【知识解析】常见的化学电源

一次电池一次电池中电解质溶液制成胶状，不流动，也叫做干电池。常见的一次电池主要有普通锌锰电池、碱性锌锰电池和锌银电池等。如表所示为普通锌锰电池和碱性锌锰电池的比较。普通锌锰电池碱性锌锰电池装置一次电池普通锌锰电池碱性锌锰电池电极反应及电池总反应负极：Zn＋2NH3－2e－===[Zn（NH3）2]2＋正极：2NH4＋＋2MnO2＋2e－===2NH3↑＋2MnO（OH）总反应：Zn＋2MnO2＋2NH4＋===[Zn（NH3）2]2＋＋2MnO（OH）负极：Zn＋2OH－－2e－===Zn（OH）2正极：2MnO2＋2H2O＋2e－===2MnO（OH）＋2OH－总反应：Zn＋2MnO2＋2H2O===2MnO（OH）＋Zn（OH）2特点优点：制作简单，价格便宜。缺点：新电池会发生自动放电，使存放时间缩短，放电后电压下降较快比普通锌锰电池性能好，其比能量和可储存时间均有所提高续表一次电池知识链接常见的纽扣电池为锌银电池，一般用不锈钢制成小圆盒形，圆盒由正极壳和负极盖组成，盒内靠正极壳一端填充由Ag2O和少量石墨组成的正极活性材料，负极盖一端填充由锌汞合金组成的负极活性材料，电解质溶液为浓KOH溶液，溶液两边用羧甲基纤维素作隔膜，将电极与电解液分开，如图所示。锌银电池1．构成一次电池知识链接锌银电池2．电极反应及电池总反应负极：Zn＋2OH－－2e－===ZnO＋H2O正极：Ag2O＋H2O＋2e－===2Ag+2OH－总反应：Zn＋Ag2O===ZnO＋2Ag一次电池知识链接锌银电池3．特点4．用途常制成纽扣式微型电池，广泛用于电子手表、照相机、计算器和其他微型电子仪器。一粒纽扣电池的电压达1.59V，使用过程中，电池负极区溶液的pH减小，正极周围pH增大。电池比能量大、电压稳定，储存时间长，适宜小电流连续放电。二次电池二次电池又称可充电电池或蓄电池，该类电池既可放电也可充电，具有双重功能，它在放电时利用自发的氧化还原反应，在充电时又可逆向进行，如此充放电循环进行，至一定周期后终止。名师提醒二次电池放电时是一个原电池，将化学能转化为电能；充电时是一个电解池（第二节学习），将电能转化为化学能。二次电池（1）铅酸蓄电池①铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电池是一种常见的二次电池。铅酸蓄电池由两组栅状极板交替排列而成，可放电也可充电，一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳（防止酸液泄漏）。铅酸蓄电池设有多层电极板，其中正极板上覆盖有棕褐色的PbO2，负极板上覆盖有海绵状的金属Pb，正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料隔开（防止电极之间发生短路），两极均浸入稀H2SO4中，如图所示。SO2-4SO2-4SO2-4SO2-4二次电池②铅酸蓄电池的工作原理放电负极Pb＋

－2e－===PbSO4正极PbO2＋4H＋＋

＋2e－===PbSO4＋2H2O总反应Pb＋PbO2＋2H2SO4===2PbSO4＋2H2O充电阴极PbSO4＋2e－===Pb＋阳极PbSO4＋2H2O－2e－===PbO2＋4H＋＋总反应2PbSO4＋2H2O===Pb＋PbO2＋2H2SO4合并总反应Pb＋PbO2＋2H2SO42PbSO4＋2H2O放电通电注意：电化学上常把发生氧化反应的电极叫做阳极，发生还原反应的电极叫做阴极。二次电池③铅酸蓄电池的特点及应用铅酸蓄电池可重复使用，电压稳定，使用方便，安全可靠，价格低廉；但其比能量低、笨重，废弃电池污染环境。铅酸蓄电池在生产、生活中使用广泛，如铅酸蓄电池多用于启动和维持汽车用电系统的正常运转。二次电池名师提醒（1）蓄电池充、放电时各电极上发生的反应电源（一）蓄电池电源（＋）放电负极氧化反应正极还原反应充电阴极还原反应阳极氧化反应二次电池名师提醒（2）蓄电池充电时的电极反应和总反应是放电时反应的逆过程，但总反应不是可逆反应。（3）充电时蓄电池正极接电源正极，蓄电池负极接电源负极，即“正接阳，负接阴”。二次电池（2）锂离子电池①锂离子电池的优点：质量小、体积小、储存和输出能量大等。②常见锂离子电池的材料组成负极材料正极材料电解质溶液嵌锂石墨（LixCy）钴酸锂（LiCoO2）六氟磷酸锂（LiPF6）的碳酸酯无水溶液二次电池③铅酸蓄电池的特点及应用结构原理图二次电池放电负极反应：LixCy－xe－===xLi＋＋CyLi＋由石墨中脱嵌移向正极，嵌入LiCoO2晶体中正极反应：Li1－xCoO2＋xe－＋xLi＋===LiCoO2总反应：LixCy＋Lil－xCoO2===LiCoO2＋Cy充电阳极反应：LiCoO2－xe－===Li1－xCoO2＋xLi＋Li＋从LiCoO2晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中阴极反应：xLi＋＋Cy＋xe－===LixCy总反应：LiCoO2＋Cy===LixCy＋Li1－xCoO2续表二次电池合并总反应Li1－xCoO2＋LixCyLiCoO2＋Cy在放电、充电时，锂离子往返于电池的正极、负极之间，完成化学能与电能的相互转化续表④锂离子电池的应用：是多种便携式电子设备（如智能手机、笔记本电脑等）和交通工具（如电动汽车、电动自行车等）的常用电池，还可用于大型储能电站等。放电通电二次电池名师提醒一次电池和二次电池中常含有汞、镉、铅、镍、锰等重金属和酸、碱等有害物质，随意丢弃会污染土壤、水体，并且会对人体健康造成危害。因此，废旧电池应进行回收利用，这样既可减少环境污染，又可节约资源。燃料电池（1）燃料电池的概念燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。（2）燃料电池的工作原理燃料电池可连续地将氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气等液体或气体燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能。电极本身不包含活性物质，不参与氧化还原反应。工作时，燃料和氧化剂连续地由外部供给，并在电极上不断地进行反应，生成物不断地被排出，于是就可以连续不断地提供电能。如图中电动汽车的燃料电池可连续不断地为汽车续航提供电能。燃料电池燃料电池（3）氢氧燃料电池的工作原理氢氧燃料电池是一种高效、低污染的新型电池，主要用于航天领域。电极材料一般为惰性电极，具有很强的催化活性，如铂电极、活性炭电极等。氢氧燃料电池以氢气为燃料，氧气为氧化剂，电解质溶液可以是酸性的（如稀硫酸），也可以是碱性的和中性的，如图所示。在不同酸碱性电解质溶液中的反应如表所示。燃料电池（3）氢氧燃料电池的工作原理电解质溶液H2SO4溶液K2SO4溶液KOH溶液负极反应2H2－4e－===4H＋2H2－4e－===4H＋2H2＋4OH－－4e－===4H2O正极反应O2＋4H＋＋4e－===2H2OO2＋2H2O＋4e－===4OH－O2＋2H2O＋4e－===4OH－总反应2H2＋O2===2H2O燃料电池（4）燃料电池的优点①氧化剂与燃料在工作时不断地由外部供给，生成物不断地被排出，能连续不断地提供电能。②能量转化率高，有利于节约能源。③排放的废弃物少甚至零排放，绿色环保。燃料电池（5）几种其他燃料电池的简介负极和正极分别通入CH4和O2，在酸性条件下负极生成H＋，正极消耗H＋；碱性条件下正极生成OH－，负极消耗OH－并生成，在H2SO4溶液和KOH溶液中的反应如表所示。①甲烷燃料电池燃料电池电解质溶液电极反应总反应H2SO4溶液负极：CH4＋2H2O－8e－===CO2＋8H＋正极：2O2＋8H＋＋8e－===4H2OCH4＋2O2===CO2＋2H2OKOH溶液负极：CH4＋10OH－－8e－===＋7H2O正极：2O2＋4H2O＋8e－===8OH－CH4＋2O2＋2OH－===＋3H2O燃料电池②乙醇燃料电池电解质溶液电极反应总反应H2SO4溶液负极：C2H5OH＋3H2O－12e－===2CO2↑＋12H＋正极：3O2＋12H＋＋12e－===6H2OC2H5OH＋3O2===2CO2＋3H2ONaOH溶液负极：C2H5OH＋16OH－－12e－===2＋11H2O正极：3O2＋6H2O＋12e－===12OH－C2H5OH＋3O2＋4OH－===2＋5H2O燃料电池③熔融盐燃料电池如用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质的燃料电池，CO为燃料，空气与CO2的混合气为助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，在工作过程中，电解质熔融盐的组成、浓度不变。总反应：2CO＋O2===2CO2正极：O2＋2CO2＋4e－===2负极：2CO＋2－4e－===4CO2燃料电池辨析比较1．一次电池和二次电池的活性物质均储存在电池内部，所以限制了电池的容量。一次电池的活性物质被消耗到一定程度时就不能再放电，二次电池在充电时不能输出电能；而燃料电池只要不断地供给燃料和氧化剂，就能连续不断地输出电能。2．一次电池和二次电池与环境只有能量交换而没有物质交换，是一个封闭的电化学系统；而燃料电池却是一个敞开的电化学系统，与环境既有能量交换，又有物质交换。燃料电池和一次电池、二次电池的区别典例详析例3－7下列说法正确的是（）A．普通锌锰电池是一次电池，碱性锌锰电池是二次电池B．铅酸蓄电池是一次电池，锂离子电池是二次电池C．燃料电池的能量转化率可达100％D．废旧电池集中处理的主要原因是防止电池中的重金属、酸和碱等物质污染水源及土壤D典例详析解析：一次电池是放电后不能再充电使其复原的电池，如普通锌锰电池、碱性锌锰电池等；二次电池又称可充电电池或蓄电池，放电后可通过充电的方法使活性物质再生而继续使用的电池，如铅酸蓄电池、锂离子电池等，A、B项错误；燃料电池除将化学能转化为电能外，还有一部分转化为热能，能量转化率小于100％，C项错误；电池中的重金属、酸和碱等物质会污染土壤和水源，需要集中处理，D项正确。典例详析例3－8碱性锌锰电池（结构如图）是一种使用广泛的便携式电源，电池总反应为Zn＋2MnO2＋2H2O===Zn（OH）2＋2MnO（OH）。下列说法不正确的是（）CA．MnO（OH）中。Mn元素化合价为＋3B．正极参与反应的物质为MnO2和H2OC．负极反应式为Zn－2e－===Zn2＋D．金属外壳起到容器作用，不参与反应典例详析解析：MnO（OH）中O元素化合价为－2，H元素化合价为＋1，故Mn元素的化合价为＋3，A项正确；正极反应为MnO2＋e－＋H2O===MnO（OH）＋OH－，故MnO2和H2O均参与了正极反应，B项正确；负极反应为Zn－2e－＋2OH－===Zn（OH）2，C项错误；金属外壳起到容器作用，可保护内部物质，不参与反应，D项正确。典例详析例3－9（2019江苏宿迁中学期末改编，双选）图为大功率Al－H2O2动力电池装置，下列说法正确的是（）A．H2O2在碳电极上发生还原反应B．碳电极附近溶液的pH减小C．溶液中OH－向负极移动D．负极反应式为Al－3e－＋3OH－===Al（OH）3AC典例详析解析：该电池中，碳作正极，电极反应式为H2O2＋2e－===2OH－，其中H2O2得电子发生还原反应，生成OH－，碳电极附近溶液的pH增大，A项正确，B项错误；Al作负极，放电时电解质溶液中阴离子向负极移动，所以OH－通过离子交换膜从碳电极移向Al电极，C项正确；Al易失电子，作负极，电极反应式为Al－3e－＋4OH－===2H2O＋AlO2－，D项错误。典例详析例3－10下列关于铅酸蓄电池的说法正确的是（）B．放电时，该电池的负极材料是铅板C．充电时，电池中硫酸的浓度不断减小BA．放电时，正极发生的电极反应是Pb＋－2e－===PbSO4D．充电时，阳极发生的反应是PbSO4＋2e－===Pb＋典例详析解析：铅酸蓄电池充放电总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4

2PbSO4＋2H2O。放电时Pb作负极，电极反应为Pb－2e－＋===PbSO4，正极反应为PbO2＋2e－＋4H＋＋===PbSO4＋2H2O。充电时，电池中H2SO4的浓度不断增大，阳极上PbSO4失去电子发生氧化反应。放电通电典例详析例3－11（2019广东湛江第一中学第二次大考）已知某镍镉（Ni－Cd）电池的电解质溶液为KOH溶液，其充放电总反应为Cd＋2NiO（OH）＋2H2OCd（OH）2＋2Ni（OH）2。有关该电池的说法正确的是（）放电通电AA．充电时阳极反应：Ni（OH）2＋OH－－e－===NiO（OH）＋H2OB．充电过程是化学能转化为电能的过程C．放电时负极附近溶液的碱性不变D．放电时电解质溶液中的OH－向正极移动典例详析解析：根据总反应可知，放电时正极反应为NiO（OH）＋H2O＋e－===Ni（OH）2＋OH－，由充电时阳极反应是放电时正极反应的逆过程可推知，充电时阳极反应为Ni（OH）2＋OH－－e－===NiO（OH）＋H2O，故A正确；充电时，电能转化为化学能，故B错误；放电时，负极反应为Cd－2e－＋2OH－===Cd（OH）2，所以负极附近溶液的碱性减弱，故C错误；放电时，电解质溶液中OH－向负极移动，故D错误。典例详析例3－12（2020河南九校月考）我国科研人员研制出一种Li－N2可充电电池，该电池中锂箔作负极，多孔碳布作正极，玻璃纤维作隔板，其电池结构如图所示，电池总反应为6Li＋N2===2Li3N。下列说法错误的是（）CA．该电池属于二次电池B．放电时正极反应式为6Li＋＋N2＋6e－===2Li3NC．正、负极室均可用锂盐水溶液作电解质溶液D．该电池的放电过程是一种固氮过程典例详析解析：该电池为可充电电池，属于二次电池，故A正确；放电时，N2得到电子，Li＋参与反应，电极反应式为6Li＋＋N2＋6e－===2Li3N，属于固氮过程，故B、D正确；Li作负极，能与水发生反应，则负极室不可用锂盐水溶液作电解质溶液，故C错误。典例详析例3－13（2020江西顶级名校月考）镍钴锰三元材料是近年来开发的一类新型锂离子电池的正极材料，具有容量高、循环稳定性好、成本适中等优点。镍钴锰三元材料中Ni为主要元素，其通常可以表示为LiNiaCobMncO2，其中a＋b＋c＝l，可简写为LiAO2。充电时电池总反应为LiAO2＋nC===Li1－xAO2＋LixCn（0＜x＜1），工作原理如图所示，则下列说法正确的是（）A．放电时Ni元素最先失去电子B．放电时电子从a电极经导线流向b电极典例详析例3－13（2020江西顶级名校月考）镍钴锰三元材料是近年来开发的一类新型锂离子电池的正极材料，具有容量高、循环稳定性好、成本适中等优点。镍钴锰三元材料中Ni为主要元素，其通常可以表示为LiNiaCobMncO2，其中a＋b＋c＝l，可简写为LiAO2。充电时电池总反应为LiAO2＋nC===Li1－xAO2＋LixCn（0＜x＜1），工作原理如图所示，则下列说法正确的是（）C．充电时的阴极反应式为LiAO2－xe－===Li1－xAO2＋xLi＋D．充电时转移1mol电子，理论上阴极材料质量增加7gD典例详析解析：根据充电时电池总反应可推出，放电时电池总反应为LixCn＋Li1－xAO2===LiAO2＋nC，结合放电时电池总反应及镍钴锰三元材料作正极，可推出放电时LixCn是负极，LixCn中的Li元素失去电子，而正极Li1－xAO2中的A（Ni、Co、Mn）得到电子，A项错误；根据Li＋的移动方向可知，放电时a为正极，b为负极，电子从负极b经导线流向正极a，B项错误；充电时，阴极发生得电子的还原反应，电极反应式为nC＋xLi＋＋xe－＝LixCn，转移1mol电子，理论上阴极材料的质量会增加1molLi＋的质量，为7g，C项错误，D项正确。典例详析例3－14燃料电池是目前电池研究的热点之一。现有某课外小组自制的氢氧燃料电池，如图所示，a、b均为惰性电极。下列叙述不正确的是（）BA．a电极是负极，该电极上发生氧化反应B．b电极反应为O2＋4OH－－4e－===4H2OC．电池总反应为2H2＋O2===2H2OD．该电池使用过程中电解质溶液的pH逐渐减小典例详析解析：氢氧燃料电池工作时，通入氢气的一极（a电极）为电池的负极，发生氧化反应，A项正确；通入氧气的一极（b电极）为电池的正极，发生还原反应，正极反应式为O2＋2H2O＋4e－＝4OH－，B项错误；氢氧燃料电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O，C项正确；电池工作时生成水，c（OH－）逐渐减小，则溶液pH逐渐减小，D项