应用化学32一次电池-改

下一页最后页§3.2一次电池一.一次电池的通性及应用

1.通性：电池放电后不能用充电的方法使它复原。

2.应用：常用于低功率到中功率放电。

3.类型：按使用的电解液分类，一次电池可分为碱或酸性电池，盐类电解质电池，有机电解质溶液电池和固体电解质电池。（见教材91）目录总目录2023/1/111下一页最后页上一页第一页二.碱性锌锰电池锌锰电他的品种规格种类繁多，其命名按照IEC国际电工委员会1987年关于电池的有关规定．对单体电池是在英文大写字母后加阿拉伯数字表示。R(Round)表示为圆柱形，F(Flat)为扁形。S(square)为方形，后面的阿拉伯数字越大，电池的尺寸越大，我们常称的5号电池表示符号为R6．若是碱性锌锰电池，还需要在加一个字母L，如LR6。另外．为了表示电池的性能特征．电池序号后还常常有C、P、S等符号分别表示高容量、高功率和普通型，如R6P表示高功率5号电池。2023/1/1121.氯化铵型锌锰电池（超级链接）2023/1/113电池表达式：

(-)Zn│NH4Cl+ZnCl2│MnO2,C(+)负极反应：

Zn-2e→Zn2+正极反应：

2MnO2+2H2O+2e→2MnOOH+2OH–放电过程中离子反应：

Zn2++2NH4Cl+2OH-→Zn(NH3)2Cl2+2H2O2023/1/114下一页最后页上一页第一页电池反应：

Zn+2MnO2+2NH4Cl→2MnOOH+Zn(NH3)2Cl2现用ZnCl2为主要电解质，电池反应为：

8MnO2+4Zn+ZnCl2+9H2O→8MnOOH+ZnCl2·4ZnO·5H2O2.碱性锌锰电池（超级链接）电池表达式为：(一)Zn│浓KOH│MnO2

，C（+）负极反应：

Zn+2OH-—2e→Zn(OH)2Zn(OH)2+2OH-→[Zn(OH)4]2-正极反应：

MnO2+H2O+e→MnOOH+OH-

MnOOH+H2O+e→Mn(OH)2+OH-2023/1/115碱性锌二氧化锰电池的主要特征是具有高密度的二氧化锰阴极(正极)，大面积的锌阳极（负极）以及高导电性能的KOH电解液。

电池的正极由70％的电解MnO2、10％的石墨和1％一2％的乙炔黑以及适量的融合剂和电解液等混合通过模压而成。2023/1/116电池的负极由一定粒径分布(0.0075—00.8mm)的高纯度的锌粉(70％一80％)、粘接剂(6％)、KOH溶液以及表面活性剂等添加挤压成凝胶状或粉末电极，有时也在负极中添加极少量铅以提高电极的耐腐蚀性能。KOH溶液的浓度通常在7-14mol·L-1之间。需要特别指出的是，考虑到锌在与碱溶液接触时的热力学不稳定性，有下列反应：2023/1/117早期的锌电极制备上加入了4％一8％的Hg以降低氢气的析出，如今的措施有：2023/1/118下一页最后页上一页第一页电池反应：Zn+MnO2+2H2O+2OH-→Mn(OH)2+Zn(OH)42-Ψ电池：1.55～1.85v，工作电压：1.20v。图3.3为碱性锌锰电池的放电曲线电量电势

MnOOH+Mn(OH)2Mn4+-Mn3+-O2--OH-2023/1/119下一页最后页上一页第一页

3.碱性铁锌电池这是一种比锌锰电池容量高50%的新型电池，它的阴极为高铁酸盐（K2FeO4，BaFeO4）。以取代MnO2电池反应为：

MFeO4+3/2Zn→1/2Fe2O3+1/2ZnO+MZnO

[M=2KorBa]优点：放电时间长。2023/1/1110这种电池由于高铁酸盐良好的导电性，高速放电的时间远长于普通的电池。据说如果将高铁酸盐与金属氢化物一起组成电池，可以将仅由高铁酸盐为电极的一次电池变为可充电的二次电池。过去曾经普遍认为，高铁酸盐是不稳定的。但最近发现，如果高铁酸盐不含有能催化其分解的Ni2+和Co2+杂质，即使在浓的KOH溶液中也可以保持数年而不分解。2023/1/1111下一页最后页上一页第一页三.其它几种锌一次电池

1.锌一氧化汞电池（录像）电池表达式：（一）Zn│浓KOH│HgO,C(+)负极反应：Zn+2OH--2e→Zn(OH)2Zn(OH)2+2OH-→[Zn(OH)4]2-正极反应：HgO+H2O+2e→Hg+2OH-电池反应：Zn+HgO+2OH-+

H2O→Hg+[Zn(OH)4]2-集电器：Zn和石墨电动势：1.35V,OVC与E基本一致2023/1/1112下一页最后页上一页第一页优点：

电动势和电压稳定(1.35V,一年内变化＜0.2％)

，比能量高，自放电小(<1%/年)

，活性物质利用率高，对于锌负极接近100％，对于HgO接近90％：该电池可在较高温度下工作(到70℃)，密封性好。缺点：正极材料较昂贵，且有污染，低温下，工作能力差等。用途：可用作小型医用仪器，电子表，计算器等小型仪器的电源。2023/1/1113平滑的放电曲线，说明放电平稳，且HgO直接生成Hg，无中间产物生成。恒电阻放电曲线2023/1/1114

2.锌─空气电池

Zn-空气电池直接使用空气中的氧气，将锌和氧气反应的化学能转变为电能。氧气在需要时扩散到电池中作为正极反应物。在放电过程中空气正极催化氧气还原，而本身并不消耗或变化。由于空气阴极（正极）非常结实，又具有内在的无限容量，可以达到很高的能量密度，结果增大了负极锌的利用。2023/1/1115下一页最后页上一页第一页

电池表达式：(-)Zn│KOH│O2,C(+)

负极反应：

Zn+2OH--2e→ZnO+H2O

正极反应：

1/2O2+H2O+2e→2OH-

电池反应：

Zn+1/2O2→ZnO

集电极：

Zn和石墨

2023/1/1116该电池以浓的KOH溶液作电解液，集电器分别为Zn和石墨电池的电动势与氧的分压有关，空气中氧的分压为21％时，理论电动势为1.63V.

由于氧电极反应的交换电流密度较小，电极很难达到热力学平衡态，一般测得的开路电压在1.4—1.5V之间。为提高氧电极的性能，一般将它制成多孔气体体扩散电极，同时选用能高效催化氧气还原的物质作电催化剂。多孔气体扩散电极以活性炭作载体，以Pt．Ag，Ni等作电催化剂。2023/1/1117下一页最后页上一页第一页优点：比能量高，放电电压平稳，工作电流平稳，大电流放电时性能好，贮存时间长，无环境污染。缺点：输出功率低用途：用于便携式通风设备、雷达装置、铁路和航海讯号，仪器的电源等.注意：正在设法开发高能二次电池2023/1/1118下一页最后页上一页第一页

3.锌─氧化银电池（录像）

电池表达式：(-)Zn│KOH│Ag2O,C(+)

负极反应：

Zn+2OH--2e→ZnO+H2O

正极反应：

Ag2O+H2O+2e→2Ag+2OH-

电池反应：

Zn+Ag2O→ZnO+2Ag

电动势：

E=1.605v碱性锌—氧化银电池以锌粉为负极．以氧化银粉压制成正极，电解液为饱和了锌酸盐的浓碱溶液(20％一45％)。其电池表达式为：2023/1/11192023/1/1120下一页最后页上一页第一页

优点：

能量密度高、容量大，好的大电流放电性能，放电性能平稳，低温性能好，储存寿命长，电池内阻基本不变。缺点：

Ag的应用成本高，限制了其使用范围。用途：可用于可以不计成本的军事、航天如鱼雷、潜艇、火箭、卫星等电源。在民用方面，以纽扣电池为主广泛用于助听器，摄象机、计算器等电子装置上。可开发成二次电池。2023/1/1121下一页最后页上一页第一页四、锂电池（一）概述

1.定义：

锂电池是负极用金属锂或锂合金化合物的一类电池的总称。

2.性质：(1).理论容量：由于锂是最轻的金属(密度为0.534g·cm-3)，容量较高，约为锌的4.7倍(2).电压输出功率：锂的电负性最低，电极电势负值最高，因此锂电池的电压高达4v以上，输出能量超出200w·h·kg-12023/1/1122下一页最后页上一页第一页

3.优点：电池容量大，工作电压高，工作温度范围大（-70~40℃），电功率大，放电性能平稳。前景广阔。

4.缺点：

安全性欠佳，价格较高，生产工序复杂。

5.用途：用于手机电池等。

6.电解液的选择：2023/1/1123由于锂高的电化学活泼性，因此，锂电池一般采用有机溶剂作为电解液。电解液最重要的性能有：1、必须是质子惰性的；2、必须不与金属锂及正极物料发生反应；3、必须有高的离子传导性能；4、应在一个宽的温度范围内保持为液态；5、应具有适宜的物理性能，如低的饱和蒸气压、无毒性等。

2023/1/1124一般用作锂电池中电解液的有机溶剂：乙腈(AN)，2-甲亚砜(DMSO)，碳酸丙烯酯(PC)，1，2—二甲氧基乙烷(DME)，γ-丁内酯(γ-BL)等，无机溶剂有：亚硫酰氯(SOCl2)，硫酰氯(SO2C12)。支持电解质有：LiClO4，LiAsF6，LiBF4，LiPF6，LiCl，LiAlCl4等。2023/1/1125下一页最后页上一页第一页7.种类（1）按是否可以充电分为：一次电池，二次电池（2）按电解质的种类可分为：可溶正极锂电池，固体正极锂电池，固体电解液锂电池。（二）几种锂电池一、可溶正极锂电池：2023/1/1126下一页最后页上一页第一页（1)Li/SO2电池电池表达式为：(-)Li│LiBr,乙腈│SO2│C(+)

电极:正极为多孔的C和SO2，SO2以液态形式加到电解质溶液内，Li为负极，电池反应：2Li+2SO2→Li2S2O4优点：输出功率高，低温性能好，贮存寿命长。(SO2溶于电解液中，与Li反应产生放电现象，同时生成了Li2S2O4保护膜，阻止了自放电的进一步发生以及容量损失，同时也导致了该电池的电压滞后现象。圆柱形结构，见图3.72023/1/11272023/1/1128上一页第一页（2）Li/SOCl2电池

电池表达式为

：(-)Li│LiAlCl4,SOCl2│C(+)

电极：以多孔C作为正极，SOCl2既是溶剂，又是正极活性物质，常采用乙炔黑和聚四氟乙烯等混合后，制成薄片状，压制在镍网上，负极是压制在镍网上的锂箔。目录总目录2023/1/1129电池的化学反应是：放热反应）电池采用卷绕式全密封结构，早期已用作心脏起搏器的电池。电池的开路电压为3.6V，典型的工作电压范围在3.3～3.5V，放电截止电压为3V。与Li／SO2电池一样，放电电压十分平稳，特别是以小电流放电时，电压非常平稳且基本无容量损失。2023/1/1130但Li／SOCl2电池的安全性能较差，曾经引发过爆炸，因此使用时应注意避免短路、过放电，在贮存和使用时注意温度不能太高，这样可避免高温下Li与S的热反应。（2）Li/SO2Cl2

电池

电池表达式为

：(-)Li│LiAlCl4,SO2Cl2│C(+)硫酰氯2023/1/1131从反应可以看出，由于Li／SO2C12电池反应产物中无S生成，所以就不会有Li和S的放热反应而引起的