第二节《化学电源》

1、第四章第四章 电化学基础电化学基础第二节第二节 化学电源化学电源人教版选修人教版选修4 4 化学反应原理化学反应原理电极材料电子流向反应类型组 成 负 极 正 极 电解质酸酸、碱、碱或盐的或盐的溶液溶液原电池的组成原电池的组成 相对活泼的相对活泼的金属金属流出电子流出电子氧化反应氧化反应相对不活泼的相对不活泼的金属金属（或能导（或能导电的非金属电的非金属）流入电子流入电子还原反应还原反应锂电池锂电池干电池干电池叠层电池叠层电池纽扣电池纽扣电池各各类类电电池池1：各类电池：各类电池2、化学电池、化学电池1)概念概念: 将化学能变成电能的装置将化学能变成电能的装置2)分类分类:一次电池又称不可充电

2、电池或干电池一次电池又称不可充电电池或干电池二次电池又称充电电池或蓄电池二次电池又称充电电池或蓄电池燃料电池燃料电池3)优点优点:能量转换效率高，供能稳定可靠能量转换效率高，供能稳定可靠可以制成各种形状和大小、不同容量和电可以制成各种形状和大小、不同容量和电压的电池和电池组，使用方便压的电池和电池组，使用方便易维护，可在各种环境下工作。易维护，可在各种环境下工作。4)电池优劣的判断标准电池优劣的判断标准:比能量比能量 单位：单位：(wh/kg)(wh/kg)，(wh/L)(wh/L)指电池单位质量或单位体积所能输出电能指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少的多少比功率比功率单位单位：（：（

3、W/kgW/kg，W/L)W/L)指电池单位质量或单位体积所能输出功率指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小的大小.电池的可储存时间的长短电池的可储存时间的长短除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、除特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池，其质量好。功率大、储存时间长的电池，其质量好。碱性锌碱性锌-锰干电池锰干电池负极负极-Zn-Zn正极正极MnOMnO2 2电池反应：电池反应：电解质：电解质：KOHZn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2思考

4、思考该电池的正负极材料和电解质？该电池的正负极材料和电解质？碱性锌锰电池的优点碱性锌锰电池的优点： 电流稳定，放电容量、时间比电流稳定，放电容量、时间比干电池增大几倍，不会气涨或干电池增大几倍，不会气涨或漏液。漏液。( (一一) )一次电池一次电池钮扣电池钮扣电池：不锈钢制成一个由：不锈钢制成一个由正极壳和负极盖组成的小圆盒，正极壳和负极盖组成的小圆盒，盒内靠正极一端填充由盒内靠正极一端填充由AgAg2 2O O和和少量石墨组成的正极活性材料，少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充锌汞合金作负负极盖一端填充锌汞合金作负极活性材料，电解质溶液为浓极活性材料，电解质溶液为浓KOHKOH溶液，已

5、知电池内溶液，已知电池内ZnZn的氧的氧化产物为化产物为ZnOZnO2、银、银-锌电池锌电池负极：负极：正极：正极：总反应：总反应：Zn+ 2OHZn+ 2OH- - -2e -2e- - =ZnO+H =ZnO+H2 2O O Ag2O +H2O +2e- - =2Ag +2OH- Ag2O + Zn =ZnO + 2Ag3、铅蓄电池、铅蓄电池1)正负极材料正负极材料正极：正极：PbO2负极：负极：Pb2)工作机制工作机制电解质：电解质：H2SO4溶液溶液铅蓄电池为典型的可充电电池，其电极反应铅蓄电池为典型的可充电电池，其电极反应分为放电和充电两个过程分为放电和充电两个过程( (二二) )二

6、次电池二次电池放电过程总反应：放电过程总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l) Pb(s) + SO42- (aq)-2e- =PbSO4 (s)正极：正极：PbO2(s) + 4H+(aq)+SO42- (aq)+2e- =2PbSO4 (s) +2H2O(l) 氧化反应氧化反应 还原反应还原反应负极：负极：放电过程放电过程铅蓄电池充电的反应则是上述反应的铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程逆过程充电过程充电过程PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42- (aq) 还原反应还原反应阴极：阴极：阳极：阳极：2PbSO4 (s

7、)+2H2O(l) -2e- = PbO2(s) +4 H+(aq) + SO42-(aq) 氧化反应氧化反应接电源负极接电源负极接电源正极接电源正极充电过程总反应：充电过程总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)铅蓄电池的充放电过程：铅蓄电池的充放电过程：2PbSO4(s)+2H2O(l) Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)放电放电充电充电3)优缺点简析优缺点简析缺点：缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境比能量低、笨重、废弃电池污染环境优点：优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、可重复使用、电压稳定、使用方便、安全

8、可靠、价格低廉价格低廉其它二次电池其它二次电池镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池离子蓄电池大有发展前景的燃料电池大有发展前景的燃料电池 燃料电池燃料电池是利用是利用氢气、天然气、甲醇氢气、天然气、甲醇等燃等燃料与料与氧气或空气氧气或空气进行电化学反应时释放出来的进行电化学反应时释放出来的化学能直接转化成电能的一类原电池。目前化学能直接转化成电能的一类原电池。目前燃燃料电池的能量转化率可达近料电池的能量转化率可达近80%80%，约为火力发，约为火力发电的电的2 2倍倍。这是因为火力发电中放出的废热太。这是因为火力发电中放出的废热太多。燃料电

9、池的多。燃料电池的噪声噪声及硫氧化物、氮氧化物等及硫氧化物、氮氧化物等废气污染都接近零废气污染都接近零；燃料电池发明于燃料电池发明于1919世纪世纪3030年代年代末，经反复试验、改进，到末，经反复试验、改进，到2020世纪世纪6060年代才开始进入年代才开始进入实用阶段。第一代燃料电池的实用阶段。第一代燃料电池的 大致情况如下：大致情况如下： ( (三三) )燃料电池燃料电池4、燃料电池、燃料电池负极负极H H2 2：正极正极O O2 2：总反应：总反应： O O2+2+2H2 =2H2O氢氧燃料电池是一种新氢氧燃料电池是一种新型的化学电池，其构造型的化学电池，其构造如图示：两个电极均由如图

10、示：两个电极均由多孔性碳制成，通入的多孔性碳制成，通入的气体由孔隙逸出，并在气体由孔隙逸出，并在电极表面放电。碱性介电极表面放电。碱性介质质2H2+4OH- -4e- =4H2O O2+2H2O +4e- =4OH- 燃燃 料料 电电 池池2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-2H2 +4OH- 4e- = 4H2O O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-燃料电池的规律燃料电池的规律燃料做负极，助燃剂氧气为正极燃料做负极，助燃剂氧气为正极电极材料一般不参加化学反应，只电极材料一般不参

11、加化学反应，只起传导电子的作用。起传导电子的作用。能量转化率高能量转化率高(超过超过80%)，普通的，普通的只有只有30%，有利于节约能源。，有利于节约能源。燃料电池与前几种电池的差别：燃料电池与前几种电池的差别：氧化剂与还原剂在工作时不断补充；氧化剂与还原剂在工作时不断补充；反应产物不断排出反应产物不断排出 能量转化率高，可持续使用，能量转化率高，可持续使用， 对环境友好对环境友好优点：优点：书写电极反应式应注意以下几点：书写电极反应式应注意以下几点：1 1电极反应是一种离子反应，遵循书写离子电极反应是一种离子反应，遵循书写离子反应的所有规则（如反应的所有规则（如“拆拆”、“平平”）；）；3

12、 3负极失电子所得氧化产物和正极得电子负极失电子所得氧化产物和正极得电子所得还原产物，与溶液的酸碱性有关（如所得还原产物，与溶液的酸碱性有关（如4价的价的C在在酸性溶液中酸性溶液中以以CO2形式存在，形式存在，在在碱性溶液中碱性溶液中以以CO32形式存在）；形式存在）；2 2将两极反应的电子得失数配平后，相加将两极反应的电子得失数配平后，相加得到总反应，总反应减去一极反应即得到另得到总反应，总反应减去一极反应即得到另一极反应；一极反应；电池的发展方向电池的发展方向 光电池使用方便光电池使用方便, ,特别是近年来特别是近年来 微小型半导体逆变微小型半导体逆变器迅速发展器迅速发展, ,促使其应用更

13、加快捷促使其应用更加快捷. .美美, ,日日, ,欧和发展欧和发展中国家都制定出庞大的中国家都制定出庞大的 光伏技术发展计划光伏技术发展计划, ,开发方开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性, ,降低成降低成本本, ,不断扩大产不断扩大产 业业. .目前目前 已有已有8080多个国家和多个国家和1616, , 市场开拓从市场开拓从 空间转向地空间转向地 面系统应用。面系统应用。减减 少少 污污 染染节节 约约 资资 源源将铂丝插入将铂丝插入KOH溶液作电极，然后向两个电溶液作电极，然后向两个电极上分别通入甲烷和氧气，可以形成原电池，极上分别通入甲烷和氧气

14、，可以形成原电池，由于发生的反应类似于甲烷的燃烧，所以称由于发生的反应类似于甲烷的燃烧，所以称作燃料电池，根据两极上反应的实质判断，作燃料电池，根据两极上反应的实质判断，通入甲烷的一极为通入甲烷的一极为_，这一极的电极反应，这一极的电极反应为为_；通入氧气；通入氧气的一极为的一极为_，电极反应为，电极反应为_总反应为总反应为_。负极负极CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O正极正极O2+4e-+2H2O=4OH-CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O1.若将氢气换成甲烷，若将氢气换成甲烷，写出各电极的电极反应写出各电极的电极反应2、熔融盐燃料电池具有高的发电效率、熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视因而受到重视.可用