【笔记】1.1 化学电源的组成

化学电源组成：电极、电解质、隔膜、外壳。

• 电极由活性物质和导电骨架组成。导电骨架（电子通道 + 支撑框架）电极内部用来支撑活性物质、并提供电子传输通道的结构材料。活性物质是指正、负极中参加放电反应的物质。对活性物质的要求：
  • 高电化学活性：活性物质必须容易发生氧化还原反应，这样电池才能输出足够的电压和容量。
  • 高比容量和体积比容量：电池追求“轻、薄、小”，要求活性物质单位质量、单位体积能够存储更多能量。
  • 化学稳定性高：在电解液中如果活性物质容易分解或副反应严重，会导致容量衰减和寿命缩短。
  • 电子导电性好：活性物质必须能把电子有效传导到电极骨架，否则会出现电极“有能量但放不出来”的问题。
• 电解质在电池内部正负极之间担负传递电荷的作用。要求：
  • 高离子电导率，低电阻：减少能量损耗（发热、效率下降）。
  • 化学稳定性：电解质和电极接触时间很长，如果不稳定，就会和电极发生副反应 → 导致自放电、容量损失。
  • 固体电解质需要离子导电性，不导电子：如果能导电子，会变成“短路通道”，电池瞬间失效甚至危险。
• 隔膜的作用是防止正负极活性物质直接接触，防止电池内部短路。要求：
  • 对离子阻力小：电池需要离子在正负极之间自由迁移，否则内阻太大、性能下降。
  • 电绝缘性好：必须阻断电子直通，才能保证电流只通过外电路流动。
  • 机械强度高：电池充放电过程中，活性物质会膨胀/收缩，隔膜要能承受压力而不断裂。防止枝晶穿透→ 短路起火。
  • 形状有薄膜、板材、棒材等。
• 外壳是电池的容器。要求：
  • 强度高、耐冲击：防止外力挤压、电池破裂导致电解液泄漏或电极变形。
  • 耐腐蚀：电解液往往有强腐蚀性（酸、碱、有机溶剂），外壳必须长期耐受。
  • 耐温差变化：电池在充放电过程中会发热/冷却，外壳必须保持稳定，避免因热膨胀系数不匹配导致密封失效。

1.1.1 电极结构

一般电极都由三部分组成：

1. 活性物质：是电极中真正发生氧化还原反应的物质，决定了电池的基本性能（电压、容量、能量密度）。在充放电过程中，活性物质发生可逆的电化学反应，从而实现能量的存储和释放。
2. 为改善电极性能而加入的导电剂：导电剂本身不直接储能，但能改善活性物质的电子导电性。在活性物质颗粒之间形成“电子通路”；降低电极内阻。
3. 少量的添加剂，如缓蚀剂等：添加剂一般用量很少，但对电极性能影响很大。
   • 缓蚀剂：抑制电极与电解液之间的副反应，延长寿命；
   • 稳定剂：改善电极结构，防止活性物质粉化、脱落；
   • 成孔剂：在成型过程中调节孔隙结构，利于电解液渗透和离子迁移。

化学电源常用的电极有片状、粉末多孔状和气体扩散电极几种。

1.1.2 电极粘结剂

电极常用粘结剂一般都是高分子化合物：
如 聚乙烯醇 (PVA)、聚四氟乙烯 (PTFE)、羧甲基纤维素钠 (CMC) 等。

1.1.3 化学电源用隔膜

隔膜材料：天然或合成高分子，无机材料等。
种类：有机材料隔膜、编织隔膜、钛坯膜、隔膜纸、陶瓷隔膜等。

隔膜性能测试指标：

1. 紧度：衡量膜致密度。

2. 抗拉强度：抵抗拉伸能力。

3. 孔径：微孔直径，通常 >10 μm。

4. 电阻：直流法或交流法测定。

5. 吸液率：公式 η = m 2 − m 1 m 1 × 100 % \eta = \frac{m_2 - m_1}{m_1} \times 100\% η=m