入 Li + )

= 0.372 Ah/g

= 372 mAh/g = 372 Ah/kg

比能量LiC 6 = 372*3.7 V

= 1376 瓦时/公斤

LiCoO2 (LCO) 的比容量和比能量

比容量 LiCoO 2

= 0.5 Li + + 0.5 e + Li 0.5 CoO 2 (x= 0.5, 50% Li +嵌入)

= xF/n*摩尔重量

=0.5*26.8/ 1 * 98 Li= 6.94 Co = 58.93 2 O= 32

= 13.4 / 98 Ah/g = 0.1368 Ah/kg

= 137 mAh/g = 137 Ah/kg。

LiCoO 2的比能 = 137*3.7 V = 507 Wh/kg (x= 0.5, 50 % Li +嵌入)

如果取x值为1 ,则比容量翻倍,137*2= 274mAh/g=274Ah/kg

LiCoO 2比能 = 274 *3.7 V (x= 1. Li +的完全 (100 %) 嵌入

= 1013 瓦时/公斤

LiFePO4 的比容量和比能量

LiFePO 4的比容量

= xF/n*摩尔重量

= 26.8/157.75 = 169.9 mAh/g = 170 mAh/g = 170 Ah/kg

LiFePO 4的比能 = 170*3.2 V = 544 Wh/kg

电化学 - 电池的理论比能

由电化学电源导出的最大比能由下式给出:

理论比能 = 26 8015 × ( nE/ Σmoles ) Wh/kg 其中nE具有通常的符号; n ,参与反应的电子数和E ,电池电压。

笔记

  1. S摩尔是指所有反应物的总和,不用担心产物
  2. 由于单位是 Wh / kg(也写作 Wh kg -1 ),所以总重量的单位是 kg。

比能量铅酸电池

以一个熟悉的例子来计算理论比能。

首先,我们必须写下反应并计算反应物的摩尔值。 我们不必担心产品。 对于铅酸电池,反应为:

PbO 2 + Pb + 2H 2 SO 4 ⇄ 2PbSO 4 + 2H 2 O Eº = 2.04 V。

Σmoles = 239 +207+ 2*98 克

= 0.642 公斤

理论比能 = 26 8 × ( nE/ Σmoles) Wh/kg

= 26.8*(2*2.04/0.642) 瓦时/公斤

= 26.8015*(6.3551) 瓦时/公斤

= 170.3 瓦时/公斤。

根据 Tobias Placke [ J Solid State Electrochem (2017) 21:1939 1964 ],铅酸电池的比能量也可以如下计算:

细胞比能 =

Specific energy in electrochemistry

=1[1/(224*2.04) + 1/(259*2.04) + 1/(273*2.04)]

= 1[(1/457) + (1/528) + (1/557)]

= 1/(0.002188 + 0.001893 + 0.001796)

= 1/0.005877

= 170 瓦时/公斤

镍镉电池比能量

2NiOOH + Cd ⇄ 2Ni(OH) 2 + Cd(OH) 2 Eº = 1.33 V

理论比能 = 26 8 × ( nE/ Σmoles) Wh/kg

= 26.8*(2*1.33/0.296) 瓦时/公斤

= 26.8015*(8.9865) 瓦时/公斤

= 240.8 瓦时/公斤

这些碱性电池中的水性 KOH 电解质不参与电池反应,并且

因此在计算比能量值时不考虑。 但是,一些作者

想在计算中包括水的重量。

如果 Σ摩尔数被替换为

0.332. 结果将是214 8瓦时/公斤

LiFePO4 电池的比能量

(x=1. 100% 嵌入)

= 26 8015 × ( nE/ Σmoles) Wh/kg

= 26.8 [(1*3.2)/(72+157.75) LiFePO4 + 6C + 零锂

= 26.8[(1*3.2)/(229.75)] = 26.8*0.013928

= 0.37329 瓦时/克

= 373瓦时/公斤

LCO电池的比能量

(x=1; 100% 嵌入)

= 26 8015 ×瓦时/公斤 169.87

= 26.8 [(1*3.7)/(72+97.87)] LiCoO 2 + 6C + 零锂

= 26.8 *[(3.7)/(169.87)]

= 26.8 *0.02178

= 0.58377 瓦时/克

= 584 瓦时/公斤

如果 x = 0.5 (50% 的锂离子嵌入),我们必须将 26.8 替换为该值的一半,即 13.4。 结果将是584/2 = 292 Wh/kg

电池/电池的实际(实际)比能量

https://pushevs.com/2015/11/04/gs-yuasa-improved-cells-lev50-vs-lev50n/

电池的实时比能量=(平均电压*Ah)/(电池质量)

= (3.7 V*50 Ah 1 ) / 1.7 kg (Yuasa LEV50 单电池)

= 185 /1.7

= 108.8 瓦时/公斤

= (14.8*50)/ 7.5(汤浅 LEV50-4 电池)

= 98.7 瓦时/公斤

电池的实时能量密度 = Wh/Volume = 17.1*4.4*11.5 = 865 cc

= 185/0.865 = 214 瓦时/升

= 瓦时/体积 = 17.5*19.4*11.6 = 3938 cc = 3.94 升

= 14.8*50 / 3.94 = 187 Wh/升

当从电池到电池(低千瓦时)转换时,比能量减少约 10%,当从电池到电池(低千瓦时)转换时,能量密度减少约 13%

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