《化学电源》.ppt

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1、第四章第四章 电化学基础电化学基础第二节第二节 化学电源化学电源人教版选修人教版选修4 4 化学反应原理化学反应原理问题讨论1、通过日常生活的学习，你知道哪些电池？、通过日常生活的学习，你知道哪些电池？ 其中哪些属于化学电池？其中哪些属于化学电池？2、化学电池与其他能源相比有哪些优点？、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？、判断电池的优劣标准主要是什么？4、目前化学电池主要分为哪几大类？产生电、目前化学电池主要分为哪几大类？产生电能的基本原理是什么？各自有什么特点？能的基本原理是什么？各自有什么特点？用于汽车的铅蓄电池和燃料电池用于汽车的铅蓄电池和燃料电池用途广

2、泛的电池用途广泛的电池用于用于“神六神六”的太阳能电的太阳能电池池笔记本电脑专用电池笔记本电脑专用电池手机专用电池手机专用电池摄像机专用电池摄像机专用电池各式各样的纽扣电各式各样的纽扣电池池纽扣电池纽扣电池2、化学电池、化学电池1)概念概念:将化学能变成电能的装置将化学能变成电能的装置2)分类分类:一次电池又称不可充电电池或干电一次电池又称不可充电电池或干电池池二次电池又称充电电池或蓄电池二次电池又称充电电池或蓄电池燃料电池燃料电池3)优点优点:能量转换效率高，供能稳定可靠能量转换效率高，供能稳定可靠可以制成各种形状和大小、不同容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，使用方便量

3、和电压的电池和电池组，使用方便易维护，可在各种环境下工作。易维护，可在各种环境下工作。4)电池优劣的判断标准电池优劣的判断标准:比能量比能量 单位：单位：( (whwh/kg)/kg)，( (whwh/L)/L)指电池单位质量或单位体积所能输出电能指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少的多少比功率比功率单位单位：（：（W/kgW/kg，W/L)W/L)指电池单位质量或单位体积所能输出功率指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小的大小.电池的可储存时间的长短电池的可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、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，其

4、质量好。功率大、储存时间长的电池，其质量好。1 1、干电池、干电池( (普通锌锰电池）普通锌锰电池）Zn+2MnOZn+2MnO2 2 + 2NH + 2NH4 4Cl = ZnClCl = ZnCl2 2+ Mn+ Mn2 2OO3 3+2NH+2NH3 3+H+H2 2OO一一次电池次电池锌筒锌筒石墨棒石墨棒MnO2和和C普通锌普通锌- -锰干电池的结构锰干电池的结构NH4Cl、ZnCl2 和和 H2O等糊状物等糊状物普通锌锰电池普通锌锰电池写写出出锌锰干电池锌锰干电池的电极反的电极反应方应方程式。程式。负负极极正极正极总反应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通常我

5、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？能正常供电了？_我们在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？干电池中的什么成分起了作用？Zn-2eZn-2e- -=Zn=Zn2+2+2NH2NH4 4+ +2e+2e- -=2NH=2NH3 3+H+H2 2 ， H H2 2 +2MnO+2MnO2 2=Mn=Mn2 2OO3 3+H+H2 2OO锌筒变软，电池表面变得不平整锌筒变软，电池表面变得不平整MnOMnO2 2 ZnClZnCl2 2优点：制作简单、价格便宜。优点：制作简单

6、、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快。缺点：放电时间短，电压下降快。Zn+2MnOZn+2MnO2 2 + 2NH + 2NH4 4Cl = ZnClCl = ZnCl2 2+ Mn+ Mn2 2OO3 3+2NH+2NH3 3+H+H2 2OO 随着用电器朝着随着用电器朝着小型化、多功能化发小型化、多功能化发展的要求，对电池的展的要求，对电池的发展也提出了小型化、发展也提出了小型化、多功能化发展的要求。多功能化发展的要求。 体积小、性能好的碱性锌锰电池应运体积小、性能好的碱性锌锰电池应运而生。这类电池的重要而生。这类电池的重要特征是电解液由原来特征是电解液由原来的中性变为离子导电性更好

7、的碱性，负极也由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，使放电电锌片改为锌粉，反应面积成倍增长，使放电电流大幅度提高。流大幅度提高。碱性电池碱性电池 碱性锌碱性锌-锰干电池锰干电池负极负极ZnZn正极正极MnOMnO2 2电池反应：电池反应：电解质：电解质：KOHZn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)22MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2思考思考该电池的正负极材料和电解质？该电池的正负极材料和电解质？碱性锌锰电池的优点碱性锌锰电池的优点： 电流稳定，放电容量、时间比电流稳定，放电容

8、量、时间比干电池增大几倍，不会气涨或干电池增大几倍，不会气涨或漏液。漏液。( (一一) )一次电池一次电池钮扣电池钮扣电池：不锈钢制成一个由：不锈钢制成一个由正极壳正极壳和和负极盖负极盖组成的小圆盒，组成的小圆盒，盒内靠正极一端填充由盒内靠正极一端填充由AgAg2 2O O和和少量石墨少量石墨组成的正极活性材料，组成的正极活性材料，负极盖一端填充负极盖一端填充锌汞合金锌汞合金作负作负极活性材料，电解质溶液为浓极活性材料，电解质溶液为浓KOHKOH溶液溶液，已知电池内，已知电池内ZnZn的氧的氧化产物为化产物为Zn(OH)Zn(OH)2 22、银、银-锌电池锌电池负极：负极：正极：正极：总反应：

9、总反应：Zn+ 2OHZn+ 2OH- - -2e -2e- - = Zn(OH) = Zn(OH)2 2AgAg2 2O +HO +H2 2O +2eO +2e- - =2Ag +2OH =2Ag +2OH- - AgAg2 2OO + Zn+H + Zn+H2 2O = Zn(OH)2O = Zn(OH)2 + + 2Ag2Ag铅蓄电池、铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池池3、铅蓄电池、铅蓄电池1)正负极材料正负极材料正极：正极：PbO2负极：负极：Pb2)工作机制工作机制电解质：浓电解质：浓H2SO4溶液溶液铅蓄电池为典型的可充电电池，其电极反铅蓄电池为

10、典型的可充电电池，其电极反应分为放电和充电两个过程应分为放电和充电两个过程( (二二) )二次电池二次电池放电过程总反应：放电过程总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l) Pb(s) + SO42- (aq)-2e- =PbSO4 (s)正极：正极：PbO2(s) + 4H+(aq)+SO42- (aq)+2e- =2PbSO4 (s) +2H2O(l) 氧化反应氧化反应 还原反应还原反应负极：负极：放电过程放电过程铅蓄电池充电的反应则是上述反应的铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程逆过程白色沉淀白色沉淀充电过程充电过程PbSO4 (s)

11、+2e- =Pb(s) + SO42- (aq) 还原反应还原反应阴极：阴极：阳极：阳极：2PbSO4 (s)+2H2O(l) -2e- = PbO2(s) +4 H+(aq) + SO42-(aq) 氧化反应氧化反应接电源负极接电源负极接电源正极接电源正极充电过程总反应：充电过程总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)铅蓄电池的充放电过程：铅蓄电池的充放电过程：2PbSO4(s)+2H2O(l) Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)放电放电充电充电3)优缺点简析优缺点简析缺点：缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境比能量低、笨重

12、、废弃电池污染环境优点：优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉价格低廉其它二次电池其它二次电池镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池离子蓄电池 燃料电池燃料电池是利用是利用氢气、天然气、甲醇氢气、天然气、甲醇等燃料与等燃料与氧气或空气氧气或空气进行电化学反应时释放出来的化学能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。直接转化成电能的一类原电池。 目前目前燃料电池的能量转化率可达近燃料电池的能量转化率可达近80%80%，约为，约为火力发电的火力发电的2 2倍倍。这是因

13、为火力发电中放出的废。这是因为火力发电中放出的废热太多。热太多。 燃料电池的燃料电池的噪声噪声及硫氧化物、氮氧化物等及硫氧化物、氮氧化物等废气废气污染都接近零污染都接近零；燃料电池发明于燃料电池发明于1919世纪世纪3030年代末，经年代末，经反复试验、改进，到反复试验、改进，到2020世纪世纪6060年代才开始进入实用阶段。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：第一代燃料电池的大致情况如下： ( (三三) )燃料电池燃料电池大有发展前景的燃料电池大有发展前景的燃料电池4、燃料电池、燃料电池负极负极H H2 2：正极正极O O2 2：总反应：总反应： O O2+2+2H2 =2

14、H2O氢氧燃料电池是一种新型氢氧燃料电池是一种新型的化学电池，其构造如图的化学电池，其构造如图示：两个电极均由多孔性示：两个电极均由多孔性碳制成，通入的气体由孔碳制成，通入的气体由孔隙逸出，并在电极表面放隙逸出，并在电极表面放电。碱性介质电。碱性介质2H2H2 2+4OH+4OH- - -4e -4e- - =4H =4H2 2OO OO2 2+2H+2H2 2O +4eO +4e- - =4OH =4OH- - 燃燃 料料 电电 池池介质电池反应： 2H2 + = 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

15、- 4e- = 4H+ O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-2H2 +4OH- 4e- = 4H2O O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-燃料电池的规律燃料电池的规律燃料做负极，助燃剂氧气为正极燃料做负极，助燃剂氧气为正极电极材料一般不参加化学反应，只电极材料一般不参加化学反应，只起传导电子的作用。起传导电子的作用。能量转化率高能量转化率高(超过超过80%)，普通的，普通的只有只有30%，有利于节约能源。，有利于节约能源。燃料电池与前几种电池的差别：燃料电池与前几种电池的差别：氧化剂与还原剂在工作时不断补充；氧化剂与还原剂在工作时不断补充；反应产物不断排出反应产物不断排出 优点：优

16、点：能量转化率高，可持续使用，能量转化率高，可持续使用，对环境友好对环境友好 用途：用途：宇宙飞船，应用前景广阔宇宙飞船，应用前景广阔书写电极反应式应注意以下几点：书写电极反应式应注意以下几点：1 1电极反应是一种离子反应，遵循书写离电极反应是一种离子反应，遵循书写离子反应的所有规则（如子反应的所有规则（如“拆拆”、“平平”）；）；3 3负极失电子所得氧化产物和正极得电子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（如所得还原产物，与溶液的酸碱性有关（如4价的价的C在在酸性溶液中酸性溶液中以以CO2形式存在，形式存在，在在碱性溶液中碱性溶液中以以CO32形式存在）；形式存

17、在）；2 2将两极反应的电子得失数配平后，相加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得到总反应，总反应减去一极反应即得到另一极反应；另一极反应；电池的发展方向电池的发展方向 光电池光电池使用方便使用方便, ,特别是近年来微小型半导体逆特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展变器迅速发展, ,促使其应用更加快捷促使其应用更加快捷. .美美, ,日日, ,欧和发展欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划, ,开发方向开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性是大幅度提高光电池转换效率和稳定性, ,降低成本降低成本, ,不不断扩大

18、产业断扩大产业. .目前已有目前已有8080多个国家和多个国家和1616, ,市场开拓从市场开拓从空间转向地面系统应用。空间转向地面系统应用。减减 少少 污污 染染节节 约约 资资 源源练习练习1: 碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，碱性电池具有容量大、放电电流大的特点，因而得到广泛应用。锌因而得到广泛应用。锌-锰碱性电池以氢氧化钾溶液锰碱性电池以氢氧化钾溶液为电解液，电流总反应式为：为电解液，电流总反应式为：Zn s 2MnO2 s H2O l Zn OH 2 s Mn2O3 s 下列说法错误的是下列说法错误的是 （ ）A 电池工作时，锌失去电子电池工作时，锌失去电子B 电池正极电极反应

19、式为：电池正极电极反应式为： 2MnO2 s H2O l 2e Mn2O3 s 2OH aq C 电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极电池工作时，电子由正极通过外电路流向负极D 外电路中每通过外电路中每通过0 2 mol电子，锌的质量理论上减电子，锌的质量理论上减小小6 5 g C C将铂丝插入将铂丝插入KOH溶液作电极，然后向两个电溶液作电极，然后向两个电极上分别通入甲烷和氧气，可以形成原电池，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，作燃料电池，根据两极上反应的实质判断，通入

20、甲烷的一极为通入甲烷的一极为_，这一极的电极反应，这一极的电极反应为为_ _；通入氧气的；通入氧气的一极为一极为_，电极反应为，电极反应为_， 总反应为总反应为_。负极负极CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O正极正极O2+4e-+2H2O=4OH-CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O1.若将氢气换成甲烷，若将氢气换成甲烷，写出各电极的电极反应写出各电极的电极反应2、熔融盐燃料电池具有高的发电效率、熔融盐燃料电池具有高的发电效率,因而受到重视因而受到重视.可用可用Li2CO3和和Na2CO3的的熔融盐混合物用作电解质熔融盐混合物用作电解质,CO为阳极燃为阳极燃气气,空气与空

21、气与CO2的混合气为阴极助燃气的混合气为阴极助燃气,制得在制得在6500下工作的燃料电池下工作的燃料电池,完成完成有关的电池反应式有关的电池反应式: 负极反应式负极反应式: , 正极反应式正极反应式:O2+2CO2+4e=2CO32- 总电池反应总电池反应 式式: .2CO+2CO32-4e- =4CO22CO+O2=2CO24 4、19911991年我国首创以铝、空气、海水电池为能源的新型年我国首创以铝、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，靠空气中氧使铝不断氧化产生电流。只要把灯放入海水中数空气中氧使铝不

22、断氧化产生电流。只要把灯放入海水中数分钟就发出耀眼的闪光，其能量比干电池高分钟就发出耀眼的闪光，其能量比干电池高2020到到5050倍。运倍。运用所学的化学知识，推测该新型电池两极上可能发生的电用所学的化学知识，推测该新型电池两极上可能发生的电极反应。极反应。负极负极 正极正极4Al-12e=4Al3+3O2+6H2O+12e=12OH-不活泼金属或碳不活泼金属或碳Cu5 5、已、已知：知：Cu+2FeClCu+2FeCl3 3=2FeCl=2FeCl2 2+CuCl+CuCl2 2利用这一反应，利用这一反应，试设计一个原电池，画出示意图，标明电极材料名称，电试设计一个原电池，画出示意图，标明

23、电极材料名称，电解质溶液，然后填空：解质溶液，然后填空：正极正极 ，电极反应，电极反应 负极负极 ，电极反应，电极反应 2Fe3+2e=2Fe2+Cu-2e=Cu2+课堂总结1 1、仅有一个电极材料参与反应的原电池：、仅有一个电极材料参与反应的原电池：负极：负极：M-xe=MM-xe=Mx+x+正极：析氢或吸氧或析出不活泼金属正极：析氢或吸氧或析出不活泼金属2 2、两个电极均参与反应的原电池、两个电极均参与反应的原电池 （如蓄电池，纽扣电池）（如蓄电池，纽扣电池）电极材料：金属为负极，金属化合物为正极电极材料：金属为负极，金属化合物为正极电子得失均由两电极本身发生电子得失均由两电极本身发生电极反应需考虑电解质溶液的参与电极反应需考虑电解质溶液的参与 3 3、电极材料本身均不参与反应的电池（燃料电池）、电极材料本身均不参与反应的电池（燃料电池）两电极材料均为惰性电极两电极材料均为惰性电极负极可燃性气体失电子，正极助燃性气体得负极可燃性气体失电子，正极助燃性气体得 电子电子电极反应考虑电解质溶液电极反应考虑电解质溶液