电化学原理(储能电站后的“电化学”原理)

电化学原理
       前几天的储能电站火灾事故教训惨痛,这里小编不探讨救援行动的相关内容,这里只聊一聊储能电站后的一些基本的电化学原理,希望大家对电化学知识有所了解,为今后类似事件处置先打下一个理论基础。
一、“电”,到底是个什么东东?
      什么是电,大部分人都没有明确的概念。我们可以从微观世界来理解,原子的组成包括原子核和核外电子,核外电子围绕着原子核运动,物质的特性会导致原子核对核外电子的“约束力”会因为物质的不同而不同。
        即不同种类的原子他得失电子对能力就不一样,通俗来说就是他的”活泼性“不一样,活泼点的物质他的电子就会比较容易控制不住,会让其它物质给夺过去,也可理解为“定力”不强。电子的得失就会导致电子的移动,电子的移动就会形成“电子流”,然后就会形成我们所说的“电流”。但需要注意的是,电流的方向和电子流动的方向相反。这里有一个相对关系,电子(带负电荷)移动,那么相对的就会有正电荷的相对移动。我们把正电荷移动的方向称为电流方向,而事实上,正电荷是不移动的,他只是相对于负电荷而言的。
       好了,电就是这么来的。电子想要流动,那肯定是有某种力量去推动它运动,那么什么是驱动电子移动的动力呢?就是我们常说的“电压”。在电场当中,我们都知道同性相斥,异性相吸,“电压”的存在就是要制造这样一个“电场”环境,在这个环境中,电子就会作定向流动,进而形成稳定电流。
二、从定义上来讲,什么叫电化学?
       其实就是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生的变化的科学。电和化学反应相互作用可通过电池来完成,也可利用高压静电放电来实现(如氧通过无声放电管转变为臭氧),二者统称电化学,后者为电化学的一个分支,称放电化学。由于放电化学有了专门的名称,因而,电化学往往专门指“电池的科学”,也就是我们通常意义上讲的“电化学”。说白了,大部分常见电池运用的原理,就是我们理解上的“电化学”。
      要更加深刻理解“电化学”原理,我们先来看看几个概念:原电池、电解池和蓄电池。

(1)原电池
       像我们平常看到的五号电池,七号电池这类的电池,就属于原电池的一种。他的工作原理是利用两个电极(“+”、“-”)间金属活泼性的不同,导致电子得失进而产生电势差(即电压),从而使电子流动产生电流。原电池不是蓄电池,它的电化反应不能逆转,即是只能将化学能转换为电能,简单说就即是不能重新储存电力。像我们常见的燃料电池等,就是原电池,发的电只能供出去使用,不能在存储回来。即原电池只能“放电”。
       原电池组成的条件是什么呢?主要有三点:
1、两种活泼性不同的金属(即一种是活泼金属一种是不活泼金属),或者一种金属与石墨(Pt和石墨为惰性电极,即本身不会得失电子)等惰性电极插入电解质溶液中,他们有自发得失电子的倾向。
2、要形成闭合回路。
3、要发生自发的氧化还原反应。
(2)电解池
       电解池是将电能转化为化学能的装置。主要构成为外加电源,电解质溶液,阴阳电极。使电流通过电解质溶液或熔融电解质而在阴,阳两极引起还原氧化反应的过程。其实可以理解为一个通过外接电源“充电”的过程。
阴极:与电源负极相连的电极。(得电子发生还原反应)
阳极:与电源正极相连的电极。(失电子发生氧化反应)

(3)蓄电池
       蓄电池就是我们常说的充电电池。它和原电池不一样,它不仅能“放电”,还能“充电”。像我们日常中手机、电动车的一些电池,就是蓄电池。他的存在,确实为生活带来了极大的方便。
      一方面,他可以将化学能转换为电能,进行放电;另一方面,放电后,能够用充电的方式使内部活性物质再生——把电能储存为化学能;需要放电时再次把化学能转换为电能。进而实现重复的充—放电动作(即电子得失)。其内部的化学反应是可逆的。
充电:蓄电池从其它直流电源(如充电器)获得电能叫做充电
放电:蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。
 三、磷酸铁锂电池介绍
      随着科技的发展需要,蓄电池及其相应的材料领域发展的极为迅速,市场迫切需求高性能蓄电池的产生,锂离子电池、锂聚合物电池等新型二次电池就是其中的代表。
      锂离子电池目前应用的最为广泛,目前市场上有两种较为常用:磷酸铁锂电池和三元锂电池
前几天火灾事故的主角,就是磷酸铁锂电池。
      磷酸铁锂电池是锂离子电池家族中最安全的高比能量电池。是一种使用磷酸铁锂(LiFePO4)作为正极材料,碳作为负极材料的锂离子电池,单体额定电压为3.2V,充电截止电压为3.6V~3.65V。
充电过程中,磷酸铁锂中的部分锂离子脱出,经电解质传递到负极,嵌入负极碳材料;同时从正极释放出电子,自外电路到达负极,维持化学反应的平衡。放电过程中,锂离子自负极脱出,经电解质到达正极,同时负极释放电子,自外电路到达正极,为外界提供能量。
磷酸铁锂电池的充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行。
电池充电时,其内部电化学反应方程式为:
电池放电时,其内部电化学反应方程式为:
 

 
(1)磷酸铁锂电池储能系统      磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、绿色环保等一系列独特优点,并且支持无级扩展,组成储能系统后可进行大规模电能储存。磷酸铁锂电池储能系统由磷酸铁锂电池组、电池管理系统(Battery Management System,BMS)、换流装置(整流器、逆变器)、中央监控系统、变压器等组成。
(2)磷酸铁锂电池的危害
        磷酸铁锂电池中含有的LiPF6、有机碳酸酯、铜等化学物质均在国家危险废物名录中。LiPF6有强烈的腐蚀性,遇水易分解产生HF;有机溶剂及其分解和水解产物会对大气、水、土壤造成严重的污染,并对生态系统产生危害;铜等重金属在环境中累积,最终通过生物链危害人类自身;磷元素一旦进入湖泊等水体,极易造成水体富营养化。由此可见,如若对废弃的磷酸铁锂电池不加以回收利用,对环境及人类健康都是极大危害。
 

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