化学电源-燃料电池、高能电池、海洋电池和锂电池的相关知识

1、燃料电池、高能电池、海洋电池和锂电池的相关知识雅风追云 整 理一、化学电源和燃料电池的概念1化学电源：又称化学电池，是一种能将化学能直接转变成电能的装置。这种装置通过化学反应，消耗某种或几种物质，输出电能。2燃料电池：燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置。因为原料都是燃料和氧气，燃料和氧气发生化学反应的产物与相应的燃料燃烧的产物相同，即化学方程式相同，所以称为燃料电池。3高能电池：具有高的“比能量”和高的“比功率”的电池称为高能电池。所谓“比能量”和“比功率”是指电池的单位质量或单位体积计算电池所能提供的电能和功率。因为电池的体积小，产品形状象纽扣，也称为“纽扣”电池。4海洋电池：

2、以铝空气海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。1991年，由中国首创。5锂电池：锂电池(Lithium battery)是指电化学体系中含有锂元素(包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物等)的电池。二、化学电源的分类和燃料电池的分类1化学电源的种类：(1)按照其使用性质可分为四类：干电池、蓄电池、燃料电池、锂电池。(2)按电池中电解质性质分为：碱性电池、酸性电池、中性电池。2燃料电池的分类：(1)按电解质种类，燃料电池(Fuel Cell简称FC)分为碱性燃料电池(AFC)、磷酸型燃料电池(PAFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)及质子交换膜燃料电池(PEMFC

3、)等。其中属于碱性燃料电池的只有AFC一种，而其余的燃料电池属于酸性燃料电池或中性燃料电池。(2)按燃料类型，燃料电池(Fuel Cell, FC)分为氢气、甲醇、甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等。(3)按工作温度，燃料电池(Fuel Cell, FC)分为低温型(温度低于200)、中温型(温度为200750)、高温型(温度高于750)。(4)按结构类型，燃料电池(Fuel Cell, FC)分为管状燃料电池、平板型燃料电池和单片型。3锂电池的分类：分锂金属锂电池和锂离子电池。三、闭合回路的基本构造和电流的产生1闭合回路的基本构造：用电装置是由电源、导线、开关、用电器四个部分构成。我们把导线、开

4、关、用电器三个部分构成的线路称之为“外电路” ，这就是初中物理所学的电学内容。与之相对应的我们把电源称之为“内电路” ，这部分电学内容是在高二物理中学习，而我们化学现在是在高一就得提前学习这部分内容，不然的话电化学部分的学习很累人的。这也是现在教材为什么编得差的原因之一，就是各科之间缺少统筹，各行其是。造成是教师教得累死了，学生学的累死了，最后都不知是怎么死的。言归正传，由于产生电能的装置不同，电源的内部构造各有不同，但产生电能的原理相同，所以它们有共同的特征：即都是由导体构成了内电路。而正负电极是内外电路的交汇点。2电流产生的简单解释：电流的产生，有三个必要条件，一是必须有自由移动的带电荷的

5、粒子(亦可称为载体)。如金属中能自由移动的带负电荷的电子；电解质溶液中自由移动的阴阳离子等。但这还不能产生电流，要产生电流的第二个必要条件必须使电源两极产生电位差，就像水要流动起来，首先就要使水产生水位差一样。最后只要再形成闭合回路使自由移动的带电粒子作定向移动即可有电流产生。另外还要注意如下三点：(1)只要是导体，就可以构成电路。也就是说，构成电路的物质状态可以是固态，也可以是液态，还可以是气态。电路包括了外电路和内电路。(2)电源(内电路)中电流运动过程与外电路(负载电路)是不同的，外电路中电流(正电荷)是从正极流向负极(负电荷是从负极流向正极)，而内电路中电流(正电荷)是从负极流向正极的

6、(负电荷是从正极流向负极)。(3)电路如果是由固体导体(如金属导线)构成的，电流的实质就是由带负电荷的电子作定向移动的结果，而金属阳离子( 称之为“束缚电荷” )是不能在金属固体中运动的。电路如果是由电解质溶液或液态电解质导体(不存在带负电荷的电子)构成的，电流的实质就是由带正电荷阳离子和带负电荷的阴离子共同作相反的定向移动的结果。注：发生还原反应的电极为阴极，发生氧化反应的电极为阳极。电极电位高的电极为正极，电极电位低的电极为负极。机械的发电机中的电极是不存在阴极和阳极的，只存在正负极电极。因为其电极中不发生氧化或还原反应。只有在化学电路中的电极才有阴阳电极。3原电池的形成条件：原电池的工作

7、原理，原电池反应属于放热的氧化还原反应，但区别于一般的氧化还原反应的是，电子转移不是通过氧化剂和还原剂之间的有效碰撞完成的，而是还原剂在负极(阳极)上失电子发生氧化反应，电子通过由金属导线和负载等组成的外电路输送到正极(阴极)上，氧化剂在正极(阴极)上得电子发生还原反应，从而完成还原剂和氧化剂之间电子的转移。原电池两极之间溶液中离子的定向移动和外电路导体中电荷的定向移动构成了闭合回路，使两个电极反应不断进行，发生有序的电荷转移过程而产生电流，实现化学能向电能的转化。从能量转化角度看，原电池是将化学能转化为电能的装置；从化学反应角度看，原电池的原理是氧化还原反应中的还原剂失去的电子经导线传递给氧

8、化剂，使氧化还原反应分别在两个电极上进行。原电池的构成条件有三个：电极材料由两种金属活泼性不同的金属或由金属与其他导电的材料（非金属或某些氧化物等）组成。两电极必须浸泡在电解质溶液中，自发的氧化还原反应。两电极之间有导体连接，形成闭合回路。只要具备以上三个条件就可构成原电池。而化学电源因为要求可以提供持续而稳定的电流，所以除了必须具备原电池的三个构成条件之外，还要求有自发进行的氧化还原反应。也就是说，化学电源必须是原电池，但原电池不一定都能做化学电池。 注：“自发”的含义是指自由能变小于零的条件。数学表达式：G=HTS<0能自发发生氧化还原反应。其中：G自由能变，H焓变(热焓变)，S熵变

9、(混乱度)，K开尔文温度。形成燃料电池前提：总反应为自发的氧化还原反应。四、燃料电池1、特点：燃料电池与前干电池和蓄电池的主要差别在于：它不是把还原剂、氧化剂物质全部贮藏在电池内，而是在工作时不断从外界输入氧化剂和还原剂，同时将电极反应产物不断排出电池，实际就是将化学能直接转化为电能的发电机。燃料电池是直接将燃烧反应的化学能转化为电能的装置，能量转化率高，可达80%以上，而一般火电站热机效率仅在3040之间。燃料电池具有节约燃料、污染小的特点。2、基本构造：燃料电池以还原剂(氢气、煤气、天然气、甲醇等)为负极反应物，以氧化剂(氧气、空气等)为正极反应物。由其中的燃料极(负极)、空气极(正极)和

10、电解质溶液(介质)构成燃料电池。电极材料多采用多孔碳，多孔镍、铂、钯等贵重金属以及聚四氟乙烯。介质则有碱性电解质溶液、酸性电解质溶液、熔融盐电解质和固体电解质等种类。3、举例：(1)以碱性氢氧燃料电池为例，它的燃料极(负极)常用多孔性金属镍，用它来吸附氢气。空气极(正极)常用多孔性金属银，用它吸附空气。电解质溶液(介质)则由浸有KOH溶液的多孔性塑料制成，其电池符号表示为：() H2，NiKOH(30%)Ag，O2 (+)或() H2，NiKOH(6.91mol·L1)Ag，O2 (+)或() H2，PtKOH(30%)Pt，O2 (+)或() H2，PtKOH(6.91mol

11、83;L1)Pt，O2 (+)负极反应：2H2+4OH=4H2O+4e (氧化反应)正极反应：O2+2H2O+4e=4OH (还原反应)总 反 应：2H2+O2=2H2O(2)以酸性氢氧燃料电池为例，它的燃料极(负极)常用金属铂，用它来吸附氢气。空气极(正极)常用多孔性金属银，用它吸附空气。电解质溶液(介质)则由浸有磷酸溶液的碳纤维和碳化硅混合制成，其电池符号表示为：以氢气为燃料，氧气为氧化剂，铂做电极，使用酸性电解质。() H2，PtH3PO4(85%)Pt，O2 (+)或() H2，PtH3PO4(12.46mol·L1)Pt，O2 (+)负极反应：2H2=4H+4e (氧化反应

12、)正极反应：O2+4H+4e=2H2O (还原反应)总 反 应：2H2+O2=2H2O4、电池的工作原理：当向燃料极(负极)供给氢气时，氢气被吸附并与催化剂作用，放出电子而生成H+，而电子经过外电路流向空气极(正极)，电子在空气极(正极)使氧还原为OH，H+和OH在电解质溶液中结合成H2O。氢氧燃料电池的标准电动势为1.229V。5、书写电极反应的方法在中学阶段，掌握燃料电池的工作原理和电极反应式的书写是十分重要的。书写燃料电池电极反应式的方法是：(1)先写出燃料电池的总反应方程式。因为燃料电池发生电化学反应的最终产物与该燃料燃烧的产物相同，可根据燃料燃烧反应写出燃料电池的总反应方程式，但要注

13、意燃料的种类。若是氢氧燃料电池，其电池总反应方程式不随电解质的状态和电解质溶液的酸碱性的变化而变化，就是该燃料燃烧的化学方程式，即2H2+O2=2H2O(注意：不能写“点燃”条件，毕竟不是燃烧反应。)，若燃料是含碳元素的可燃物，其电池总反应方程式就与电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有关。如甲烷燃料电池在酸性电解质中生成CO2和H2O,即CH4+2O2=CO2+2H2O；而在碱性电解质中生成CO32离子和H2O，即CH4+2OH+2O2=CO32+3H2O。就是说含碳元素的燃料在燃料电池的总反应方程式书写要注意看清是在酸性介质中还是在碱性介质中，在酸性介质中产物是二氧化碳和水；在碱性介质中反应物

14、那边要添加氢氧根，产物这边没有二氧化碳生成，而是生成碳酸根和水。原因是在酸性介质中CO32不能与大量H+共存而生成CO2和H2O；在碱性介质中CO2和OH不能共存而生成CO32。(2)再写出燃料电池的正极(阴极)反应式。因为燃料电池正极反应是氧化剂发生的还原反应，而在燃料电池中氧气始终是氧化剂，所以正极(阴极)都是氧气得到电子的还原反应，所以可先写出正极(阴极)反应式，正极(阴极)反应的本质都是O2得到电子生成O2，故正极(阴极)反应式的基础都是O2+4e=2O2。正极(阴极)产生O2离子的存在形式与燃料电池的电解质的状态和电解质溶液的酸碱性有着密切的关系。这是非常重要的一步。现将与电解质有关

15、的五种情况归纳如下。酸性电解质溶液(如硫酸或磷酸)：在酸性环境中，O2是不能单独存在的，可供O2结合的微粒有H+和H2O分子，O2优先结合H+生成H2O。这样，在酸性电解质溶液中，正极(阴极)反应式为O2+4H+4e=2H2O。中性或碱性电解质溶液(如氯化钠溶液或氢氧化钠溶液)：在中性或碱性环境中，O2也不能单独存在，O2只能结合H2O生成OH，故在中性或碱性电解质溶液中，正极(阴极)反应式为O2+2H2O+4e=4OH。电解质为熔融的碳酸盐或其电解质的混合物(如Li2CO3和Na2CO3熔融盐混合物)：在熔融的碳酸盐环境中，O2也不能单独存在，O2可结合生成CO32，则其正极(阴极)反应式为

16、：O2+CO2+4e=2CO32。固体电解质混合物是氧化物的固体混合物(如固体氧化锆氧化钇)：该电解质的固体混合物在高温下可允许O2在其间通过，故其正极反应式应为O2+4e=2O2。综上所述，燃料电池正极(阴极)反应式本质都是O2+4e=2O2，在不同介质环境中，其正极(阴极)反应式的书写有所不同。因此在书写正极(阴极)反应时，要特别注意所给电解质状态或电解质溶液的酸碱性。(3)燃料电池负极(阳极)反应式的书写。在电子守恒的基础上用燃料电池的总反应式减去正极(阴极)反应式即得到负极(阳极)反应式。由于燃料电池负极(阳极)反应物种类比较繁多，可为氢气、水煤气(CO+H2)、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷

17、、甲醇、乙醇、葡萄糖等可燃性物质。不同的可燃物有不同的书写方式，要想先写出负极(阳极)反应式比较困难，一般燃料电池的负极(阳极)反应式是采取用间接方法书写，即按上述要求先正确写出燃料电池的总反应式和正极(阴极)反应式，然后在电子守恒的基础上用总反应式减去正极(阴极)反应式即可得负极(阳极)反应式。例题：1介质为酸性电解质溶液例1 科学家预言，燃料电池将是21世纪获得电力的主要途径，美国已计划将甲醇燃料用于军用目的。一种甲醇燃料电池是采用铂或碳化钨作电极催化剂，在稀硫酸电解液中直接加入纯化后的甲醇，同时向一个电极通入空气。试回答下列问题：(1)这种电池放电时发生的化学方程式是 ；(2)此电池的正

18、极发生的电极反应是 ，负极发生的电极反应是 ；(3)电解液中的H+向 正 极移动，向外电路释放电子的电极是 负 极；(4)比起直接燃烧燃料产生电力，使用燃料电池有许多优点，其中主要有两点：首先是燃料电池的能量转化率高，其次是 对空气的污染较小 。解析：因燃料电池电化学反应的最终产物与燃料燃烧的产物相同，又且其电解质溶液为稀硫酸，所以该电池反应方程式是2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O。按酸性燃料电池正极反应式的书写方法知，在稀硫酸中，其正极反应式为：3O2+12H+12e=6H2O，然后在电子守恒的基础上利用总反应式减去正极反应式即得负极反应式为：2CH3OH+2H2O12e=2CO2+

19、12H+。由原电池原理知负极失去电子后经导线转移到正极，所以正极上富集电子，根据典型关系知阳离子向正极(阴极)移动，阴离子向向负极(阳极)移动。故H+向正极移动，向外电路释放电子的电极是负极(阳极)。答案：(1) 2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O；(2) 正极：3O2+12H+12e=6H2O，负极：2CH3OH+2H2O12e=2CO2+12H+；(3) 正，负；(4) 对空气的污染较小。2介质为碱性电解质溶液例2 甲烷燃料电池的电解质溶液为KOH溶液，下列关于甲烷燃料电池的说法不正确的是 ( C ) A负极反应式为：CH4+10OH8e=CO32+7H2O B正极反应式为：O2+2

20、H2O+4e=4OH C随着不断放电，电解质溶液碱性不变 D甲烷燃料电池的能量利用率比甲烷燃烧的能量利用率大 解析：因甲烷燃料电池的介质为KOH溶液，生成的CO2还要与KOH反应生成K2CO3，故该电池发生反应总化学方程式是CH4+2KOH+2O2=K2CO3+3H2O，离子方程式是CH4+2OH+2O2=CO32+3H2O 。从总离子反应方程式可以看出，要消耗OH ，故电解质溶液的碱性减小，C错；按碱性燃料电池的KOH溶液中，通入O2的一极为正极，其反应式应为O2+2H2O+4e=4OH。通入甲烷的一极为负极，其电极反应式可用棕反应式减去正极反应式为CH4+10OH8e=CO32+7H2O。

21、故A、B选项均正确；根据能量守恒规律，燃料燃烧时产生的热能是不可能全部转化为功的，其能量利用率不高，而电能转化为功的效率要大得多，所以选项C正确。故符合题意的是C。答案：C。3电解质为熔融碳酸盐例3 某燃料电池以熔融的K2CO3(其中不含O2和HCO3)为电解质，以丁烷为燃料，以空气为氧化剂，以具有催化作用和导电性能的稀土金属材料为电极。试回答下列问题：(1)写出该燃料电池的化学反应方程式。(2)写出该燃料电池的电极反应式。(3)为了使该燃料电池长时间稳定运行，电池的电解质组成应保持稳定。为此，必须在通入的空气中加入一种物质，加入的物质是什么，它从哪里来？解析：由于电解质为熔融的K2CO3，且

22、不含O2和HCO3，生成的CO2不会与CO32反应生成HCO3的，故该燃料电池的总反应式为：2C4H10+13O2=8CO2+10H2O 。按上述燃料电池正极(阴极)反应式的书写方法知，在熔融碳酸盐环境中，其正极(阴极)反应式为O22CO22CO2+4e=2CO32。通入丁烷的一极为负极(阳极)，其电极反应式可利用总反应式减去正极(阳极)反应式求得，应为2C4H10+26CO3252e=34CO2+10H2O。从上述电极反应式可看出，要使该电池的电解质组成保持稳定，在通入的空气中应加入CO2，它从负极(阳极)反应产物中来。答：(1)2C4H10+13O2=8CO2+10H2O。(2)正极：O2

23、2CO2+4e-=2 CO32，负极：2C4H10+26CO3252e-=34CO2+10H2O。(3)CO2，从负极(阳极)反应产物中来。4电解质为固体氧化物例4 一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2。下列对该燃料电池说法正确的( BC )A在熔融电解质中，O2-由负极移向正极B电池的总反应是：2C4H1013O2 =8CO210H2OC通入空气的一极是正极，电极反应为：O24e-2O2-D通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H1026e-13O2-4CO25H2O解析：本题以丁烷燃料电池为载体综

24、合考查了原电池原理涉及的有关“电子流向、电极反应式、总反应式”等内容，正极上富集电子，根据电性关系，O2不可能移向正极，A错。由丁烷的燃烧反应及电解质的特性知该电池的总反应式为2C4H1013O2=8CO210H2O，B正确。按电解质的固体混合物为氧化物的固体混合物可允许O2在其间通过，该燃料电池正极反应式为O24e=2O2，C正确。通入丁烷的一极应为负极，D错。故符合题意的是B、C。练习：1据报道，我国拥有完全自主产权的氢氧燃料电池车将在北京奥运会期间为运动员提供服务。某种氢氧燃料电池的电解液为KOH溶液，下列有关该电池的叙述不正确的是( D )A正极反应式为：O2+2H2O+4e=4OHB

25、工作一段时间后，电解液中KOH的物质的量不变C该燃料电池的总反应方程式为：2H2+O2=2H2OD用该电池电解CuCl2溶液，产生224LCl2(标准状况)时，有01 mol电子转移2二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的新型燃料，它清洁、高效，具有优良的环保性能。四川是利用天然气生产二甲醚的重要基地之一。以二甲醚、空气、氢氧化钾溶液为原料，石墨为电极可构成燃料电池。该电池中负极上的电极反应式是：_ 。3一种新型燃料电池，它以多孔镍板为电极插入KOH 溶液中，然后分别向两极上通入乙烷和氧气，其电极反应式分别为：C2H6+18OH14e=2CO32+12H2O；7H2O+3.5O2+14e=1

26、4OH有关此电池的推断正确的是 ( B )A通乙烷的电极为正极 B参加反应的O2与C2H6的物质的量之比为72C电解质溶液中，CO32向正极移动 D放电一段时间后，KOH的物质的量浓度不变4某燃料电池发生的化学反应为：在酸性溶液中甲醇与氧作用生成水和二氧化碳。该电池负极发生的反应是 ( C )ACH3OH(g)+O2(g)=H2O(l)+CO2(g)+2H+(aq)+2e- BO2(g)+4H+(aq)+4e=2H2O(l)CCH3OH(g)+H2O(1)=CO2(g)+6H+(aq)+6e DO2(g)+2H2O(1)+4e=4OH5北京奥运会“祥云”火炬然料是丙烷（C3H8），亚特兰大奥运

27、会火炬燃料是丙烯 （C3H6）。以丙烷为燃料制作新型燃料电池，电池的正极通入O2和CO2 ，负极通入丙烷，电解质是熔融碳酸盐。电池反应方程式为_；放电时，CO32移向电池的 正 (填“正”或“负”)极。6一种新型熔融盐燃料电池具有高发电效率而备受重视。现有Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，一极通CO气体，另一极通O2和CO2的混合气体，制作650时工作的燃料电池，其电池总反应是2CO+O2=2CO2，则下列说法中正确的是 ( D )A通CO的一极是电池的正极 B负极电极反应是：O2+2CO2+4e=2CO32C正极发生氧化反应 D熔融盐中CO32的物质的量在工作时保持不变7如图

28、是2004年批量生产的笔记本电脑所用的甲醇燃料电池的结构示意图。甲醇在催化剂作用下提供质子(H+)和电子。电子经外电路、质子经内电路到达另一极与氧气反应。电池总反应式为：2CH3OH3O22CO24H2O。下列说法中正确的是 ( AC )A左边的电极为电池的负极，a处通入的是甲醇B右边的电极为电池的负极，b处通入的是空气C电池负极的反应式为：CH3OH+H2O=CO2+6H+6eD电池的正极反应式为：O2+2H2O+4e=4OH五、高能电池的工作原理以银锌电池为例： O2+2H2O+4e=4OH 一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极壳组成，形似钮扣(俗称钮扣电池)。盒内正极壳一端填充由

29、氧化银和石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为KOH浓溶液。电池的电压一般为1.59V，使用寿命较长。其电池符号表示为：()Hg，ZnKOHAg 2O，C(+)负极反应：Zn+2OH2e=ZnO+H2O (氧化反应)正极反应：Ag2O+H2O+2e=2Ag+2OH (还原反应)总 反 应：Ag2O+ Zn=ZnO+2Ag六、海洋电池的工作原理1991年，我国首创以铝空气海水为能源的新型电池，称之为海洋电池。它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源。海洋电池彻底改变了以往海上航标灯两种供电方式：一是一次性电池，如锌锰电池、锌银电池、锌空(气)电池等。这些电池体

30、积大，电能低，价格高。二是先充电后给电的二次性电源，如铅蓄电池，镍镉电池等。这种电池要定期充电，工作量大，费用高。海洋电池，是以铝合金为电池负极，金属(Pt、Fe)网为正极，用取之不尽的海水为电解质溶液，它靠海水中的溶解氧与铝反应产生电能的。我们知道，海水中只含有0.5%的溶解氧，为获得这部分氧，科学家把正极制成仿鱼鳃的网状结构，以增大表面积，吸收海水中的微量溶解氧。这些氧在海水电解液作用下与铝反应，源源不断地产生电能。两极反应为：电池符号：() Al|海水|O2，Pt(或Fe) (+)负 极：(Al)：4Al12e4Al3+正 极：(Pt或Fe等)：3O26H2O+12e12OH总反应式：4

31、Al3O2+6H2O4Al(OH)3海洋电池本身不含电解质溶液和正极活性物质，不放入海洋时，铝极就不会在空气中被氧化，可以长期储存。用时，把电池放入海水中，便可供电，其能量比干电池高2050倍。电池设计使用周期可长达一年以上，避免经常交换电池的麻烦。即使更换，也只是换一块铝板，铝板的大小，可根据实际需要而定。海洋电池没有怕压部件，在海洋下任何深度都可以正常工作。海洋电池，以海水为电解质溶液，不存在污染，是海洋用电设施的能源新秀。七、锂离子电池的工作原理及安全性1工作原理锂，原子序数为3，相对原子质量为6.941，是最轻的碱金属元素。锂离子电池是前几年出现的金属锂蓄电池的替代产品，工作原理就是指其充放电原理。它的负极(阳极)采用能吸藏锂离子的碳极，放电时，锂变成锂离子，脱离电池负极(阳极)，到达锂离子电池正极(阴极)。锂离子在负极(阳极)和正极(阴极)之间移动，电极本身不发生变化。这是锂离子电池与金属锂电池本质上的差别。锂离子电池的负极(阳极)为石墨晶体，正极(阴极)通常为二氧化锂。充电时，正极(阴极)中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向负极(阳极)运动与电子合成锂原子