化学电源技术及其应用（第2版）

化学电源是一种将物质的化学能直接转化为电能的装置。自1859年法国著名的物理学家、发明家普兰特（Gaston Planté）研发了世界上第一块铅酸蓄电池，1868年法国工程师勒克朗谢（C.Leclanche）发明了采用NH4Cl水溶液作电解质溶液的锌二氧化锰电池以来，化学电源经历了160多年的发展历史。特别是目前能源紧缺急需各种替代能源、各种用电器具对高能化学电源的需求，以及材料科学的发展给新型化学电源的开发提供了各种新型材料，使得传统的化学电源性能得以提高，而且出现了许多新型的化学电源。这些性能优越的化学电源如锂一次电池、锂离子电池、金属氢化物镍电池和质子交换膜燃料电池等，在交通、航空航天、电子、通信和家用电器等领域都有着很好的应用前景。
本书在阐述化学电源基本理论的基础上，系统讲述了常用化学电源的基本结构、工作原理、主要性能、应用前景及其使用维护方法。全书共分8章，第1章化学电源概论，对化学电源的工作原理与组成、分类、主要性能、应用与发展做了简要概述；第2～7章分别对铅酸蓄电池、碱性蓄电池（镉镍蓄电池、氢化物镍蓄电池以及锌银蓄电池）、锂离子电池、锂（原）电池、燃料电池和其他化学电源（金属空气电池、电化学电容器以及氧化还原液流电池）的基本结构、工作原理、主要性能特点、使用维护方法以及常见失效模式等进行了详细论述；第8章电池管理系统，从电池参数监测、电池荷电状态评估、电池健康状态评估、电池均衡管理、电池热管理五个角度详细分析电池管理系统中用到的技术、设计的算法与工程实现架构。与第一版相比，主要简化了基础理论部分，强化了锂（原）电池部分，增加了电池管理系统，以满足更多读者的需求，适应化学电源新技术的发展。
本书由陆军工程大学杨贵恒主编，李锐、曹均灿、甘先锋（湖北省樊口电排站管理处）、向成宣和陈雨（63861部队）副主编，刘凡、杨玉祥（重庆市公安局科技信息化总队）、张瑞伟、余佳玲、雷雨、赵英和李猛（32142部队）参编，强生泽主审。在编写过程中，李光兰、温中珍、杨胜、汪二亮、杨蕾、杨沙沙、杨洪、杨楚渝、温廷文、杨昆明、杨新和邓红梅等做了大量的资料搜集与整理工作，并参考了王秋虹和王华清两位老师以前编写的化学电源讲义，在此一并致谢！
本书内容通俗易懂，实用性强，既适合高等院校相关专业作为教材或参考书使用，也适合相关工程技术人员和管理干部查阅，还可供具有高中以上文化程度准备从事化学电源相关工作的人员自学。
随着化学电源技术的快速发展，其新理论、新材料和新工艺等不断涌现，限于编者水平，书中难免有疏漏和不妥之处，恳请广大读者批评指正。

编者

杨贵恒，陆军工程大学副教授，长期从事通信电源（内燃发电机组、高频开关电源、UPS、化学电源、通信电源系统）、新能源（太阳能）发电、电气安全以及噪声控制等方面的教学与科研工作。获省（部）级科技进步成果一等奖1项，二等奖1项，三等奖3项；重庆市电教成果二等奖1项；省（部）级精品课程2门；出版专著及教材共40余部，其中三本书荣获中国石油和化学工业优秀出版物奖（图书奖）；发表学术论文30余篇。

本书在讲解化学电源基本概念的基础上，系统地讲述了各种主要化学电源的基本结构、工作原理、主要性能、应用前景、使用维护方法以及电池管理系统。本书内容包括化学电源概论、铅酸蓄电池、碱性蓄电池（镉镍蓄电池、氢化物镍蓄电池以及锌银蓄电池）、锂离子电池、锂（原）电池、燃料电池、其他化学电源（金属空气电池、电化学电容器和氧化还原液流电池）以及电池管理系统。
本书注重理论联系实际，既适合高等院校相关专业作为教材或参考书使用，也适合相关工程技术人员和管理干部查阅，还可供具有高中以上文化程度准备从事化学电源相关工作的人员自学。 

第1章化学电源概论1
1.1化学电源的工作原理与组成1
1.1.1化学电源的工作原理1
1.1.2化学电源的组成2
1.1.3化学电源的表示方法3
1.2化学电源的分类4
1.2.1按电解质（液）的类型分类4
1.2.2按活性物质的存在方式分类4
1.2.3按电池的特点分类4
1.2.4按电池工作性质及储存方式分类4
1.3原电池与电池的可逆性5
1.3.1氧化还原反应5
1.3.2原电池7
1.3.3可逆电极9
1.3.4电池的可逆性10
1.4化学电源的性能11
1.4.1电动势与开路电压11
1.4.2内阻12
1.4.3放电电压与充电电压13
1.4.4容量与比容量14
1.4.5能量与比能量16
1.4.6功率与比功率18
1.4.7效率与寿命19
1.4.8储存性能与自放电20
1.5化学电源的应用与发展20
1.5.1化学电源的选择20
1.5.2化学电源的应用21
1.5.3化学电源的发展22
习题与思考题24

第2章铅酸蓄电池25
2.1概述25
2.1.1铅酸蓄电池的发展史25
2.1.2铅酸蓄电池的分类26
2.1.3铅酸蓄电池的型号编制28
2.1.4铅酸蓄电池的特点29
2.2铅酸蓄电池的构造30
2.2.1电极30
2.2.2电解液31
2.2.3隔板（膜）33
2.2.4电池槽33
2.2.5排气栓34
2.2.6附件35
2.2.7装配方式36
2.3铅酸蓄电池的工作原理37
2.3.1放电过程37
2.3.2充电过程37
2.3.3蓄电池密封原理38
2.4铅酸蓄电池的性能40
2.4.1内阻特性40
2.4.2电压特性42
2.4.3容量特性48
2.4.4自放电特性53
2.4.5寿命特性57
2.5铅酸蓄电池的充电方法58
2.5.1恒流充电法58
2.5.2恒压充电法59
2.5.3分级恒流充电法59
2.5.4先恒流后恒压充电法60
2.5.5限流恒压充电法60
2.5.6快速充电60
2.5.7浮充电61
2.6铅酸蓄电池的运行方式62
2.6.1充放电运行方式62
2.6.2全浮充运行方式62
2.6.3半浮充运行方式65
2.7铅酸蓄电池的失效模式66
2.7.1极板硫化66
2.7.2内部短路69
2.7.3极板反极70
2.7.4正极板栅腐蚀71
2.7.5失水71
2.7.6热失控73
2.7.7负极汇流排腐蚀73
2.8铅酸蓄电池的维护74
2.8.1安装方法74
2.8.2充电维护方法75
2.8.3日常维护77
2.8.4剩余容量的测量80
2.8.5落后铅酸蓄电池的修复82
习题与思考题84

第3章碱性蓄电池86
3.1镉镍蓄电池86
3.1.1概述86
3.1.2基本组成88
3.1.3基本结构91
3.1.4工作原理92
3.1.5主要性能95
3.1.6使用维护98
3.2氢化物镍蓄电池103
3.2.1概述103
3.2.2基本结构105
3.2.3工作原理110
3.2.4主要性能111
3.2.5使用维护113
3.3锌银蓄电池114
3.3.1概述114
3.3.2基本结构117
3.3.3工作原理119
3.3.4主要性能119
3.3.5使用维护124
习题与思考题131

第4章锂离子电池132
4.1概述132
4.1.1发展历史132
4.1.2分类方法134
4.1.3电池型号134
4.1.4主要特点135
4.1.5应用前景136
4.2液态锂离子电池137
4.2.1基本结构137
4.2.2工作原理144
4.2.3主要性能145
4.2.4使用维护146
4.3聚合物锂离子电池147
4.3.1主要特点147
4.3.2基本结构147
4.3.3主要性能149
4.4常用动力型锂离子电池150
4.4.1磷酸铁锂离子电池150
4.4.2三元锂离子电池154
4.4.3两种动力型锂离子电池应用对比156
习题与思考题158

第5章锂（原）电池159
5.1概述159
5.1.1发展历史159
5.1.2主要优点159
5.1.3基本类型160
5.2锂二氧化锰电池161
5.2.1工作原理161
5.2.2基本结构162
5.2.3主要性能163
5.3锂二氧化硫电池164
5.3.1工作原理164
5.3.2基本结构165
5.3.3主要性能165
5.4锂亚硫酰氯电池167
5.4.1工作原理167
5.4.2基本结构168
5.4.3主要性能171
5.5锂碘电池173
5.5.1工作原理174
5.5.2基本结构174
5.5.3主要性能175
5.6锂氧化铜电池176
5.6.1工作原理176
5.6.2基本结构176
5.6.3主要性能177
5.7锂聚氟化碳电池179
5.7.1工作原理179
5.7.2基本结构180
5.7.3主要性能180
5.7.4使用维护181
习题与思考题183

第6章燃料电池184
6.1燃料电池概述184
6.1.1发展历史184
6.1.2主要特点与分类185
6.1.3基本组成与工作原理186
6.1.4燃料电池系统187
6.2燃料电池的燃料获取189
6.2.1氢气燃料的制备189
6.2.2氢气燃料的净化191
6.2.3氢气燃料的储运192
6.3燃料电池的性能193
6.3.1电动势193
6.3.2理论效率194
6.3.3极化行为194
6.3.4实际效率195
6.3.5其他性能195
6.4碱性燃料电池196
6.4.1工作原理197
6.4.2基本结构197
6.4.3CO2的毒化与吸收201
6.5磷酸燃料电池202
6.5.1工作原理203
6.5.2基本结构204
6.5.3PAFC发电系统206
6.5.4工作条件对电池性能的影响208
6.6熔融碳酸盐燃料电池210
6.6.1工作原理211
6.6.2基本结构211
6.6.3MCFC发电系统214
6.6.4工作条件对电池性能的影响215
6.7固体氧化物燃料电池217
6.7.1工作原理217
6.7.2基本结构218
6.7.3SOFC电池组229
6.7.4SOFC发电系统231
6.8质子交换膜燃料电池232
6.8.1工作原理233
6.8.2基本结构234
6.8.3水与热的管理242
6.8.4电池性能246
6.8.5电池系统248
6.8.6应用前景249
习题与思考题251

第7章其他化学电源253
7.1金属空气电池253
7.1.1锌空气电池254
7.1.2铝空气电池260
7.1.3镁空气电池265
7.1.4锂空气电池268
7.2电化学电容器271
7.2.1工作原理272
7.2.2基本结构273
7.2.3主要特性274
7.2.4注意事项275
7.3氧化还原液流电池276
7.3.1工作原理276
7.3.2基本结构277
7.3.3主要特性278
习题与思考题279

第8章电池管理系统280
8.1电池参数监测280
8.1.1电池电压测量280
8.1.2电池电流测量281
8.1.3电池温度测量283
8.1.4电池内阻测量284
8.2电池荷电状态（SOC）估计285
8.2.1基于电路模型的电池SOC估计285
8.2.2基于安时积分法的电池SOC与可用容量估计295
8.2.3基于等效电路模型的卡尔曼滤波电池SOC估计297
8.3电池健康状态（SOH）估计300
8.3.1锂离子电池的老化300
8.3.2锂离子电池SOH与SOC联合估计303
8.4电池均衡管理304
8.4.1耗散型电压均衡305
8.4.2非耗散型电压均衡305
8.4.3相邻型电压均衡307
8.5电池低温加热管理307
8.5.1电池外部加热管理307
8.5.2电池内部加热管理308
习题与思考题309

参考文献310