【课件】化学电源 2023-2024学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1.pptx

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1、4.1.2化学电源1知道化学电源的分类方法，熟悉几种常见化学电源的组成和工作原理。2了解化学电源广泛的应用及废旧电池对环境的危害，设想其处理方法。学习目标 化学史：发明电池的故事伏特是意大利帕维亚大学的研究电学的物理学家.有一天,伏特看了一位名叫加伐尼的解剖学家的一篇论文,说动物肌肉里贮存着电,可以用金属接触肌肉把电引出来.看了这篇论文,伏特非常兴奋,便决定亲自来做这个实验.他用许多只活青蛙反复实验,终于发现,实际情况并不像加伐尼所说的那样,而是两种不同的金属接触产生的电流,才使蛙腿的肌肉充电而收缩.为了证明自己的发现是正确的,伏特决定更深入地了解电的来源。为了纪念他的贡献,人们把电压的计量单

2、位叫做伏特,简称伏,符号V。比如我们手电筒里的电池的电压是1.5伏特，我们家里的电灯的电压是220伏特。铅蓄电池干电池纽扣电池锂离子电池燃料电池锂离子电池太阳能电池生活中电池生活中电池将 变成 的装置。广泛应用于移动电话、照相机、计算器、遥控器、汽车、卫星等。1.概念:2.优点:能量转换效率高，供能稳定可靠可以制成各种形状和大小、不同容量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。一、化学电池化学能电能3.电池优劣的判断标准:比能量单位：(wh/kg)，(wh/L)指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少比功率 单位：（W/kg，W/L)指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大

3、小.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、功率大、储存时间长的电池，更易满足使用者需求。化学电池一次电池二次电池燃料电池碱性锌锰电池铅蓄电池氢氧燃料电池等锂离子电池镍氢电池普通锌锰干电池锌银纽扣电池4.化学电池的分类 废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质。随意丢弃废电池会对环境造成严重的污染。上世纪上世纪5050年代，震惊世界的日本年代，震惊世界的日本“水俣病水俣病”就是因汞中毒引起的。就是因汞中毒引起的。5、废电池对环境的危害9减少污染节约资源废旧电池处理 放电后不可再充电的电池。放电后不可再充电的电池。一次电池的电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做一次电池的电解质溶

4、液制成胶状，不流动，也叫做干电池干电池。常见一次电池有普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、纽扣式银锌电池普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、纽扣式银锌电池等。二、一次电池（干电池）Zn+2MnO2+2NH4+=Zn(NH3)22+2MnO(OH)负极：优点：制作简单、价格便宜。缺点：放电时间短，电压下降快。1.普通（酸性）锌锰干电池普通（酸性）锌锰干电池 作正极，作电解质溶液，作负极石墨棒石墨棒氯化铵糊氯化铵糊锌筒锌筒Zn-2e-+2NH4+=Zn(NH3)22+2H+正极：2MnO2+2H+2e-=2MnO(OH)总反应：2.碱性锌锰电池负极：Zn+2OH-2e-=Zn(OH)2正极：2MnO2+2

5、H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH-氢氧化氧锰正极:;负极：;电解质:。MnO2Zn粉KOH总反应：Zn+2MnO2+2H2O =2MnO(OH)+Zn(OH)2优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵3.银锌（纽扣）电池正极:;负极：;电解质:。Zn2e-2OHZn(OH)2Ag2OH2O2e-2Ag2OHZnAg2OH2O2AgZn(OH)2KOH溶液Ag2OZn负极:正极:总反应式:优点：比能量大、电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。广泛用于电子手表、照相机、计算器和其他微型电子仪器。(1)构造：负极：Li，正极：MnO

6、2、CuO或FeS2等。电解质溶液可由四氯化铝锂(LiAlCl4)溶解在亚硫酰氯(SOCl4)中组成。电池的总反应可表示为8Li3SOCl2=6LiClLi2SO32S。(1)负极材料为_，电极反应为_。(2)正极的电极反应为_。Li8Li8e=8Li3SOCl28e=2SSO326Cl 无水、无氧因为构成电池的两个主要成分Li能和氧气、水反应，且SOCl2也与水反应。4.锂亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池可用于心脏起搏器CKOH作电解质溶液，不参与反应，但能提高溶液的导电性放电后可以再充电使活性物质获得再生的电池。这种充电电池属于二次电池，也叫充电电池或蓄电池。常见的充电电池有铅酸蓄电池、镍

7、氢电池、锂离子电池等，目前汽车上使用的大多是铅蓄电池。三、二次电池（蓄电池）可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉。铅酸电池由两组栅状电极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb，电解质溶液为H2SO4溶液。1.铅酸蓄电池构造：铅蓄电池的构造缺点：优点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境：(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O Pb-2e-+SO42-=PbSO4 正极：PbO2+2e-+4H+SO42-=PbSO4+2H2O 氧化反应 还原反应负极：放电过程:铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程充电过程

8、：PbSO4 +2e-=Pb+SO42-还原反应阴极(接负极)：阳极(接正极)：PbSO4-2e-+2H2O=PbO2+4H+SO42-氧化反应总反应：2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4充放电过程：Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O放电充电正接正，负接负2.锂离子电池-新一代可充电的绿色电池铜集流板铝集流板锂导电有机电解液LixC6Li1-xCoO2石墨钴酸锂锂离子电池结构组成：负极材料：嵌锂层状石墨(LixC6)正极材料：钴酸锂(Li1-xCoO2)电解液：锂导电有机电解液电子自动从负极材料离开，通过外电子自动从负极材料离开，通过外电路流向正极，失去电子的

9、电路流向正极，失去电子的锂离子锂离子也从石墨层间也从石墨层间脱嵌脱嵌而出而出从负极脱嵌后的从负极脱嵌后的锂离子锂离子通过电解液通过电解液及隔膜重新回到正极材料，结合通及隔膜重新回到正极材料，结合通过外部电路到达正极的电子，形成过外部电路到达正极的电子，形成比较稳定的比较稳定的嵌锂正极材料嵌锂正极材料正极：Li1-xCoO2+xe-+xLi+LiCoO2负极：LixC6 xe 6C+xLi+锂离子脱嵌锂离子脱嵌锂离子嵌入锂离子嵌入钴酸锂嵌锂石墨放电新制作或放电后锂离子嵌在正极材料的层状结构中开始充电后，在外加电场的作用下，正极材料失去电子，锂离子从正极材料中脱嵌而出继续充电中，正极材料持续失去电

10、子，锂离子也持续脱嵌，直至充电完成阳极：LiCoO2xe-Li1-xCoO2+xLi+锂离子脱嵌钴酸锂LiCoO2阳极充电锂离子通过电解液和隔膜，移动到负极石墨材料锂离子嵌入石墨层中，同时电子通过外电路到达负极，形成相对稳定的嵌锂石墨，充电完成。阴极：Cy+xe+xLi+LixCy充电：充电：嵌锂石墨石墨阴极充电返回 放电过程 负极：正极：总反应：LixC6 xe 6C+xLi+充电过程 阴极：阳极：总反应：6C+xe+xLi+LixC6 Li1-xCoO2+xe+xLiLiCoO2LixC6+Li1-xCoO2=LiCoO26CLiCoO2xeLi1-xCoO2+xLi+LiCoO26C=L

11、ixC6+Li1-xCoO2 锂离子电池工作原理LixC6+Li1-xCoO2 LiCoO26C 锂离子电池的优越性能:相对于传统的镉镍电池(Ni/Cd)和氢镍电池(Ni/MH),锂离子电池的电压大约是它们的3倍;重量比能量密度提高了约3倍;对于同样的功率消耗，锂离子电池的使用期限约为镍镉电池的2.252.57倍.现在锂离子电池已经是电子信息产品设计人员的普通配置.工作电压高、比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、污染小。3.镍镉电池 用途：广泛用于收录机、无线对讲机、电子闪光灯、电动剃须刀等。特点：体积小、便于携带，可重复使用500次以上、寿命比铅蓄电池长。2NiO(OH)+2H2O

12、+Cd2Ni(OH)2+Cd(OH)2放电充电 放电过程 负极：正极：总反应：Cd+2OH-2e=Cd(OH)2充电过程 阴极：阳极：总反应：Cd(OH)2+2e=Cd+2OH 2NiOOH+2e+2H2O=2Ni(OH)2+2OH2NiOOH+Cd+2H2O=2Ni(OH)2+Cd(OH)22Ni(OH)2+2OH-2e=2NiOOH+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2=2NiOOH+Cd+2H2O优点：体积小便于携带，可重复使用500次以上，寿命比铅蓄电池长。广泛用于收录机、无线对讲机、电子闪光灯、电动剃须刀等。缺点：镉有致癌作用，废弃的镍镉电池如不回收，会严重污染环境，有被镍氢电

13、池取代的趋势。碱性镍镉电池工作原理2NiOOH+Cd+2H2O 2Ni(OH)2+Cd(OH)2镉有致癌作用，废弃的镍镉电池如不回收，会严重污染环境，有被镍氢电池取代的趋势。4.镍氢电池 H2+2NiO(OH)2Ni(OH)2放电充电【例】(双选)氢镍电池是近年开发出来的可充电电池，它可以取代会产生镉污染的镉镍电池。氢镍电池的总反应式是H2+2NiO(OH)2Ni(OH)2。根据此反应式判断，下列叙述中正确的是()A.电池放电时，电池负极周围溶液的pH不断增大B.电池放电时，镍元素被氧化C.电池充电时，氢元素被还原D.电池放电时，H2在负极上反应CD负极：H2+2OH-2e-=2H2O正极：2

14、NiO(OH)+2H2O+2e-=2Ni(OH)2+2OH-D负极：Pb2eSO42=PbSO4正极：PbO22e4H+SO42=PbSO4 2H2O 消耗消耗H+，酸性减弱，酸性减弱阳极生成正极失电子电子流入的三、废旧电池的危害与处理1.危害:废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质，如随意丢弃,会对生态环境和人体健康造成危害。2.处理方法:回收处理。四、燃料电池燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能转化为电能的化学电源。两极材料：般为活性电极，具有很强的催化活性。如惰性材料（如惰性材料（Pt）、）、活性炭活性炭，只具导电性。，只具导电性。反应物不储存在电池内部，外加提供燃料和氧化剂。反应物

15、不储存在电池内部，外加提供燃料和氧化剂。两极判断：两极判断：通入燃料气的一极 通入O2或空气的一极 导电介质：导电介质：可以是电解质溶液，也可以是新型的导离子介质。优点：能量转换率高；污染小。能量转换率高；污染小。负极负极正极正极(1)燃料电池的规律能量转化率高(超过80%)，普通的只有30%，有利于节约能源。(2)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；反应产物不断排出缺点：体积较大、附属设备较多优点：能量转换率高、清洁、对环境好可供选择的燃料很多，如：氢气、烃类、肼、甲醇、氨、煤气等液态或气态的燃料。注意：燃料电池总反应式一般为注意：燃料电池总反应式一般为燃烧方程式燃烧

16、方程式(去去“点燃点燃”);”);但当生但当生成物有后续反应时，加和后续反成物有后续反应时，加和后续反应应.2.书写步骤析价态，定正负列物质标得失看环境，配守恒电极反应式的书写方法补项原则：酸性介质（缺H补H+，缺O补H2O）；碱性介质（缺H补H2O，缺O补OH-）；熔融氧化物使用O2-；熔融碳酸盐使用CO32-。1.书写原则：质量守恒+电荷守恒+电子守恒弱电解质、气体、难溶物均写化学式，其余用离子符号3.复杂电极反应式书写复杂电极反应式=总反应式较简单一极电极式1、氢氧燃料电池：、氢氧燃料电池：负极：负极：2H2+4OH-4e-4H2O 正极：正极：O2+4e-+2H2O 4OH-总反应式总

17、反应式:2H2+O2 2H2O (-)H2|OH-|O2(+)碱性介质碱性介质 (-)H2|H+|O2(+)酸性介质酸性介质 负极：负极：2H2-4e-4H+正极：正极：O2+4e-+4H+2H2O总反应式总反应式:2H2+O2 2H2O 固体燃料电池介质电池反应：2H2+=2H2O 2H2-4e-+2O2=2H2OO2+4e-=2O22H2-4e-=4H+O2+4H+4e-=2H2O负极正极负极正极补：离子交换膜含义：离子交换膜又叫隔膜，由高分子特殊材料制成的作用：能将两极区隔离，阻止两极区产生的物质接触，防止发生化学反应能选择性地通过离子，起到平衡电荷，形成闭合回路的作用阳离子交换膜：只允

18、许阳离子和水分子通过，阻止阴离子和气体通过阴离子交换膜：只允许阴离子和水分子通过，阻止阳离子和气体通过质子交换膜：只允许质子(H+)和水分子通过分类与应用：氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结 负极：CH410OH8e=CO327H2O 正极：2O24H2O8e=8OH 总反应式：CH4+2O2+2OH-=CO32-+3H2O H2SO4溶液溶液：2、甲烷燃料电池 用用导线连导线连接两个接两个铂电铂电极插入极插入电电解解质质溶液中，向两极分溶液中，向两极分别别通入通入CH4和和O2。负极：CH42H2O8e=CO28H+正极：2O28H8e=4H2O总反应式：CH4+2O2=CO2+2H

19、2OKOH溶液：3.甲醇燃料电池/KOH 4.肼（N2H4）燃料电池/KOH正极:3O2+6H2O+12e-=12OH-负极:2CH3OH+16OH-12e-=2CO32-+12H2O总反应:2CH3OH+3O2+4OH-=2CO32-+6H2O正极:O2+2H2O+4e-=4OH-负极:N2H4+4OH-4e-=N2+4H2O总反应:N2H4+O2=N2+2H2O5.熔融盐燃料电池一极通CO，一极通空气和CO2混合气体，以Li2CO3和Na2CO3的熔融盐作电解质。负极：2CO+2CO32-4e-=4CO2 正极：O2+2CO2+4e-=2CO32-总反应式：2CO+O2=2CO2 6.6.

20、铝铝-空气空气-海水电池海水电池1991年，我国首创，用作海上标志灯。以海水为电解液，靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。负极：4A1-12e-4A13+正极：3O2+12e-+6H2O 12OH-总反应式：4A1+3O2+6H2O4A1(OH)3Zn2e2OH=Zn(OH)2放电时正极附近生成OH，碱性增强，pH变大。充电时阳极(即该电池放电时的正极)接外接电源正极，阴极(即该电池放电时的负极)接外接电源负极。FeO423e4H2O=Fe(OH)35OH有机燃料电池电极反应式书写方法电极a为负极，电极b为正极，A为CO，B为O2。负极：2CO2CO324e=4CO2正极：O22CO24e=2

21、CO32-+CH410OH8e=CO327H2Oa减小O22CO24e=2CO322COO2=2CO2总：CH42O22OH=CO323H2O-+2.以葡萄糖为燃料的微生物燃料电池结构示意图如图所示。关于该电池的叙述正确的是()A该电池能够在高温下工作B电池的负极反应为：C6H12O6+6H2O-24e-=6CO2+24H+C放电过程中，H+从负极区向正极区迁移D在电池反应中，每消耗1 mol氧气，理论上能生成标准状况下CO2气体22.4 LA3.“重油氧气熔融碳酸钠”燃料电池装置如图所示。下列说法错误的是（）A.O2在b极得电子，最终被还原为CO32-B.放电过程中，电子由电极a经导线流向电

22、极bC.该电池工作时，CO32-经“交换膜2”移向b极D.H2参与的电极反应为：H2-2e-+CO32-=H2O+CO2C4.电化学气敏传感器可用于检测环境中NH3的含量，其工作原理示意图如下。下列说法不正确的是（）A.工作时，溶液中OH-向电极a移动B.a极的电极反应式为2NH3-6e-+6OH-=N2+6H2OC.反应消耗的NH3与O2的物质的量之比为4：5D.O2在电极b上发生还原反应CCBiF33e=Bi3F正MgF2+2e=Mg+2F，0.5mole0.5molF，m=0.519=9.5g阴极 阳极充电：阳极阴极放电：正极负极负极 正极阳氧阴还负氧正还太阳电减小NiO(OH)H2Oe=Ni(OH)2OHZn2e2OH=Zn(OH)2负极：Cd2e2OH=Cd(OH)2