資源簡介

(共32張PPT)
第四章 電化學(xué)基礎(chǔ)
第二節(jié) 化學(xué)電源
化學(xué)史：發(fā)明電池的故事
伏特是意大利帕維亞大學(xué)的研究電學(xué)的物理學(xué)家。有一天，伏特看 了一位名叫加伐尼的解剖學(xué)家的一篇論文，說動物肌肉里貯存著電，可 以用金屬接觸肌肉把電引出來。看了這篇論文，伏特非常興奮，便決定 親自來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。他用許多只活青蛙反復(fù)實(shí)驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)，實(shí)際情況 并不像加伐尼所說的那樣，而是兩種不同的金屬接觸產(chǎn)生的電流，才使 蛙腿的肌肉充電而收縮。
為了證明自己的發(fā)現(xiàn)是正確的，伏特決定更深入地了解電的來源。
為了紀(jì)念他的貢獻(xiàn)，人們把電壓的計(jì)量單位叫做伏特，簡稱伏，符 號V。比如我們手電筒里的電池的電壓是1.5伏特，我們家里的電燈的電 壓是220伏特。
伏特
負(fù)載
電器
正極(+)排氣口
燃料
進(jìn)口
1800年 1836年 1859年 1948年
教材P99科學(xué)史話：歷史上第一個(gè)化學(xué)電源
圖10-1-1 原電池裝置的發(fā)展歷程
原電池—→雛形、原理基礎(chǔ) 應(yīng)用 化學(xué)電源
伏打電堆 丹尼爾電池 鉛蓄電池 燃料電池
化學(xué)電源與原電池的關(guān)系：
1979年時(shí)間
裝置原型
鋰離子電池
就料電極 燃料室
氧化劑 進(jìn)口
負(fù)極(-)
稀硫酸
排氣口
氧化劑室
電流計(jì)
鹽橋
用于汽車的鉛蓄電池和燃料電池
應(yīng)用舉例
用于“神六”的太陽能 電池
筆記本電腦專 用電池
高性能燃料電池
攝像機(jī)專用電池
手機(jī)專用電池
紐扣電池
原子能電池
將放射性同位素自然衰變時(shí)產(chǎn)生的熱能通過熱能轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置
堿性鋅錳電池、鋅銀電池、鉛蓄 電池、鎘鎳電池、氫鎳電池、鋰 離子電池等。
廣泛應(yīng)用于通訊、交通、文化、 辦公及家用電子產(chǎn)品。高科技 軍事、生產(chǎn)行業(yè)也有特殊應(yīng)用。
將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置
太陽能電池
將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置
化學(xué)電源
電池
化學(xué)電池
二次電池：鉛蓄電池、鋰離子電池等
(可充電電池)
燃料電池：氫氧燃料電池、甲烷燃料電池等
1、化學(xué)電源的分類
一次電池：干電池
2、化學(xué)電池優(yōu)點(diǎn)
(1)能量轉(zhuǎn)換效率高，供能穩(wěn)定可靠。
(2)可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池和電池組，使用方便。
(3)易維護(hù)，可在各種環(huán)境下工作。
3、判斷電池優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)
( 1 ) 比 能 量 [符號(A ·h/kg),(A ·h/L)]
指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少 ( 2 ) 比 功 率 [符號是W/kg,W/L]]
指電池單位質(zhì)量或單位體積所能輸出功率的大小
(3)電池的儲存時(shí)間的長短
除特殊情況外，質(zhì)量輕、體積小而輸出電能 多、功率大、儲存時(shí)間長的電池，其質(zhì)量好。
二、一次電池
放電之后不可再充電的電池。一次電池中的電解質(zhì)溶液制成膠 狀，不流動，也叫干電池。
1.普通鋅錳干電池(酸 性)
(1)構(gòu)造：
鋅筒
石墨棒
NH CI、ZnCl 和 H O
等
MnO 和 C
普通鋅-錳干電池的結(jié)構(gòu)
(3)工作原理：
總反應(yīng)：Zn+2MnO +2NH CI=Mn O +ZnCl +2NH +H O 負(fù)極反應(yīng)：Zn—2e-=Zn2+
正極反應(yīng)：2 MnO +2NH ++2e-=Mn O +2NH 個(gè)+H O
鋅筒
石墨棒
NH CI、ZnCl 和 H O等
MnO 和 C
普通鋅-錳干電池的結(jié)構(gòu)
(2)組成
正極：石 墨 負(fù)極：Zn 電解質(zhì)：NH Cl糊
優(yōu)點(diǎn)：制作簡單、價(jià)格便宜。
缺 點(diǎn) ：放電時(shí)間短，電壓下降快。
2.堿性鋅錳干電池
(1)構(gòu)造：
鋅粉和KOH 的混合物
MnO
金屬外殼
優(yōu) 點(diǎn)：比能量和儲存時(shí)間有所提高 ,適用于大電流和連續(xù)放電
缺點(diǎn)： 只能一次使用， 不能 充電； 價(jià)格較貴
氫氧化氧錳
總反應(yīng)：Zn+2MnO +2H O=2MnO(OH)+Zn(OH)
負(fù)極反應(yīng)：Zn+2OH-2e==Zn(OH)
正極反應(yīng)：2 MnO +2er+2H O=2MnO(OH)+2OH-
(2)組成：
正極：MnO 負(fù)極：Zn
電解質(zhì)：KOH
(3)工作原理：
3.銀鋅電池
(1)構(gòu)造： 鋅負(fù)極
Ag,O 正極
浸了KOH(aq)的隔板 金屬外殼
(2)組成：
負(fù)極：Zn 正極：Ag O
電解質(zhì)：KOH
(3)工作原理：
這種電池能量大、電壓穩(wěn)定，儲存時(shí)間 長，適宜小電流連續(xù)放電，常制成紐扣 式電池，廣泛用于電子手表、照相機(jī)、 計(jì)算器和其他微型電子儀器。
總反應(yīng)：Zn+Ag 0+H O=Zn(OH) +2Ag
負(fù)極反應(yīng)：Zn+20H--2e-=Zn(OH)
正極反應(yīng)：Ag O+H O+2e-=2Ag+2OH-
一種用于心臟起博器的微型電池，具有容量大、壽命長和電壓穩(wěn)定特點(diǎn)。該電池的電
極材料分別是石墨和鋰，電解質(zhì)溶液為等物質(zhì)的量的LiCI、AICl 溶解在SOCl 中形成
的溶液。這種電池的總反應(yīng)為 8Li+3S0CI =6LiCl+Li SO +2S
則該電池的負(fù)極反為：8 Li-8e-=8Li+
正極反應(yīng)為：3 SOCl +8e-=SO +2S+6Cl
鋰一次電池
植入式心臟復(fù)律除顫器 (Implantable cardiac defibrillator,ICD)
4.鋰電池
Li—MnO 非水電解質(zhì)電 池 ：
負(fù)極——Li
正極——MnO
電解質(zhì)——LiC10 + 混合有機(jī)溶劑(碳酸丙烯脂+
二甲氧基乙烷)
總 反 應(yīng) Li+MnO =LiMnO
負(fù) 極 Li 一 e-=Li+
正 極 MnO +Li++e-=LiMnO
思考：和其它金屬作負(fù)極相比，使用壽命延長，高能、質(zhì)輕、電壓高、 工作效率高、儲存壽命長。為什么
與作負(fù)極材料的金屬相比較，相同質(zhì)量時(shí)鋰提供電子數(shù)最多。
三 .二 次 電 池
二次電池又稱為可充電電池或蓄電池，是一類放電后可以再充電而 反復(fù)使用的電池。
(1) 常見類型：鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池等；
(2) 特點(diǎn)：
放電：化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能；
充電：電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能。
放電時(shí)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)，
在充電時(shí)逆向進(jìn)行，使電池恢復(fù)到放電前的狀態(tài)。
(1)工作機(jī)制
稀硫酸
充電電池中能量的轉(zhuǎn)化關(guān)系： 化學(xué)能 龍電電 能 不是可逆反應(yīng) 組成：正極：PbO 負(fù)極：Pb 電解質(zhì)：H SO 溶液
三 、二次電池(充電電池或蓄電池):
1.鉛酸蓄電池
其電池反應(yīng)可以正向和逆向進(jìn)行，放電時(shí)為自發(fā)電池，充電時(shí) 為電解池，充電后電池容量得到恢復(fù)，充放電次數(shù)可達(dá)千百次。
(2)鉛
①放電過程
負(fù)極： Pb+SO --2e-=PbSO
正極：PbO +4H++SO -+2e-=PbSO +2H O
總反應(yīng)：Pb+PbO +2H SO =2PbSO +2H O
②充電過程
接電源負(fù)極陰極： PbSO +2e-=Pb+SO -
接電源正極陽極：PbSO +2H O-2e-=PbO +4H++SO -
總反應(yīng)：2PbSO +2H O=Pb+PbO +2H SO
優(yōu)點(diǎn)：可重復(fù)使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)格低廉
缺點(diǎn)：笨重，比能量低、廢棄電池污染環(huán)境
優(yōu)點(diǎn)：體積小便于攜帶，可重復(fù)使用500次以上，壽命比鉛蓄電池長。廣泛用 于收錄機(jī)、無線對講機(jī)、電子閃光燈、電動剃須刀等。
缺點(diǎn) ：鎘有致癌作用，廢棄的鎳鎘電池如不回收，會嚴(yán)重污染環(huán)境，有被鎳 氫電池取代的趨勢。
2. 堿性鎳鎘電池
(1)正極：Ni00H 負(fù)極：Cd 電解質(zhì)： KOH
(2)堿性鎳鎘電池工作原理
①放電過程
負(fù)極： Cd+2OH--2e-=Cd(OH)
正極：2NiOOH+2e-+2H O=2Ni(OH) +2OH-
總反應(yīng)：2NiOOH+Cd+2H O=2Ni(OH) +Cd(OH)
②充電過程
陰極： Cd(OH) +2e-=Cd+2OH-
陽 極 ： 2Ni(OH) +2OH--2e-=2NiOOH+2H O
總反應(yīng)：2Ni(OH) +Cd(OH) =2NiOOH+Cd+2H O
①放電過程
負(fù)極： H -2e-+2OH-=2H O
正極：2NiOOH+2e-+2H O=2Ni(OH) +2OH-
總反應(yīng)：H +2NiOOH =2Ni(OH)
②充電過程
陰極：2H O+2e-=H +20H-
陽極：2Ni(OHD) -2e=+2OH-=2NiOOH+2H O
總反應(yīng)：2Ni(OH) =H +2NiOOH
3.鎳氫電池工作原理
(1)負(fù)極材料：嵌鋰層狀石墨(LixC6)
正極材料：鈷酸鋰(Li -xCoO ) 電解液：鋰導(dǎo)電有機(jī)電解液
4. 鋰離子電池-一新一代可充電的綠色電池
石墨鈷酸鋰鋰離子電池結(jié)構(gòu)
Li
0鋁集流
鋰導(dǎo)電 有機(jī)電
銅集流
Li
(2)鋰
①放電過程
負(fù)極： LixC —xe-=6C+xLi+
正極：Li xCoO +xe-+xLi=LiCoO
總反應(yīng)：LixC +Li -xCoO =LiCoO +6C
②充電過程
陰極：6C+xe-+xLi+=LixC
陽極：LiCoO -xe-=Li xCoO +xLi+
總反應(yīng)：LiCoO +6C=LiC +Li xCoO
大有發(fā)展前景的燃料電池
燃料電池是利用氫氣、天然氣、甲醇等燃料與氧氣或 空氣進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)時(shí)釋放出來的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能 的一類原電池。目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率可達(dá)近80%,約 為火力發(fā)電的2倍。這是因?yàn)榛鹆Πl(fā)電中放出的廢熱太多。 燃料電池的噪聲及硫氧化物、氮氧化物等廢氣污染都接近 零；燃料電池發(fā)明于19世紀(jì)30年代末，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、改進(jìn) ,到20世紀(jì)60年代才開始進(jìn)入實(shí)用階段。
負(fù) 極 燃料流入
H ,CO,烴類，醇
類，其他有機(jī)物
H
失電子
多余燃料流出
不同電解質(zhì)體系下
的特定結(jié)構(gòu)形式 陽極
四 、燃料電池
將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的化學(xué)電池
用電裝置
正極
通常為氧氣
得電子
不同電解質(zhì)體系下 的特定結(jié)構(gòu)形式
如OH-,H 0,02-
空氣流入
H O
Oz
多余氣體流出 o
陰極
H*
H+
電解液
總反應(yīng)式： 2H +O =2H O
負(fù)極： 2 H -4e-=4H+
H J
正極：O +4e-+4H+=2H O
負(fù)極室
大 ;消耗2mol0 轉(zhuǎn)移電
。
質(zhì)子交換膜
1、以氫氧燃料電池為例
①氫氧燃料電池—酸性
正極pH 增 大 ; 負(fù) 極pH 減小 ；
溶液pH 增
子 8 NA
電解質(zhì) 溶液
e
A
正極室
lO
Pt
Pt
總反應(yīng)式： 2H +O =2H O
負(fù)極： 2H +40H--4e-=4H O 正極：O +4e-+2H 0=40H-
正極pH 增大 ;
負(fù)極pH_減小 ;
溶液pH 減小；
消耗1molH 轉(zhuǎn)移電子 2NA
負(fù)極室 正極室
電解質(zhì)
溶液
交換膜
②氫氧燃料電池——堿性
e
A)
↓O
H J
Pt +
Pt
介質(zhì) 電池反應(yīng)：2H,+02=2H O 2e 小 O 負(fù)極
2H -4e-+2O -=2H O
2e 多孔電極 固體電解質(zhì) 多孔電極 O o - 正極
O +4e-=202-
2e 4 H H 本 H O O H 固體電解質(zhì) 多孔電極 負(fù)極
正極
O +4H++4e-=2H O
③氫氧燃料電池—高溫傳導(dǎo)02-或H+
H+ 2e
2e —
④氫氧燃料電池—熔融碳酸鹽
一極通入H , 一極通入空氣和CO 混合氣體，以Li CO 和Na CO 的 熔融鹽作電解質(zhì)。
負(fù)極：2H +2CO 2-4e-=2CO +2H O
正極：O +2CO +4e-=2CO 2-
總反應(yīng)式：2H +O =2H O
2、甲烷燃料電池
(1)甲烷-氧氣燃料電池 電解質(zhì)為H SO 溶液
總反應(yīng)式：CH +20 =CO +2H O
負(fù)極：CH -8e-+2H O=CO +8H+ 正極：20 +8 e-+8H+=4H O
(2)甲烷-氧氣燃料電池 電解質(zhì)為KOH溶液
總反應(yīng)式：CH +20 +20H -=CO 2-+3H O 負(fù)極：CH -8e-+100H-=CO 2-+7H O
正極：20 +8 e-+4H O =80H-
2、甲烷燃料電池
(1)甲烷-氧氣燃料電池電解質(zhì)為熔融氧化物(高溫下能傳導(dǎo)02-)
總反應(yīng)式：CH +20 =CO +2H O
負(fù)極：CH -8e-+402-=CO +2H O
正極：20 +8 e-=402-
(2)甲烷-氧氣燃料電池 電解質(zhì)為熔融碳酸鹽(熔融K CO )
總反應(yīng)式： CH +20 =CO +2H O
負(fù)極： CH -8e-+4CO 2-=5CO +2H O
正極： 20 +8 e-+4CO =4CO 2-
3. 甲醇燃料電池 堿性電解質(zhì)溶液
負(fù)極：2 CH OH-12e-+16OH-=2CO 2-+12H O
正極：3 O +12e+4H O=8OH-
電池總反應(yīng)式：2 CH OH+3O +4OH-=2CO 2-+6H O
4.肼燃料電池 堿性電解質(zhì)溶液
負(fù)極： N H -4e-+4OH=N 個(gè)+4H O
正極： O +4e-+2H O=4OH-
電池總反應(yīng)式：N H +O =N +2H O
5.鋁-空氣-海水電池
負(fù)極： 4 A1-12e-=4A13+
正極： 30 +12 e-+6H O=12OH-
電池總反應(yīng)式： 4 A1+3O +6H O=4A1(OH)
1991年，我國首創(chuàng)，用作海上標(biāo)志燈。以海水為電解液，靠空氣中的氧 使鋁不斷氧化而產(chǎn)生電流。
減 少 污 染 節(jié) 約 資 源
化學(xué)電源

展開更多......

收起↑