化学电源 (人教版选修4)

第四章电化学基础第二节化学电源第1课时新课标人教版高中化学课件系列选修4化学反应原理2023/2/41形形色色的电池

A

CuZn

稀H2SO4KOH溶液

CH4O2

H2Oa极b极化学电源2023/2/42形形色色的电池化学电源2023/2/43用途广泛的电池用于汽车的铅蓄电池和燃料电池化学电源2023/2/44用途广泛的电池用于“神六”的太阳能电池笔记本电脑专用电池手机专用电池摄像机专用电池各式各样的纽扣电池化学电源2023/2/451、化学电池化学电池是将化学能转变为电能的装置。它主要包括一次电池、二次电池、燃料电池。一次电池（干电池）：活性物质消耗到一定程度，就不能使用；二次电池（充电电池或蓄电池）：放电后可以再充电使活性物质获得再生；燃料电池：一种连续将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。化学电源2023/2/462、化学电池的分类化学电池一次电池二次电池燃料电池碱性锌锰电池铅蓄电池氢氧燃料电池锂离子电池银锌蓄电池普通锌锰干电池锌银纽扣电池化学电源2023/2/473、化学电源的组成正极：常选用金属氧化物负极：常选用较活泼金属与活性物质一起构成电极的添加剂一般有：导电剂、粘结剂、缓蚀剂等。电解液：高导电率，化学稳定性好、不易挥发、易于长期贮存隔膜：较高离子传输能力，较低电子导电能力，好的化学稳定性和一定的机械强度。化学电源2023/2/484、衡量电池优劣的指标比能量：电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少，符号(W·h)/kg,(W·h)/L比功率：电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小，符号W/kg,W/L储存时间：电池的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、功率大、储存时间长的电池，更适合使用者的需要。化学电源2023/2/49一、一次电池(又叫干电池)普通锌锰电池碱性电池

锌筒石墨棒MnO2和C普通锌-锰干电池的结构NH4Cl、ZnCl2

和H2O等1、普通干电池负极正极电池反应：（Zn）：Zn–2e-=Zn2+（MnO2和C）：优点：制作简单、价格便宜。缺点：放电时间短，电压下降快。2NH4++2MnO2+2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2OZn+2NH4++2MnO2=Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O一次电池2023/2/410随着用电器朝着小型化、多功能化发展的要求，对电池的发展也提出了小型化、多功能化发展的要求。体积小、性能好的碱性锌－锰电池应运而生。这类电池的重要特征是电解液由原来的中性变为离子导电性更好的碱性，负极也由锌片改为锌粉，反应面积成倍增长，使放电电流大幅度提高。一次电池2023/2/4112、碱性锌-锰干电池电解质：KOH负极：——ZnZn+2OH--2e-

=Zn(OH)2正极：——MnO22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电电池反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2氢氧化氧锰一次电池2023/2/4123、锌银钮扣电池正极：Ag2O+H2O+

2e-=2Ag+2OH-负极：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2锌银电池的负极是Zn，正极是Ag2O，电解质是KOH。总反应:Zn+Ag2O+H2O＝2Ag+Zn(OH)2一次电池2023/2/4134、锂电池锂是密度最小的金属，用锂作为电池的负极，跟用相同质量的其他金属作负极相比较，使用寿命大大延长。一次电池2023/2/4144、锂电池（非水有机溶剂电解液）负极：2Li-2e-=2Li+，正极：I2+2e-=2I-，总反应：2Li+I2=2LiI跟其它金属作负极相比，使用寿命延长，高能、质轻、电压高、工作效率高、储存寿命长。为什么？与作负极材料的金属相比较，相同质量时锂提供电子数最多。一次电池2023/2/415二、二次电池1、铅蓄电池铅蓄电池是以平行排列的铅、铅锑合金或铅钙合金栅板为主架，栅格中交替地填充着负极和正极地铅和二氧化铅，电解质为H2SO4溶液。H2SO4二次电池特点：又称充电电池或蓄电池，放电后可以再充电，使活性物质可以获得再生。这类电池可反复多次使用。二次电池2023/2/416放电过程总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2OPb+SO42--2e-=PbSO4

正极：PbO2+4H++SO42-+2e-=PbSO4+2H2O

氧化反应

还原反应负极：①放电过程铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程二次电池2023/2/417②充电过程PbSO4+2e-=Pb+SO42-

还原反应阴极：阳极：PbSO4+2H2O-2e-=PbO2+4H++SO42-

氧化反应接电源负极接电源正极充电过程总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4铅蓄电池的充放电过程：Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放电充电二次电池2023/2/418缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉二次电池2023/2/419(白色沉淀)过程放电过程充电过程负极反应正极反应两电极质量硫酸溶液能量转换Pb(铅)→PbSO4(硫酸铅)PbO2→PbSO4增加硫酸浓度变小,密度变小化学能→电能PbSO4→

PbO2PbSO4(硫酸铅)→

Pb(铅)减少硫酸浓度变大,密度变大电能→化学能(负极)(正极)(电解液)电池反应Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O放电充电二次电池2023/2/4202.镍氢电池圆柱可充镍氢电池

方形可充镍氢电池

镍氢（MH-Ni)电池负极：1/2H2+OH--e-=H2O正极：NiOOH+H2O+e-=Ni(OH)2+OH-电池反应：1/2H2+NiOOHNi(OH)2

放电充电二次电池2023/2/421能量密度高；无镉污染，是一种绿色电池；可大电流快速充放电；电池工作电压为1.2V；在小型便携电子器件、电动工具、电动车辆和混合动力车上逐步得到应用。Ni/MH电池优点：二次电池2023/2/4223.锂离子电池电池式：电池反应：LiCoO2＋C6CoO2＋LiC6

二次电池2023/2/423锂离子电池的优越性能

相对于传统的镉镍电池(Ni/Cd)和氢镍电池(Ni/MH),锂离子电池的电压大约是它们的3倍;重量比能量密度提高了约3倍;对于同样的功率消耗，锂离子电池的使用期限约为镍镉电池的2.25~2.57倍.现在锂离子电池已经是电子信息产品设计人员的普通配置.1.工作电压高2.比能量大3.循环寿命长4.自放电率低5.无记忆效应6.污染小二次电池2023/2/424电池名称电压主要优缺点普通电池（锌锰电池）1.5V优点：使用方便，便宜。缺点：寿命、存放期短，约1.5年，不能充电。碱性锌锰电池1.5V优点：电容量大，使用寿命长。缺点:不能充电，价格较高。锌银纽扣电池1.5V优点：体积和质量都小，寿命长，约2年缺点：不能充电，价格高。镍镉电池1.3V优点：体积小，质量轻，寿命长，可充放电约3000次。缺点：价格高。铅蓄电池2V优点：电压稳，电容量大，可充电便宜。缺点：笨重，防震性差，不防漏部分主流产品供电基本原理、性能和相对价格二次电池一次电池一次电池二次电池2023/2/425三、燃料电池燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转换成电能的化学电池。（氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气燃料电池……）1、氢氧燃料电池酸性电解质：碱性电解质负极:2H2-4e-+4OH-==4H2O正极:O2+2H2O+4e-==4OH-总反应:2H2+O2==2H2O负极：2H2-4e-==4H+正极：O2+4H++4e-==2H2O总反应：2H2+O2==2H2O燃料电池2023/2/426燃料电池2023/2/427燃料电池介质电池反应：2H2+Ｏ２=2H2O

酸性负极正极中性负极

正极碱性负极正极2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-燃料电池2023/2/428书写电极反应式应注意以下几点2．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+4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32-形式存在）；1．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一极反应；3．溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它与H+结合成H2O、在碱性或中性溶液中它与水结合成OH-；燃料电池2023/2/4292、铝-空气-海水电池

1991年，我国首创，用作海上标志灯。以海水为电解液，靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。

负极：4A1-12e-

＝4A13+

正极：3O2+6H2O+12e-

＝12OH-

电池总反应式：4A1+3O2+6H2O＝4A1(OH)3

这种海水电池比“干电池”的能量高20～50倍。燃料电池2023/2/4303、甲烷-氧燃料电池该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极上分别通甲烷和氧气:

负极：CH4+10OH--8e-

＝CO32-+7H2O

正极：2O2+4H2O+8e-

＝8OH-

电池总反应式：CH4+2O2+2KOH＝K2CO3+3H2O思考：甲醇燃料电池（电解质为KOH）燃料电池2023/2/431燃料电池介质左边多一个氧原子左边少一个氧原子酸性+2H+

H2O+H2O2H+中性+H2O

2OH-

+H2O2H+碱性+H2O

2OH-+2OH-H2O结合氧原子结合氧原子结合氧原子提供氧原子提供氧原子提供氧原子燃料电池2023/2/432固体燃料电池介质电池反应：2H2+Ｏ２=2H2O

负极正极负极

正极2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O2H2-4e-+2O2－=2H2O

O2+4e-=2O2－

燃料电池2023/2/433小结:①燃料电池的能量转化率很高，氢氧燃料电池除能量转化率高外还可持续使用，不污染环境。②一般的可燃物均可与O2组成燃料电池，如H2、CO、CH4、乙醇等。③燃料电池一般以碱性介质作电解液，也可用酸性介质作电解液，二者电极反应式是有区别的。如甲烷-氧燃料电池在酸性介质中的电极反应为：负极：CH4+2H2O-8e-

＝CO2+8H+

正极：2O2+8H++8e-＝4H2O

总反应式为：CH4+2O2＝CO2+2H2O燃料电池2023/2/434负极：Al+4OH－—3e-=AlO2－

+2H2O正极：2H2O+2e-=H2+2OH－

总：2Al+2OH－

+2H2O=2AlO2－

+3H2

负极：Cu—2e-=Cu2+正极：2H++NO3－

+e-=NO2+H2O总：Cu+4H++2NO3－=2NO2+Cu2++2H2O燃料电池2023/2/435心脏起博器中用了这样一个原电池(示意图)：已知人体血液的pH值在7.35～7.45之间。将心脏起博器，植入如图红色区域静脉血管内，请写出电极反应式并分析其工作原理。放出电脉冲进行工作Zn-负极，Pt-正极；人体体液作电解质，溶解氧做氧化剂。负极反应：2Zn-4e+4OH-=2Zn(OH)2

正极反应：O2+4e+2H2O=4OH-电池反应：2Zn+O2+2H2O=2Zn(OH)2燃料电池2023/2/4361、银器皿日久表面逐渐变黑色，这是由于生成硫化银，有人设计用原电池原理加以除去，其处理方法为：将一定浓度的食盐溶液放入一铝制容器中，再将变黑的银器浸入溶液中，放置一段时间后，黑色会褪去而银不会损失。试回答：在此原电池反应中，负极发生的反应为

；正极发生的反应为

；反应过程中产生臭鸡蛋气味的气体，原电池总反应方程式为

Al-3e-=Al3＋Ag2S+2e-=2Ag+S2-3Ag2S+2Al+6H2O=6Ag+2Al(OH)3↓+3H2S↑思考燃料电池2023/2/4372.熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物做电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：负极反应式：2CO+2CO32-

=4CO2+4e-正极反应式：

总电池反应：

2CO2+O2+4e-=2CO32-2CO+O2=2CO2燃料电池2023/2/4383.氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式是：

1/2H2+NiO(OH)Ni(OH)2据此反应判断，下列叙述中正确的是（）A.电池放电时，负极周围溶液的pH不断增大B.电池放电时，镍元素被氧化C.电池充电时，氢元素被还原 D.电池放电时，H2是负极CD放电充电燃料电池2023/2/4394.有人设计出利用CH4和O2的反应，用铂电极在KOH溶液中构成原电池。电池的总反应类似于CH4在O2中燃烧，则下列说法正确的是()①每消耗1molCH4可以向外电路提供8mole-②负极上CH4失去电子，电极反应式：

CH4+10OH-－8e-=CO32-+7H2O③正极上是O2获得电子，电极反应式为：

O2+2H2O+4e-=4OH-④电池放电后，溶液pH升高

A.①②③B.①③④C.①②④D.①②③④A燃料电池2023/2/440

5.“嫦娥一号”的成功发射，标志着我国航天技术已达到了一个新的领域。在航天技术上使用的氢氧燃料电池具有高能、轻便、无污染的优点。氢氧燃料电池有酸式和碱式两种，它们放电时的总反应都可以表示为2H2+O2=2H2O，酸式电池中电解质是酸，其负极反应可表示为2H2-4e-=4H+

，则其正极反应式为___________________________________________________。碱式电池的电解质是碱，其正极反应式为O2+2H2O+4e-=4OH-，则其负极反应可表示为___________________________________________________。O2+4e-+4H+=2H2O

2H2-4e-+4OH-=4H2O

燃料电池2023/2/441[思维拓展]

以镁条、铝片为电极，以稀NaOH溶液为电解质溶液构