伏打电池

第1章 绪论

1.1 电路的故事

1.1.1 电是神秘的

1.1.2 金属是特殊的

1.1.3 伽尔伐尼的意外发现

1.1.4 伏打电池建立了第一个电路，将静电学推进到了动电学

1.1.5 磁——又一个神秘的世界

1.1.6 奥斯特实验

1.1.7 法拉第电磁感应定律

1.1.8 欧姆定律的出现是历史的必然

1.1.9 用电流或电压表达信号——电报的兴起

1.1.10 电话问世与连续信号响应

1.1.11 电灯是电气工程应用中的一个重要里程碑

1.1.12 场的概念与麦克斯韦方程

1.1.13 赫兹实验与无线电的发明

1.1.14 调谐电路与矿石检波器

1.2 电子学的故事

1.2.1 布劳恩开辟了一个新领域，电子器件登场

1.2.2 电子管开创了电子学时代

1.2.3 半导体器件登场迅速成为电子学的主角

1.2.4 器件电路合一引起的革命

1.3 电路学面临的问题和任务

1.4 电路与电子线路的关系

1.5 本教材的特点与结构

第2章 电路工程的基本任务与方法

2.1 电路的描述和表达

2.1.1 电路示意图

2.1.2 电路元件与电路符号

2.1.3 电原理图

2.1.4 电路拓扑图

2.1.5 电流与电压的参考方向

2.1.6 电路三视图

2.2 电路模型

2.2.1 元件、器件与电路

2.2.2 器件的物理模型

2.2.3 电路的抽象

2.2.4 抽象的其他作用

2.3 电路的语句描述

2.3.1 电路的SPICE语句描述

2.3.2 电路的硬件语言描述

第3章 电源与电信号源

3.1 直流电源

3.1.1 电池——化学直流电源

3.1.2 太阳能电池

3.1.3 电池的伏安特性与电路模型

3.2 正弦波交流电源

3.2.1 电力电源——重要的正弦渡交流电源

3.2.2 正弦渡交流电源与电路工程

3.2.3 正弦波形的模型与表达

3.2.4 正弦波形的重要性质

3.3 三相交流电源与三相电路

3.3.l.三相交流电的产生

3.3.2.三相电源的接法

3.3.3 三相负载的接法

3.3.4.三相电路连接

3.3.5 三相电路的功率

3.4 信号源

3.4.1 能量、信息与信号

3.4.2 有用信号与干扰信号

3.4.3 产生语音信息的信号源——话筒

3.4.4 监测温度变化的信号源——热电偶

3.4.5 探测磁场变化的信号源——磁头

3.5 理想电源

3.5.1 理想电压源

3.5.2 理想电流源

……

第4章 电阻与电阻电路分析

第5章 电路方程与电路定理

第6章 电容与电容模型

第7章 电阻电容电路

第8章 电感

第9章 电阻电感电路

第10章 电阻电感电容电路

第11章 互感与变压器

第12章 互连线与传输线

第13章 二端口与多端口网络

第14章 电路功能的实现与滤波器设计

第15章 附录一二阶线性微分方程式之解

第16章 附录二专业术语中英文对照

第17章 参考文献2100433B

第1 章 化学电池的发展史

1.1 电池的种类及现状 2

1.1.1 化学电池 2

1.1.2 物理电池和生物电池 4

1.1.3 实用电池应具备的条件及常用电池的特性 6

1.1.4 一次电池和二次电池的主要用途 8

1.2 电池的发展简史①——从巴格达电池到伏打电池 10

1.2.1 世界最早的电池——制作于陶罐中的巴格达电池 10

1.2.2 利用青蛙腿制作电池？——伽伐尼的实验 12

1.2.3 电池的发明——干电池起始于湿式 14

1.3 电池的发展简史②——从伏打电池到丹聂耳电池 16

1.3.1 伏打电池的起电原理 16

1.3.2 伏打电池的缺点——正极析氢 18

1.3.3 克服伏打电池缺点的丹聂耳电池——无隔断的情况分析 20

1.3.4 克服伏打电池缺点的丹聂耳电池——采用无孔隙的完全隔断的情况分析 22

1.4 电池的发展简史③——从丹聂耳电池到勒克朗谢电池 24

1.4.1 丹聂耳电池的关键——素烧瓷隔断中的微孔 24

1.4.2 丹聂耳电池的缺点——离子化倾向 26

1.4.3 从勒克朗谢（湿）电池到干电池 28

1.4.4 干电池的代表 30

1.4.5 常用干电池的分类 32

1.5 电池的三个基本参量和构成电池的四要素 34

1.5.1 用储水罐说明电池的三个基本参量 34

1.5.2 电池的容量——可取出电（荷）的量 36

1.5.3 电池的电压——起电力 38

1.5.4 电池的电能——电池电压与电荷量的乘积 40

1.5.5 构成电池的四要素 42

书角茶桌

从氧化还原反应认识化学电池用电极材料 44

第2 章 一次电池和二次电池

2.1 常用一次电池 46

2.1.1 不断进步的干电池 46

2.1.2 锰干电池的标准放电曲线 48

2.1.3 锂一次电池的结构 50

2.1.4 锰氧化物简介 52

2.1.5 锰氧化物的各种晶体结构 54

2.2 常用二次电池 56

2.2.1 二次电池简介 56

2.2.2 二次电池的早期代表——铅- 酸蓄电池 58

2.2.3 铅- 酸蓄电池已历逾一个半世纪 60

2.2.4 铅- 酸蓄电池的充放电反应 62

2.2.5 镍- 镉电池 64

2.2.6 镍- 氢电池 66

2.2.7 镍- 锌电池 68

2.3 二次电池的特性 70

2.3.1 二次电池的特性对比 70

2.3.2 不同应用领域对二次电池的性能要求 72

2.3.3 不同二次电池的放电特性比较 74

2.3.4 二次电池应用于不同领域的发展势态 76

2.4 二次电池的产业化现状 78

2.4.1 电动汽车的关键技术 78

2.4.2 二次电池与电动汽车 80

2.4.3 二次电池的普及 82

2.4.4 二次电池能量密度和功率密度的比较 84

2.4.5 美国的“电池曼哈顿计划” 86

书角茶桌

二次电池中为什么讲正极和负极而不讲阳极和阴极？ 88

第3 章 锂离子电池

3.1 锂离子电池的工作原理 90

3.1.1 锂离子电池的发展经历 90

3.1.2 锂离子电池的工作原理 92

3.1.3 锂离子电池的应用——以移动电子产品为例 94

3.1.4 锂离子电池的充放电过程 96

3.1.5 锂离子电池的充放电反应 98

3.1.6 锂离子电池的结构和组装 100

3.1.7 锂离子电池用的四大关键材料 102

3.2 锂离子电池的正极材料 104

3.2.1 正极材料的选取原则 104

3.2.2 锂离子电池各种正极材料的比较 106

3.2.3 层状结构氧化物正极材料 108

3.2.4 尖晶石结构正极材料 110

3.2.5 橄榄石结构正极材料 112

3.3 锂离子电池的负极材料 114

3.3.1 负极材料储锂机理及负极材料的分类 114

3.3.2 负极材料的进展 116

3.3.3 碳负极材料 118

3.3.4 合金化负极材料 120

3.4 导电添加剂和石墨烯 122

3.4.1 导电添加剂在锂离子电池中的作用 122

3.4.2 炭黑和碳纳米管导电添加剂 124

3.4.3 石墨烯简介 126

3.4.4 石墨烯“自上而下”和“自下而上”的生长方式 128

书角茶桌

二次电池缘何相中了锂离子？ 130

第4 章 研发中的新型二次电池

4.1 从有机电解液到固体电解质 132

4.1.1 锂离子电池的安全隐患 132

4.1.2 各种电解质的比较 134

4.1.3 锂- 聚合物二次电池 136

4.1.4 开发中的固体电解质 138

4.1.5 全固态二次电池的优势 140

4.1.6 全固态二次电池的开发 142

4.1.7 全固态二次电池的开发目标和发展前景 144

4.2 开发中的锂二次电池 146

4.2.1 锂- 二氧化锰电池 146

4.2.2 锂- 硫电池 148

4.2.3 锂- 硫化铁电池 150

4.2.4 钠- 硫电池 152

4.3 锂- 空气二次电池和超级电容器 154

4.3.1 锂- 空气二次电池 154

4.3.2 锂- 铜二次电池 156

4.3.3 氧化还原液流电池和全钒液流电池 158

4.3.4 超级电容器 160

4.3.5 超级电容器的应用 162

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新材料延长锂金属电池寿命，增加汽车机动性 164

第5 章 燃料电池原理及基本要素

5.1 燃料电池发展概述 166

5.1.1 燃料电池的发展简史及应用概况 166

5.1.2 燃料电池与普通化学电池（一次、二次电池）的基本差异 168

5.1.3 Bauru 和Toplex 燃料电池的原理 170

5.1.4 Beacon 燃料电池的诞生 172

5.2 燃料电池的发电原理 174

5.2.1 燃料电池由氢、氧反应发电 174

5.2.2 燃料电池直接将燃料变成电 176

5.2.3 燃料电池与火力发电的比较 178

5.2.4 人类身体与燃料电池非常相似 180

5.3 燃料电池基本要素 182

5.3.1 氢- 氧燃料电池发电过程 182

5.3.2 燃料电池的理论效率 184

5.3.3 实例一——碱型燃料电池 186

5.3.4 实例二——直接甲醇燃料型和高分子电解质型燃料电池 188

5.4 燃料电池的种类 190

5.4.1 燃料电池分类方法及一般构造 190

5.4.2 电解质与燃料电池的种类 192

书角茶桌

享受更多蓝天，清洁能源要领跑 194

第6 章 常用燃料电池的原理与结构

6.1 磷酸型燃料电池（PAFC） 196

6.1.1 磷酸型燃料电池的工作原理 196

6.1.2 已实现长寿命的磷酸型燃料电池 198

6.1.3 磷酸型燃料电池的改进 200

6.2 熔融碳酸盐型燃料电池（MCFC） 202

6.2.1 熔融碳酸盐型燃料电池的工作原理 202

6.2.2 单电池的构成和发电原理 204

6.2.3 MCFC 燃料电池的构成材料 206

6.2.4 MCFC 燃料电池长寿命化的措施 208

6.2.5 熔融碳酸盐型燃料电池的重整方式 210

6.3 高温固体电解质型燃料电池（SOFC） 212

6.3.1 高温固体电解质型燃料电池的工作原理 212

6.3.2 高温固体电解质型燃料电池的单电池（cell）构造 214

6.3.3 目标为大规模发电和小型电源的固体氧化物型燃料电池 216

6.3.4 高温固体电解质型燃料电池的特性 218

6.4 高分子电解质型燃料电池（PEFC） 220

6.4.1 高分子电解质型燃料电池的工作原理 220

6.4.2 高分子电解质型燃料电池的改进 222

6.4.3 各种各样的汽车用燃料电池系统 224

6.4.4 直接使用氢气型汽车用燃料电池 226

6.5 储氢技术与储氢材料 228

6.5.1 氢的安全容器——储氢合金 228

6.5.2 吸氢合金——以比液氢更小的体积储氢 230

6.5.3 无机氢化物储氢材料 232

6.6 几种有可能实现的燃料电池 234

6.6.1 工作温度可降低的SOFC 234

6.6.2 可利用煤炭的燃料电池 236

6.6.3 可利用废弃物的燃料电池 238

书角茶桌

清洁能源，越走越近 240

参考文献 241

作者简介 242

早在1820年春天，丹麦的奥斯特在一次偶然之中就发现了这一原理。1822年，法国物理学家阿拉戈和吕萨克才发现，当电流通过其中有铁块的绕线时，它能使绕线中的铁块磁化。这实际上是电磁铁原理的最初发现。1823年，斯特金也做了一次类似的实验：他在一根并非是磁铁棒的U型铁棒上绕了18圈铜裸线，当铜线与伏打电池接通时，绕在U型铁棒上的铜线圈即产生了密集的磁场，这样就使U型铁棒变成了一块“电磁铁”。这种电磁铁上的磁能要比永磁能放大多倍，它能吸起比它重20倍的铁块，而当电源切断后，U型铁棒就什么铁块也吸不住，重新成为一根普通的铁棒。

斯特金的电磁铁发明，使人们看到了把电能转化为磁能的光明前景，这一发明很快在英国、美国以及西欧一些沿海国家传播开来。

1829年，美国电学家亨利对斯特金电磁铁装置进行了一些革新，用磁电绝缘导线代替裸铜导线，因此不必担心被铜导线过分靠近而短路。由于导线有了绝缘层，就可以将它们一圈圈地紧紧地绕在一起，由于线圈越密集，产生的磁场就越强，这样就大大提高了把电能转化为磁能的能力。到了1831年，亨利试制出了一块更新的电磁铁，虽然它的体积并不大，但它能吸起1吨重的铁块。

在奥斯特电流磁效应实验及其他一系列实验的启发下 ，安培认识到磁现象的本质是电流 ，把涉及电流 、磁体的各种相互作用归结为电流之间的相互作用，提出了寻找电流元相互作用规律的基本问题。为了克服孤立电流元无法直接测量的困难 ，安培精心设计了4个示零实验并伴以缜密的理论分析，得出了结果。但由于安培对电磁作用持超距作用观念，曾在理论分析中强加了两电流元之间作用力沿连线的假设，期望遵守牛顿第三定律，使结论有误。上述公式是抛弃错误的作用力沿连线的假设，经修正后的结果。应按近距作用观点理解为，电流元产生磁场，磁场对其中的另一电流元施以作用力。