《化學電源》課件

第四章電化學基礎 第二節(jié)化學電源 學與問 在日常生活和學習中 你用過哪些電池 你知道電池的其它應用嗎 電池 化學電池 太陽能電池 原子能電池 將化學能轉(zhuǎn)換成電能的裝置 將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的裝置 將放射性同位素自然衰變時產(chǎn)生的熱能通過熱能轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置 思考 目前化學電池主要分為哪幾個大類 在性能等方面它們各有什么特點 產(chǎn)生電能的基本原理是什么 化學電池與其他能源相比有哪些優(yōu)點 判斷電池的優(yōu)劣標準主要是什么 知識點1 化學電池 1 概念 將化學能變成電能的裝置 2 分類 一次電池又稱不可充電電池 如 干電池 二次電池又稱充電電池 蓄電池 燃料電池 3 優(yōu)點 能量轉(zhuǎn)換效率高 供能穩(wěn)定可靠 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 易維護 可在各種環(huán)境下工作 4 電池優(yōu)劣的判斷標準 比能量 符號 W h kg W h L 單位質(zhì)量或單位體積所能輸出電能的多少 比功率 符號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 電池的儲存時間的長短 鋰電池 干電池 疊層電池 紐扣電池 各類電池 知識點2 各類電池 空氣電池 小型高性能燃料電池 1 干電池 普通鋅錳電池 干電池用鋅制桶形外殼作負極 位于中央的頂蓋有銅帽的石墨作正極 在石墨周圍填充NH4Cl ZnCl2和淀粉作電解質(zhì)溶液 還 填充MnO2的黑色粉末吸收正極放出的H2 防止產(chǎn)生極化現(xiàn)象 電極總的反應式為 Zn 2MnO2 2NH4Cl ZnCl2 Mn2O3 2NH3 H2O 請寫出各電極的電極反應 一 一次電池 練 寫出鋅錳干電池的電極反應和總化學反應方程式 負極 正極 總反應 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(jīng)不能正常供電了 我們在使用干電池的過程中并沒有發(fā)現(xiàn)有氣體產(chǎn)生 請推測可能是干電池中的什么成分起了作用 Zn 2e Zn2 2NH4 2e 2NH3 H2 H2 2MnO2 Mn2O3 H2O 鋅筒變軟 電池表面變得不平整 MnO2 Zn 2MnO2 2NH4Cl ZnCl2 Mn2O3 2NH3 H2O 堿性鋅 錳干電池 負極 正極 電池反應 電解質(zhì) KOH Zn MnO2 Zn 2OH 2e Zn OH 2 2MnO2 2H2O 2e 2MnOOH 2OH Zn 2MnO2 2H2O 2MnOOH Zn OH 2 思考 該電池的正負極材料和電解質(zhì) 1 干電池 負極 Zn 2e Zn2 普通鋅錳干電池 ZnZnCl2 NH4Cl 糊狀 石墨 nO2 正極 2NH4 2e 2NH3 H2 總電池反應方程式 2NH4Cl Zn ZnCl2 2NH3 H2 缺點 放電量小 放電過程中易氣漲或漏液 改進后堿性鋅錳電池的優(yōu)點 電流穩(wěn)定 放電容量 時間增大幾倍 不會氣漲或漏液 二氧化錳的用途 Zn 2MnO2 2H2O 2MnOOH Zn OH 2 2 迷你型電池 優(yōu)點 電壓高 穩(wěn)定 低污染 用途 手表 相機 心率調(diào)節(jié)器 HgO Zn Hg ZnO Zn Ag2O H2O 2Ag Zn OH 2 3 鋰電池 鋰亞硫酰氯電池 Li SOCl2 8Li 3SOCl2 6LiCl Li2SO3 2S負極 正極 用途 質(zhì)輕 高能 比能量高 高工作效率 高穩(wěn)定電壓 工作溫度寬 高使用壽命 廣泛應用于軍事和航空領域 8Li 8e 8Li 3SOCl2 8e 6Cl SO32 2S 鉛蓄電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 1 鉛蓄電池 1 正負極材料 正極 PbO2 負極 Pb 2 工作機制 電解質(zhì) H2SO4溶液 鉛蓄電池為典型的可充電電池 其電極反應分為放電和充電兩個過程 二 二次電池 放電過程總反應 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 放電過程 鉛蓄電池充電的反應則是上述反應的逆過程 Pb s PbO2 s 2H2SO42PbSO4 s 2H2O l 充電過程 PbSO4 s 2e Pb s SO42 還原反應 陰極 陽極 PbSO4 s 2H2O 2e PbO2 s 4H SO42 氧化反應 接電源負極 接電源正極 充電過程總反應 2PbSO4 s 2H2O l Pb s PbO2 s 2H2SO4 鉛蓄電池的充放電過程 3 優(yōu)缺點簡析 缺點 比能量低 笨重 廢棄電池污染環(huán)境 優(yōu)點 可重復使用 電壓穩(wěn)定 使用方便 安全可靠 價格低廉 其它二次電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 聚合物鋰離子蓄電池 2 銀鋅蓄電池 1970 1975 開發(fā)了先進的銀鋅 鎳鎘電池技術 1975 1983 為美國海軍生產(chǎn)潛水艇用銀鋅電池 1979 1987 為美國國家能源部發(fā)展電動車用的鎳鋅電池 1998 1992 為美國海軍發(fā)展世界上最大的鎳鎘電池用于核潛水艇 銀 鋅蓄電池廣泛用作各種電子儀器的電源 它的充電和放電過程可以表示為 2Ag Zn OH 2Ag2O Zn H2O 此電池放電時 負極上發(fā)生反應的物質(zhì)是 A AgB Zn OH 2C Ag2OD Zn D 電極反應 負極 Zn 2e 2OH Zn OH 2 正極 Ag2O 2e H2O 2Ag 2OH 3 鎘鎳電池 負極材料 Cd 正極材料 涂有NiO2 電解質(zhì) KOH溶液 反應式如下 寫出電極反應式 特點 比鉛蓄電池耐用 可密封反復使用 鎳 鎘可充電電池可發(fā)生如下反應 Cd 2NiO OH 2H2O 由此可知 該電池的負極材料是 Cd OH 2 2Ni OH 2 A Cd A B NiO OH D Ni OH 2 C Cd OH 2 電極反應 負極 Cd 2e 2OH Cd OH 2 正極 2NiO OH 2e 2H2O 2Ni OH 2 2OH 三 燃料電池 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行電化學反應時釋放出來的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的一類原電池 目前燃料電池的能量轉(zhuǎn)化率可達近80 約為火力發(fā)電的2倍 這是因為火力發(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30年代末 經(jīng)反復試驗 改進 到20世紀60年代才開始進入實用階段 第一代燃料電池的大致情況如下 氫氧燃料電池 新型燃料電池 燃料電池不是把還原劑 氧化劑物質(zhì)全部貯藏在電池內(nèi) 而是在工作時 不斷從外界輸入 同時將電極反應產(chǎn)物不斷排出電池 氧化劑與還原劑在工作時不斷補充 反應產(chǎn)物不斷排出 能量轉(zhuǎn)化率高 超過80 普通的只有30 有利于節(jié)約能源 缺點 體積較大 附屬設備較多優(yōu)點 能量轉(zhuǎn)換率高 清潔 對環(huán)境好其它燃料電池 烴 肼 甲醇 氨 煤氣燃料電池 燃料電池的規(guī)律 燃料電池與前幾種電池的差別 燃料做負極 助燃劑 氧氣 為正極 電極材料一般不參加化學反應 只起傳導電子的作用 燃料電池 優(yōu)點 能量轉(zhuǎn)化率高 可持續(xù)使用 對環(huán)境友好 用途 宇宙飛船 應用前景廣闊 負極 2H2 4OH 4e 4H2O 正極 O2 2H2O 4e 4OH 總反應方程式 2H2 O2 2H2O 燃料電池 2H2 4e 4H O2 4H 4e 2H2O 2H2 4e 4H O2 2H2O 4e 4OH 2H2 4OH 4e 4H2O O2 2H2O 4e 4OH 固體燃料電池 2H2 4e 2O2 2H2O O2 4e 2O2 2H2 4e 4H O2 4H 4e 2H2O 航天技術上使用的一種電池 它具有高能 輕便 不污染環(huán)境等優(yōu)點 用Pt做電極 KOH溶液做電解液 因其反應與氫氧燃燒相似 故稱為氫氧燃燒電池 請寫出各電極的電極反應 氫氧燃料電池 若將氫氣換成甲烷 寫出各電極的電極反應 將鉑絲插入KOH溶液作電極 然后向兩個電極上分別通入甲烷和氧氣 可以形成原電池 由于發(fā)生的反應類似于甲烷的燃燒 所以稱作燃料電池 根據(jù)兩極上反應的實質(zhì)判斷 通入甲烷的一極為 這一極的電極反應為 通入氧氣的一極為 電極反應為 總反應為 負極 CH4 8e 10OH CO32 7H2O 正極 O2 4e 2H2O 4OH CH4 2O2 2KOH K2CO3 3H2O 若將氫氣換成甲烷 寫出各電極的電極反應 書寫電極反應式應注意以下幾點 1 電極反應是一種離子反應 遵循書寫離子反應的所有規(guī)則 如 拆 平 3 負極失電子所得氧化產(chǎn)物和正極得電子所得還原產(chǎn)物 與溶液的酸堿性有關 如 4價的C在酸性溶液中以CO2形式存在 在堿性溶液中以CO32 形式存在 2 將兩極反應的電子得失數(shù)配平后 相加得到總反應 總反應減去一極反應即得到另一極反應 用途廣泛的電池 用于 神六 的太陽能電池 筆記本電腦專用電池 手機專用電池 攝像機專用電池 各式各樣的紐扣電池 迅猛發(fā)展的綠色環(huán)保電池是指近年來研制 開發(fā)和已投入使用的高性能 無污染電池 金屬氫化物鎳電池與鎘鎳電池有相同的工作電壓 12伏 但由于采用了稀土合金或TiNi合金儲氫材料作為負極活性物質(zhì) 取代了致癌物質(zhì)鎘 使其成為一種綠色環(huán)保電池 鋰離子蓄電池系由碳作負極 嵌鋰的金屬氧化物作正極和有機電解質(zhì)構(gòu)成 其工作電壓為36伏 因此一個鋰離子電池相當三個鎘鎳或金屬氫化物鎳電池 可充電堿錳電池是在堿性鋅錳原電池基礎上發(fā)展起來的 由于應用了無汞化的鋅粉及新型添加劑 不僅保持了原電池的電流放電特性 而且能充電使用幾十次至幾百次 太陽能電池利用P N結(jié)的光電效應 把太陽光能直接轉(zhuǎn)換成電能 滿足用戶需要 這種發(fā)電具有無需燃料 無污染 無噪聲 運行簡單可靠 減少維護 建設周期短等特點 已被空間和無常規(guī)能源的地域廣泛采用 綠色電池種種 電池的發(fā)展方向 光電池使用方便 特別是近年來微小型半導體逆變器迅速發(fā)展 促使其應用更加快捷 美 日 歐和發(fā)展中國家都制定出龐大的光伏技術發(fā)展計劃 開發(fā)方向是大幅度提高光電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性 降低成本 不斷擴大產(chǎn)業(yè) 目前已有80多個國家和地區(qū)形成商業(yè)化 半商業(yè)化生產(chǎn)能力 市場開拓從空間轉(zhuǎn)向地面系統(tǒng)應用 課堂總結(jié)1 僅有一個電極材料參與反應的原電池 負極 M xe Mx 正極 析氫或吸氧或析出不活潑金屬2 兩個電極均參與反應的原電池 如蓄電池 紐扣電池 電極材料 金屬為負極 金屬化合物為正極 電子得失均由兩電極本身發(fā)生 電極反應需考慮電解質(zhì)溶液的參與 3 電極材料本身均不參與反應的電池 燃料電池 兩電極材料均為惰性電極 負極 可燃性氣體失電子 正極 助燃性氣體得電子 電極反應考慮電解質(zhì)溶液 化學電池 氫氣 甲醇 天然氣 煤氣與氧氣組成燃料電池 電池中的反應物質(zhì)消耗到一定程度 就不能再次利用 又稱充電電池或蓄電池 放電后經(jīng)充電可使電池中的活性物質(zhì)獲得重生 恢復工作能力 可多次重復使用 是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的化學電源 又稱連續(xù)電池 化學電池的組成 能導電的物質(zhì) 還原性較強的物質(zhì) 多是金屬電極本身 氧化性較強的物質(zhì) 酸溶液堿溶液鹽溶液或熔融液 小結(jié) 流出電子 流入電子 氧化反應 還原反應 1 在含有H2S氣體的空氣中 銀器表面易變黑 生成了Ag2S 為了除去銀器表面Ag2S 可采用如下方法 在一個鋁制的容器中放入食鹽溶液 將銀器浸入食鹽溶液 使銀器與鋁接觸良好 過一段時間 銀器表面變?yōu)殂y白色 并聞到臭雞蛋的氣味 觀察到有少量白色絮狀沉淀生成 請用電極反應式和離子方程式表示上述過程 鞏固練習 負極 Al 3e Al3 正極 Ag2S 2e 2Ag S2 總反應 2Al 3Ag2S 6H2O 6Ag 2Al OH 3 3H2S 2Al3 3S2 6H2O 2Al OH 3 3H2S 2 熔融鹽燃料電池具有較高的發(fā)電效率 因而受到重視 可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質(zhì) CO為陽極燃氣 空氣與CO2的混合氣為陰極燃氣 制得在65 下工作的燃料電池 完成有關的電池反應式 負極反應式 2CO 2CO32 4CO2 4e 正極反應式 總反應式 O2 4e 2CO2 2CO32 2CO O2 2CO2 3 鋰電池是一代新型高能電池 它以質(zhì)量輕 能量高而受到了普遍重視 目前已研制成功多種鋰電池 某種鋰電池的總反應為Li MnO2 LiMnO2 下列說法正確的是 A Li是正極 電極反應為Li e Li B Li是負極 電極反應為Li e Li C Li是負極 電極反應為MnO2 e MnO2 D Li是負極 電極反應為Li 2e Li2 B 4Al 12e 4Al3 3O2 6H2O 12e 12OH 不活潑金屬或碳 Cu 2Fe3 2e 2Fe2 Cu 2e Cu2 6 已知 鉛蓄電池充電完畢后 電池中硫酸的密度為 1 放電完畢后 溶液的密度變?yōu)?