《化学电源》课件

第四章电化学基础第二节化学电源第一页，共39页。第一页，共39页。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第二页，共39页。第二页，共39页。［学与问］在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知道电池的其它应用吗？电池化学电池太阳能电池原子能电池将化学能转换成电能的装置将太阳能转换成电能的装置将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转变为电能的装置碱性锌锰电池、锌银电池、铅蓄电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池等。广泛应用于通讯、交通、文化、办公及家用电子产品。高科技、军事、生产行业也有特殊应用。第三页，共39页。第三页，共39页。【思考】①目前化学电池主要分为哪几个大类？在性能等方面它们各有什么特点？产生电能的基本原理是什么？②化学电池与其他能源相比有哪些优点？③判断电池的优劣标准主要是什么？第四页，共39页。第四页，共39页。知识点1：化学电池1)概念:将化学能变成电能的装置2)分类:①一次电池又称不可充电电池——如：干电池②二次电池又称充电电池——蓄电池③燃料电池3)优点:4)电池优劣的判断标准:①能量转换效率高，供能稳定可靠。②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。③易维护，可在各种环境下工作。①比能量［符号(W·h/kg)，(W·h/L)］指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少②比功率[符号是W/kg，W/L)]指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小③电池的储存时间的长短第五页，共39页。第五页，共39页。锂电池干电池叠层电池纽扣电池知识点2：各类电池第六页，共39页。第六页，共39页。空气电池小型高性能燃料电池

第七页，共39页。第七页，共39页。1、干电池(普通锌锰电池）干电池用锌制桶形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充NH4Cl、ZnCl2和淀粉作电解质溶液，还填充MnO2的黑色粉末吸收正极放出的H2，防止产生极化现象。电极总的反应式为：Zn+2MnO2+2NH4Cl=ZnCl2+Mn2O3+2NH3+H2O一、一次电池第八页，共39页。第八页，共39页。练：写出锌锰干电池的电极反应和总化学反应方程式。负极————————————————正极————————————————总反应———————————————通常我们可以通过干电池的外观上的哪些变化判断它已经不能正常供电了？_____________________________我们在使用干电池的过程中并没有发现有气体产生，请推测可能是干电池中的什么成分起了作用？Zn-2e-=Zn2+锌筒变软，电池表面变得不平整MnO2第九页，共39页。第九页，共39页。碱性锌-锰干电池负极：正极：电池反应：电解质：KOH——Zn——MnO2Zn+2OH--2e-

=Zn(OH)22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2［思考］该电池的正负极材料和电解质．第十页，共39页。第十页，共39页。1.干电池负极:Zn－2e-＝Zn2＋

普通锌锰干电池：（-）ZnZnCl2、NH4Cl（糊状）石墨(ＭnO2)(+)

正极:2NH4+＋2e-＝2NH3↑＋H2↑总电池反应方程式：2NH4Cl＋Zn＝ZnCl2＋2NH3↑＋H2↑

缺点：放电量小，放电过程中易气涨或漏液改进后碱性锌锰电池的优点：电流稳定，放电容量、时间增大几倍，不会气涨或漏液。Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2第十一页，共39页。第十一页，共39页。2、迷你型电池优点：电压高、稳定，低污染。用途：手表、相机、心率调节器

HgO（S）+Zn（S）=Hg（l）+ZnO（S）

Ag2O（S）+Zn（S）=2Ag（l）+ZnO（S）第十二页，共39页。第十二页，共39页。3、锂电池锂电池：（-）Li（S）LiI（晶片）I2(+）

锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S负极：

；正极：

。用途：质轻、高能(比能量高)、高工作效率、高稳定电压、工作温度宽、高使用寿命，广泛应用于军事和航空领域。8Li-8e-=8Li+3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S第十三页，共39页。第十三页，共39页。铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池……1.铅蓄电池1)正负极材料正极：PbO2负极：Pb2)工作机制电解质：H2SO4溶液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二、二次电池第十四页，共39页。第十四页，共39页。放电过程总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4=2PbSO4(s)+2H2OPb(s)+SO42--2e-=PbSO4(s)正极：PbO2(s)+4H++SO42-+2e-=2PbSO4(s)+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第十五页，共39页。第十五页，共39页。Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO42PbSO4(s)+2H2O(l)①充电过程PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-

还原反应阴极：阳极：2PbSO4(s)+2H2O-2e-=PbO2(s)+4H++2SO42-氧化反应接电源负极接电源正极充电过程总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4铅蓄电池的充放电过程：放电充电第十六页，共39页。第十六页，共39页。3)优缺点简析缺点：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、价格低廉其它二次电池镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池……第十七页，共39页。第十七页，共39页。银-锌蓄电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可以表示为：2Ag+Zn(OH)2Ag2O+Zn+H2O放电充电此电池放电时，负极上发生反应的物质是（）A.AgB.Zn(OH)2C.Ag2OD.ZnD电极反应：负极：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2正极：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-2、银锌蓄电池第十八页，共39页。第十八页，共39页。3、镉镍电池NiO2+Cd+2H2ONi(OH)2+Cd(OH)2

放电充电负极材料：Cd；正极材料：涂有NiO2，电解质：KOH溶液。反应式如下：写出电极反应式。特点：比铅蓄电池耐用，可密封反复使用。第十九页，共39页。第十九页，共39页。镍—镉可充电电池可发生如下反应：Cd+2NiO(OH)+2H2O由此可知，该电池的负极材料是Cd(OH)2+2Ni(OH)2放电充电A.Cd

（A

）B.

NiO(OH)

D.Ni(OH)2C.Cd(OH)2电极反应：负极：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2

正极：2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-第二十页，共39页。第二十页，共39页。大有发展前景的燃料电池

燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气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。目前燃料电池的能量转化率可达近80%，约为火力发电的2倍。这是因为火力发电中放出的废热太多。燃料电池的噪声及硫氧化物、氮氧化物等废气污染都接近零；燃料电池发明于19世纪30年代末，经反复试验、改进，到20世纪60年代才开始进入实用阶段。第一代燃料电池的

大致情况如下：

(三)燃料电池第二十一页，共39页。第二十一页，共39页。新型燃料电池燃料电池不是把还原剂、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，同时将电极反应产物不断排出电池第二十二页，共39页。第二十二页，共39页。燃料电池

优点：能量转化率高，可持续使用，对环境友好用途：宇宙飞船，应用前景广阔负极

:2H2+4OH-－4e-＝4H2O正极

:O2+2H2O＋4e-＝4OH-总反应方程式：

2H2＋O2＝2H2O（-）Ni（多孔）KOH（溶液）NiO2(+）

第二十三页，共39页。第二十三页，共39页。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+4H+

+4e-=2H2O2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-第二十四页，共39页。第二十四页，共39页。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-+2O2－=2H2O

O2+4e-=2O2－

2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O第二十五页，共39页。第二十五页，共39页。航天技术上使用的一种电池，它具有高能、轻便、不污染环境等优点。用Pt做电极，KOH溶液做电解液，因其反应与氢氧燃烧相似，故称为氢氧燃烧电池。请写出各电极的电极反应。氢氧燃料电池若将氢气换成甲烷，写出各电极的电极反应Pt电极H2O2氢氧燃料电池模拟KOH第二十六页，共39页。第二十六页，共39页。氢氧燃料电池使用氢氧燃料电池动力的法国产标TAXI第二十七页，共39页。第二十七页，共39页。将铂丝插入KOH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，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，通入甲烷的一极为____，这一极的电极反应为___________________；通入氧气的一极为_______，电极反应为总反应为__________________________。负极CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O正极O2+4e-+2H2O=4OH-CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O若将氢气换成甲烷，写出各电极的电极反应第二十八页，共39页。第二十八页，共39页。书写电极反应式应注意以下几点：1．确定原电池的正负极，弄清正负极上发生反应的物质；2.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“拆”、“平”）；3．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；第二十九页，共39页。第二十九页，共39页。4．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)；5．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-。第三十页，共39页。第三十页，共39页。迅猛发展的绿色环保电池是指近年来研制、开发和已投入使用的高性能、无污染电池。金属氢化物镍电池与镉镍电池有相同的工作电压(12伏)，但由于采用了稀土合金或TiNi合金储氢材料作为负极活性物质，取代了致癌物质镉，使其成为一种绿色环保电池。锂离子蓄电池系由碳作负极，嵌锂的金属氧化物作正极和有机电解质构成，其工作电压为36伏，因此一个锂离子电池相当三个镉镍或金属氢化物镍电池。可充电碱锰电池是在碱性锌锰原电池基础上发展起来的，由于应用了无汞化的锌粉及新型添加剂，不仅保持了原电池的电流放电特性，而且能充电使用几十次至几百次。太阳能电池利用P—N结的光电效应，把太阳光能直接转换成电能，满足用户需要。这种发电具有无需燃料、无污染、无噪声、运行简单可靠、减少维护、建设周期短等特点，已被空间和无常规能源的地域广泛采用。绿色电池种种第三十一页，共39页。第三十一页，共39页。电池的发展方向光电池使用方便,特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展,促使其应用更加快捷.美,日,欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划,开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性,降低成本,不断扩大产业.目前已有80多个国家和地区形成商业化,半商业化生产能力,市场开拓从空间转向地面系统应用。第三十二页，共39页。第三十二页，共39页。课堂总结1、仅有一个电极材料参与反应的原电池：

负极：M-xe=Mx+

正极：析氢或吸氧或析出不活泼金属2、两个电极均参与反应的原电池（如蓄电池，纽扣电池）①电极材料：金属为负极，金属化合物为正极．第三十三页，共39页。第三十三页，共39页。②电子得失均由两电极本身发生．③电极反应需考虑电解质溶液的参与．

3、电极材料本身均不参与反应的电池（燃料电池）①两电极材料均为惰性电极．②负极－可燃性气体失电子，正极－助燃性气体得电子．③电极反应考虑电解质溶液．第三十四页，共39页。第三十四页，共39页。1、在含有H2S气体的空气中，银器表面易变黑（生成了Ag2S），为了除去银器表面Ag2S，可采用如下方法：在一个铝制的容器中放入食盐溶液，将银器浸入食盐溶液，使银器与铝接触良好．过一段时间，银器表面变为银白色，并闻到臭鸡蛋的气味，观察到有少量白色絮状沉淀生成，请用电极反应式和离子方程式表示上述过程．巩固练习负极：Al-3e-=Al3+正极：Ag2S+2e-=2Ag+S2-总反应：2Al+3Ag2S+6H2O=6Ag+2Al(OH)3+3H2S￪第三十五页，共39页。第三十五页，共39页。2、熔融盐燃料电池具有较高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极燃气，制得在65℃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：总反应式：O2+4e-+2CO2=2CO32-2CO+O2=2CO2第三十六页，共39页。第三十六页，共39页。3.锂电池是一代新型高能电池，它以质量轻、能量高而受到了普遍重视，目前已研制成功多种锂电池，某种锂电池的总反应为Li+MnO2=LiMnO2,下列说法正确的是（）A、Li是正极，电极反应为Li－e-=Li+B、Li是负极，电极反应为Li－e-=Li+C、Li是负极，电极反应为MnO2+e-=MnO2–D、Li是负极，电极反应为Li－2e-=Li2+B第三十七页，共39页。第三十七页，共39页。4、1991年我国首创以铝、空气、海水电池为能源的新型海水标志灯已经研制成功。该灯以海水为电解质溶液，靠空气中