電化學微紡
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電化學定義

電化學電源或電池在電化學的跨學科主題下進行研究,涉及在電子導體(活性材料)和離子導體(電解質)介面處發生的反應,從化學電池產生電能(或將化學能轉化為電能)及其反向反應,其中電解電池用於化學轉化。

電化學電源(電池)

電池中的能量轉換過程基於氧化還原反應(氧化還原反應)。 這些電池分為電解電池和原電池。 電解電池的例子是用於提取鋁,鎂等金屬的電池和充電時的電池。 電電池或電池組能夠向我們輸送電流,而不是電解電池,我們必須將電流傳遞到電解電池中才能發生反應。

氧化簡單地意味著電子/電子的去除(在放電反應過程中從陽極中去除),還原是通過外部電路將這些電子添加到另一個電極(陰極)的過程,電離導電電解質是細胞內離子轉移的介質。 在電池放電過程中,電子通過外部電路從陽極(負極)傳遞到陰極(正極),離子在電池內流動以將化學能轉化為電能。

陽極的典型例子是:

李→李+e-

鉛 → 鉛2+ + 2e

鋅 → 鋅2+ + 2e

陰極的例子有:

PbO2 ⇄ Pb2+ +2e (鉛酸電池)

磷酸鐵鋰4( 硫酸鐵鋰電池)

NiOOH + 2e ⇄ 鎳(OH)2 (鎳鎘電池)

Cl2 + 2e ⇄ 2Cl (鋅氯電池)

Br2 + 2e ⇄ 2Br (鋅溴電池)

原電池和二次電池 - 電化學

電池是電鍍系統的獨立單元。 當多個電池以串聯或並聯方式連接時,這種排列稱為電池。 電池的基本元件是正極或板(陰極),負極或板(陽極),電解質和其他非活性元件,如容器,分離器,小零件,如母線,柱子,端子柱等。

原電池分為原電池和二次電池(或可充電或儲存電池)。 在
原代細胞中,
由於活性物質的耗盡,一旦放電結束,反應就無法逆轉,而在
次生細胞
中,活性物質可以通過將電流以相反方向傳遞到細胞中而恢復到先前的狀態。

原代電池的常見示例是用於手錶,電筒筒和許多控件(如電視遙控器和交流遙控器)的電池。 用於啟動汽車和家用逆變器/ UPS以及鎳鎘,鎳氫鋰離子電池的無處不在的鉛酸電池是二次電池的例子。 燃料電池與(原電池)電池的不同之處在於,反應性成分是從外部饋送的,而電池內部則具有相同的燃料電池。

電極(半電池)的電位和電池的電壓以及原電池的品質無關實體:

電極的電位(電壓)是基本的電化學性質,其值不取決於電極材料的數量。 從熱力學上講,它是一種密集的特性,而電極的容量(這是一種廣泛的特性)取決於它所含活性物質的品質。

電池的電壓是陽極(負極或板)和陰極(正極或板)的兩個電極電位或電壓值的組合。 負極的電位值始終為負極(EMF系列中的電壓低於零伏,請參閱標準教科書或手冊)。 零伏特是指氫電極(SHE)的標準電極電位。

負極材料總是金屬或合金,除了碳和氫等少數例外,它們是Ni-MH和Ni-H2電池中的負極活性物質。 陰極具有正電位,它們主要是氧化物,鹵化物,硫化物等,但氧除外,氧在金屬 – 空氣電池中充當正極活性物質。 應該有電解質在細胞內傳導離子。

電壓是電流的驅動力。 它是正電位和負電位兩個值的組合(代數差)。 電壓可以比作水箱的高度或水箱中的水位,以及從水箱出來的管道直徑的電流。 水箱中的水位越高,水流出的速度就越快。 同樣,管道的直徑越高,流出的水量就越大。

如何確定電池的電壓?

電池電壓可以從兩個電極電位值確定,也可以使用吉布斯方程和標準吉布斯自由形成能量(Δ
f
G°)計算。 標準吉布斯形成的自由能 化合物是吉布斯自由能的變化,伴隨著1摩爾物質在其標準狀態下從其標準狀態的組成元素形成(在1巴壓力和指定溫度下最穩定形式的元素,通常為298.15 K或25°C)。

吉布斯自由能(G)

在熱力學中, 吉布斯自由能 是可以從系統中提取的功的量度,在電池的情況下,功是通過釋放一個電極(陽極)上的離子,然後移動到另一個電極(陰極)來完成的。 能量的變化主要等於所做的功,在原電池的情況下,由於反應物之間的化學相互作用而產生的產物,電功是通過離子的運動來完成的。 因此,能量是以ΔG給出的, 即吉布自由能的變化,它代表了在能量轉換過程中可能獲得的最大化學能量。

每當發生反應時,系統的自由能就會 發生變化

∆G = – nFE°

其中 F = 常數,稱為法拉第(96,485 C 或 26.8 Ah)

n = 參與化學計量反應的電子數

E° = 標準電位,V。

∆G的值可以從其他三個值 n、F 和 E 計算得出。

電流電池的電池電壓可以從表達式計算出來

ΔG° = ΣΔG°
f 產物
– ΣΔG°
f 反應物

形成的標準無摩爾能量可以從標準教科書中獲得[Hans Bode,Lead-Acid Battery,John Wiley,New York,1977,p.366]。

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ⇄ 2PbSO4 + 2H2O

ΔG° = ΣΔG°
f 產物
– ΣΔG°
f 反應物

∆Gº = [2(193.89) + 2(56.69)] [(52.34) + 0 – 2(177.34)]

= 94.14千卡/摩爾

= 94.14千卡/摩爾 × 4.184千焦/摩爾

= 393.88千焦/摩爾

= ΔGº/nF

= 393.88 × 1000) / 2 × 96485

= 204 伏

自由能的相應 增加 等於在系統上完成的電氣功。 因此

−ΔG = nFE 或 ΔG = −nFE 和 ΔGº = −nFEº。

來自電極電位的電池電壓

兩個電極電位的組合將給電池電壓:

E電池 = E陰極或正極 – E 陽極或負極

或 E 電池 = EPP – ENP

根據國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)1953年和1968年的慣例,原電池的寫作方式 右電極 (RHE) 是其中 減少 發生,並且 左手電極 為負極,其中 發生氧化 ,電子從左向右流動 [麥克尼科爾 B.D;蘭德,D.A.J在麥克尼科爾B.D;Rand, D.A.J (編輯) Power Sources for Electric Vehicles, Chapter 4, Elsevier, Amsterdam, 1984]. RHE是陰極,LHE是陽極

E電池 = ERHE − ELHE

電極電位的值可以從教科書和手冊中獲得。

鉛酸電池電極電位的電池電壓

E電池 = E陰極或正極 – E 陽極或負極

LHE Pb½H2SO4½H2SO4½PbO2 RHE

RHE 為陰極 E°
Rev
= 1.69 V,適用於 Pb4+ + 2e ⇄ Pb2+

LHE 陽極 E°
Rev
= −0.358 V 對於 Pbº − 2e _ Pb2+

E電池 = 1.69 – (-0.358) = 2.048 V。

來自鎳鎘電池電極電位的電池電壓

RHE Cd|KOH|KOH|牛涇

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

RHE E°
Rev
= – 0.828 V 對於 Cd ⇄ Cd2+ +2e

E儲存格 =049 V 0.828) = 1318 V

標準條件下鎳電極的轉速

為0.49 V.49 V.MH 電極的

取決於氫化物形成材料的分壓,根據

2MH ⇄ 2M + H2

MH電極的首選氫分壓為0.01 bar,E°Rev

範圍通常在–0.930和–0.860 V之間。所以

E儲存格 =049 V 0.89) = 13 V.

LCO化學鋰離子電池電極電位的電池電壓

RHE C |LiPF6在 DMC +DEC +PC |鋰鈷2 LHE

RHE E°
Rev
= 0.1 V (與鋰金屬相比) 對於 LiC6 ⇄ xLi+ + xe + C6

LHE E°
Rev
= 3.8 V(與鋰金屬相比),用於 Li1-xCoO2 + xe
排放→
LiCoO2

總反應為 C6 +LiCoO2 ⇄LixC6 + Li1-xCoO2

E電池 = 3.8 – (0.1) = 3.7 V。

來自LiFePO4化學鋰離子電池電極電位的電池電壓

RHE C |LiPF6或 LiODFB 輸入 (EC+EMC+DEC) |磷酸鐵鋰4 LHE

RHE E°
Rev
= 0.1 V (與鋰金屬相比) 對於 LiC6 ⇄ xLi+ + xe + C6

對於 FePO 4 + xe + xLi + =放電 →

xLiFePO 4 +(1-x) FePO4 ,LHE E° Rev

=3.5 V(與鋰金屬相比)

LIODFB = 二氟(草醯)硼酸鋰

總反應LiFePO 4+6C→LiC6+FePO 4

E電池 = 3.3 – (0.1) = 3.2 V

與品質相關的原電池數量:電流、功率和能量

功率以瓦特為單位給出,時間因數不涉及功率。

P = W = V*A

能量是指在一段時間內消耗的功率,因此單位涉及小時。

能量 1 W.秒 = 1 焦耳

能量 = Wh = W*h = V*A*h = 3600 焦耳。

1 千瓦時 = 1000 瓦時。

容量是電池可以提供的電量(Ah)。

如果給出了 Wh 或 kWh 中的任何兩個項,則可以計算另一個項(Wh = VAh)。

850 Wh 的 12 V 電池可提供 850 Wh/12 V = 71 Ah。 這71 Ah的持續時間不僅取決於電流,還取決於化學的類型。 例如,鋰離子電池,可以提供70 A持續1小時。 但另一方面,如果放電電流為35 A,鉛酸電池可以承受長達1小時。但是,閥控式密封鉛酸蓄電池只能在不到40分鐘的時間內提供70A電流。

鋰離子電池在70 A = 70 A * 3.6 V = 252 W時提供的功率。

但是鉛酸電池在70 A = 70 A * 1.9 V = 133 W時提供的功率。

人們可以看到,鋰離子電池可以在相同的電流下為每個電池提供更多的功率。

同樣,鋰離子電池在70 A = 70 A * 3.6 V * 1h = 252 Wh時提供的能量。

但是VR鉛酸電池在70 A = 70 A * 1.9 V * 0.66 h = 88 Wh時提供的能量。

我們可以看到,鋰離子電池可以在相同的電流下在每個電池的基礎上提供更多的能量。

比容量 為每單位重量的 Ah(Ah/kg 或 mAh/g)。

比能量 為每單位重量的Wh(Wh/kg)。

能量密度 是每單位體積的Wh(Wh/升)。

注意:

術語稱重能量密度已被比能量取代,體積能量密度被能量密度所取代

電化學 - 電極活性材料的理論比容量和理論比能量

電的單位是庫侖,即1安培秒(A.s)。 法拉第常數(F)是指1摩爾電子攜帶的電荷量。 由於1個電子的電荷為1.602 x 1019 庫侖(C),因此一摩爾電子的電荷應為96485 C / mole。

1 F = 1(6.02214 *1023) * (1.60218*10-19 C) = 96485 C(即 96485 C/mole)。

6.02214*10 23 阿伏伽德羅數(阿伏伽德羅常數), 其定義為該物質的一摩爾中的原子,摩爾或離子的數量。 它有助於將物質的質量與物質中的顆粒數量聯繫起來。 因此,任何物質的0.2摩爾都將含有0.2 *阿伏伽德羅粒子數。 基於現代實驗,電子上的電荷為每個電子1.60217653 x 10-19 庫侖。 如果將一摩爾電子上的電荷除以單個電子上的電荷,則得到阿伏加德羅數為每摩爾6.02214154 x 1023個粒子的值[https://www.scientificamerican.com/article/how-was-avogadros-number/]。

1 F 96485 C/摩爾 = 96485 A.s/60*60 s = 26.8014 Ah/mole

鉛酸電池的比容量和比能量

分子量或原子量(以克為單位)除以參與反應的電子數,得到相應材料的 克當量 。 一克當量將產生96,485庫侖(大多數作者將其四捨五入為96,500 C),相當於26.8014 Ah。

207.2克鉛金屬相當於2F電=2×26。 8014 Ah = 53.603 Ah. (反應:鉛→Pb2+ + 2e)。

因此,鉛酸電池中所需的負活性物質(NAM)的量為1 Ah(稱為容量密度

)= 207.2 / 53。603 = 3.866 g /Ah [Bode, Hans, Lead-Acid Battery, John Wiley, New York, 1977, p.292.]。

容量密度的倒數稱為
比容量

比容量 = nF / 分子量或原子量。 (n=參與反應的電子數)。

負活性物質的比容量

負活性物質(NAM)的比容量 ,Pb= 56.3/207.2 = 0.259 mAh /g = 259 Ah/kg。 該值乘以細胞平衡電位為理論比能量

。NAM 引線的理論比能量= 259*2.04 V = 528.36 Wh/kg

正極活性物質(PAM)的比容量

類似地,鉛酸電池中所需的正極活性物質的量為1 Ah(稱為
容量密度
)= 239.2/ 53。 603 = 4.46 克/小時。

正極活性物質(PAM)的比容量,PbO 2=56.3/239=0.224 mAh/g=224 Ah/kg。 PAM二氧化鉛 的理論比能量 = 224 * 2.04 V = 456.96 Wh / kg。

鋰離子電池

鋰離子電池碳陽極的比容量和比能量

LiC6比容量= xF/n*分子量

= 1 * 26.8/ 1 * 72 mAh/g(化學計量上需要72 g C才能1

痣儲存形成LiC6。 由於Li可從LCO陰極獲得,因此其品質不考慮總陽極品質。 只考慮碳。 X = 1;100 % 插入 Li+

= 0.372 Ah/g

= 372 毫安時/克 = 372 安赫/千克

比能量 LiC6 = 372*3.7 V

= 1376 瓦時/千克

LiCoO2 (LCO) 的比容量和比能量

比容量 LiCoO2

= 0.5 Li+ + 0.5 e + Li0.5 CoO2 (x= 0.5, 50 % Li+插層)

= xF/n*摩爾重量

=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 毫安時/克 = 137 安赫/千克。

LiCoO2 的比能量 = 137*3.7 V = 507 Wh/kg (x= 0.5, 50 % 插入 Li+

如果將值 x 取為 1,則比容量將加倍,137*2= 274 mAh/g = 274 Ah/kg

LiCoO2

比能量 = 274 *3.7 V (x= 1. 完全 (100 %) 插入 Li+

= 1013 瓦時/千克

磷酸鐵鋰的比容量和比能量

磷酸鐵鋰4的比容量

= xF/n*摩爾重量

= 26.8/157.75 = 169.9 毫安時/克 = 170 毫安培培時/克 = 170 艾哈/千克

磷酸鐵鋰4 的比能量 = 170*3.2 V = 544 Wh/kg

電化學 - 電池的理論比能量

從電化學電源可獲得的最大比能量由下式給出:

理論比能量 = 268015×
nE/
Σmoles) Wh/kg,其中 n E 有其通常的表示法; n,參與反應的電子數和 E,電池電壓。

注意

  1. S摩爾 是指所有反應物的總和,人們不必擔心產物
  2. 由於單位以Wh / kg(也寫為Wh kg -1)給出,因此總重量應以kg為單位給出。

比能量鉛酸電池

將採用一個熟悉的例子來計算理論比能量。

首先,我們必須寫下反應並計算反應物的摩爾值。 我們不必擔心產品。 對於鉛酸蓄電池,反應是:

PbO2 + Pb + 2H2SO4 ⇄ 2PbSO4 + 2H2O Eº = 2.04 V.

Σ摩爾 = 239 +207+ 2*98 克

= 0.642 千克

理論比能量 = 268× (nE/Σmoles) Wh/kg

= 26.8*(2*2.04/0.642) 瓦時/千克

= 26.8015*(6.3551) 瓦時/千克

= 170.3 瓦時/千克。

根據Tobias Placke [J Solid State Electrochem (2017) 21:19391964],鉛酸電池的比能量也可以計算如下:

細胞的比能量 =

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 瓦時/千克

鎳鎘電池的比能量

2 二氧化二醇 + 鎘 ⇄ 2尼(歐亥俄)2 + 二氧化二氮2 Eº = 1.33 V

理論比能量 = 268× (nE/Σmoles) Wh/kg

= 26.8*(2*1.33/0.296) 瓦時/千克

= 26.8015*(8.9865) 瓦時/千克

= 240.8 瓦時/千克

這些鹼性細胞中的KOH水性電解質不參與細胞反應和

因此,在計算特定能量值時未考慮在內。 但是,一些作者

希望在計算中包括水的重量。

然後,如果將Σ摩爾 替換為214.8 Wh / kg,則比能量的數位將降至214.8 Wh / kg

0.332. 結果將是2148 瓦/公斤.

磷酸鐵鋰電池的比能量

(x=1. 100 % 插孔)

= 26.8015× (nE/Σmoles) Wh/kg

= 26.8 [(1*3.2)/(72+157.75) 磷酸鐵鋰4 + 6C + 零鋰

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

= 0.37329 瓦時/克

= 373 瓦時/千克

LCO電池的比能量

(x=1;100% 插層)

= 26.8015× 瓦氏/千克 169.87

= 26.8 [(1*3.7)/(72+97.87)] 鋰CoO2 + 6C + 零鋰

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

= 26.8 *0.02178

= 0.58377 瓦時/克

= 584 瓦時/千克

如果 x = 0.5( 鋰離子的 50 % 插層),我們必須將 26.8 替換為該值的一半,即 13.4。 結果將是 584/2 = 292 Wh/kg

電池/電池的實際(實際)比能量

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

電池的即時比能量=(平均電壓*Ah)/(電池品質)

= (3.7 V*50 Ah1) / 1.7 kg (湯淺 LEV50 單節)

= 185 /1.7

= 108.8 瓦時/千克

= (14.8*50)/ 7.5 (湯淺LEV50-4電池)

= 98.7 瓦時/千克

電池的即時能量密度 = Wh/體積 = 17.1*4.4*11.5 = 865 cc

= 185/0.865 = 214 Wh / 升

= 功率/容積 = 17.5*19.4*11.6 = 3938 cc = 3.94 升

= 14.8*50 / 3.94 = 187 Wh / 升

當從電池到電池進行轉換時,比能量降低約10%(低kWh),當從電池到電池進行轉換時,能量密度降低約13%(低kWh)

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