資源簡介

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第四章 化學反應與電能
第一節 原電池
第二課時 化學電源
從原電池到化學電源
1800年
1836年
1860年
伏打電池
丹尼爾電池
普通鋅錳干電池
A
電池的發展史
結構簡單
一次電池
反復使用
二次電池
連續工作
燃料電池
新型電池
負極 LixCy
電池的發展史
電池的發展史
化學電源
1.化學電源的分類
一次電池：
二次電池：
燃料電池：
又叫干電池，放電后不可再充電的電池。
又稱可充電電池或蓄電池，放電后可以再充電而反復使用的電池。
一種連續將燃料和氧化劑的化學能直接轉化為電能的化學電源。
2.判斷電池優劣的主要標準
(1)比能量：單位質量或單位體積所能輸出電能的多少，單位是(W·h)·kg－1或(W·h)·L－1。
(2)比功率：單位質量或單位體積所能輸出功率的大小，單位是W·kg－1或W·L－1。
(3)電池可儲存時間的長短。
一次電池
結構簡單的一次電池
一次電池—普通鋅錳電池
普通鋅錳電池放電時發生的總反應為
Zn+2MnO2 + 2NH4Cl =ZnCl2+Mn2O3+2NH3+H2O
結合示意圖及反應原理分析，該電池放電時電極反應中的正負極反應物、離子導體分別是什么，并寫出電極反應式
鋅筒
石墨棒
MnO2和C
NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等糊狀物
一次電池—普通鋅錳電池
寫出鋅錳干電池的電極反應方程式。
負極：————————————————
正極：————————————————
問：通常我們可以通過干電池的外觀上的哪些變化判斷它已經不能正常供電了？
_____________________________
Zn-2e-=Zn2+
2MnO2+2NH4++2e-=Mn2O3+2NH3+H2O
鋅筒變軟，電池表面變得不平整
反應物 離子導體
負極：Zn 正極：MnO2 NH4Cl
一次電池—普通鋅錳電池
優點：
結構簡單、價格低廉
缺點：
保存時間短、電壓下降快
一次電池—堿性鋅錳電池
堿性鋅錳電池放電時發生的總反應為
Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2
結合示意圖及反應原理分析，該電池放電時電極反應中的正負極反應物、離子導體分別是什么，并寫出電極反應式
一次電池—堿性鋅錳電池
Zn – 2e– + 2OH－ = Zn(OH)2
MnO2 + H2O +e– = MnO(OH) + OH－
總反應：Zn＋2MnO2＋2H2O=2MnO(OH)+Zn(OH)2
負極
材料：
Zn
正極
材料：
MnO2
反應：
電解質（離子導體）：
KOH
反應：
一次電池—堿性鋅錳電池
堿性鋅錳電池比普通鋅錳電池性能好，它的比能量和可儲存時間均有提高，是普通鋅錳干電池的升級換代產品。
堿性鋅錳電池容量高，能大電流連續放電。還具有優良的低溫性能、儲存性能和防漏性能。
一次電池—銀-鋅電池
負極反應物
正極反應物
電解質
負極反應
正極反應
總反應
Zn
Ag2O
KOH
Ag2O＋H2O＋2e－=2Ag＋2OH－
Zn＋2OH－－2e－===Zn(OH)2
Zn＋Ag2O＋H2O===Zn(OH)2＋2Ag
一次電池—銀-鋅電池
銀-鋅電池優點：比能量大、電壓穩定，儲存時間長，適宜小電流連續放電。廣泛用于電子手表、照相機、計算器和其他微型電子儀器。
一次電池存在什么問題？如何改進？
電壓隨著使用時間延長而下降
因為這種電池能充電，可以反復使用，所以稱它為“蓄電池”，也即二次電池。
當電池使用一段使電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。
二次電池
法國人普蘭特于1859年發明鉛酸蓄電池，已經歷了近150年的發展歷程，鉛酸蓄電池在理論研究方面，在產品種類及品種、產品電氣性能等方面都得到了長足的進步，不論是在交通、通信、電力、軍事還是在航海、航空各個經濟領域，鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用。
鉛酸蓄電池
二次電池—鉛蓄電池
鉛酸蓄電池放電時發生的總反應為
Pb＋PbO2＋2H2SO4 = 2PbSO4＋2H2O
充電時反應與該過程相反
結合示意圖及反應原理分析，該電池放電時電極反應中的正負極反應物、離子導體分別是什么，并寫出電極反應式
二次電池—鉛蓄電池
正負極材料
正極：PbO2
負極：Pb
電解質：H2SO4溶液
鉛酸蓄電池放電時發生的總反應：Pb＋PbO2＋2H2SO4 = 2PbSO4＋2H2O
① 放電過程：
Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4=2PbSO4(s)+2H2O
Pb(s) + SO42- -2e- =PbSO4 (s)
正極：
PbO2(s) + 4H++SO42- +2e- =PbSO4 (s) +2H2O
氧化反應
還原反應
負極：
二次電池—鉛蓄電池
正負極材料
正極：PbO2
負極：Pb
電解質：H2SO4溶液
鉛酸蓄電池放電時發生的總反應：Pb＋PbO2＋2H2SO4 = 2PbSO4＋2H2O
②充電過程：
PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42-
還原反應
陰極：
陽極：
氧化反應
接電源負極
接電源正極
PbSO4 (s)+2H2O -2e- = PbO2(s) + 4H++ SO42-
2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4
二次電池—鉛蓄電池
問：鉛蓄電池解決了電池二次使用問題，它有哪些缺點？
比能量低、壽命短、產業鏈鉛污染……
二次電池—鎳氫電池
H2 + 2NiOOH 2Ni(OH)2
放電
充電
鎳氫電池總反應：
電解質液為KOH溶液， 請寫出的電極反應式。
正極：
負極：
放電
陽極：
陰極：
充電
H2 - 2e- + 2OH- = 2H2O
2NiOOH +2 e- + 2H2O = 2Ni(OH)2 +2 OH-
2H2O +2 e- = H2 + 2OH-
2 Ni(OH)2 －2 e- + 2OH-= 2NiOOH +2 H2O
優點：能量密度高；無鎘污染，是一種綠色電池；可大電流快速充放電；電池工作電壓為1.2V；
應用：在小型便攜電子器件、電動工具、電動車輛和混合動力車上逐步得到應用。
二次電池—鋰離子電池
1958年10月5日，瑞典的一家醫院中，醫生為心臟病病人植入了世界上首例埋藏式心臟起搏器，該病人幸運地依賴起搏器使他的生命延續了42年，終年83歲，一生共消耗25臺心臟起搏器。
鋰離子電池具備什么特點？
體積小、質量輕、比能量高
轉移1mol 電子時消耗金屬的質量
金屬 Li Na Mg Al K Ca Fe Ni Zn Pb
質量 /g 7 23 12 9 39 20 28 29.5 32.5 103.5
二次電池—鋰離子電池
鋰離子電池中不含有金屬態的鋰，鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。它是把鋰離子嵌入碳（石油焦炭/石墨）中形成負極。
正極材料常用LixMO2 ： LiCoO2、LixCoO2 、LiFePO4、Li2FePO4、Li2Mn2O4、LixMnO4、LixNiO2。
電解液使用非水液態有機電解質：LiPF6+二乙烯碳酸酯（EC）+二甲基碳酸酯（DMC）。
二次電池—鋰離子電池
反應過程：充電時，Li＋從 晶體中脫嵌，由 極回到 極，嵌入石墨中。放電時，Li＋從石墨中脫嵌移向 極，嵌入鈷酸鋰晶體中，這樣在放電、充電時，鋰離子往返于電池的正極、負極之間完成化學能與電能的相互轉化。
正
鈷酸鋰
正
負
電池總反應：
LixCy + Li1-xCoO2 = LiCoO2 + Cy
負極：LixCy - xe- = xLi+ + Cy
正極：Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- = LiCoO2
隨堂訓練
1．下列是四個化學反應，理論上不可用于設計原電池的化學反應是（ ）
A．2Al + 2NaOH + 2H2O = 2NaAlO2 + 3H2↑
B．2H2O 2H2 + O2
C．2FeCl3 +Fe = 3FeCl2
D．CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
B
隨堂訓練
2．把A、B、C、D四種金屬浸在稀硫酸中，用導線兩兩相連可以組成各種原電池，若A、B相連時，陰離子移向A；C、D相連時，D上有氣泡逸出；A、C相連時，A極減輕；D插入B的鹽溶液中有B析出。則四種金屬的活潑性順序由大到小排列為（ ）
A．A>B>C>D B．A>C>B>D
C．A>C>D>B D．B>D>C>A
C
隨堂訓練
3．微型銀—鋅電池可用作電子儀器的電源，其電極分別是Ag/Ag2O和Zn，電解質為KOH溶液，電池總反應為Ag2O + Zn + H2O = 2Ag + Zn(OH)2，下列說法正確的是（ ）
A．電池工作過程中，KOH溶液濃度降低
B．電池工作過程中，電解液中OH-向正極遷移
C．負極發生反應Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2
D．正極發生反應Ag2O + 2H+ + 2e- = 2Ag + H2O
C
隨堂訓練
4．如圖是鉛蓄電池構造示意圖，下列說法錯誤的是（ ）
A．鉛蓄電池充電時電能轉化為化學能
B．電池放電時，電子由Pb板通過導線流向PbO2板
C．電池放電時，H＋移向PbO2板
D．負極反應：Pb ＋ 2e- ＋ = PbSO4
D
隨堂訓練
5．一種新型的鋰-空氣電池的工作原理如圖所示。
關于該電池的說法中正確的是（ ）
A．當有22.4LO2被還原時，溶液中有4mol Li+向多孔碳電極移動
B．可將有機電解液改為水溶液
C．金屬鋰作正極，發生氧化反應
D．電池總反應為4Li+O2+2H2O=4LiOH
D

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