电化学原理第一章绪论课件

电化学原理及其应用主讲人：雷维新第2页能源与环境问题绪论第3页清洁可再生能源太阳能风能海洋能生物能地热能机械能？电能？第4页洁净能源

资源丰富

使用方便光能太阳能电池电能40分钟辐射＝一年需求无“温室效应”，无环境污染不受地域限制，利用成本低太阳能的利用

光能

电能太阳能电池太阳能电池是一种能将光能转换为电能的器件。手机电池、电动汽车，到通讯、航空航天、智能“光伏建筑”等

太阳能电池的应用5第6页太阳能电池的分类硅基太阳能电池化合物半导体电池

聚合物太阳能电池染料敏化太阳能电池Dye-SensitizedSolarCells(DSSCs)第7页染料敏化太阳能电池的工作原理染料TiO2电解质对电极e-e-

负载吸收光能,电子激发染料再生电解质还原SauvageF,DecoppetJD,ZhangM,etal.JournaloftheAmericanChemicalSociety,2011,133(24):9304-9310.1000导弹用电池热电池高温电池高温电池二次电池燃料电池系列其他贮备一次电池固体电解质电池0.11101001000100001P/Wt/h图1.1各种类型电池主要应用范围0化学电源组成及其产业发展趋势铅酸电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池技术参数铅酸电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池工作电压(V)重量比能量(Wh/Kg)体积比能量(Wh/L)自放电率(%/月)有无记忆效应有无污染228-4064-72低有有1.25015025-30有有1.26520030-35有无3.6105-1403006-9无无几种二次电池的性能比较锂电池2023/7/22全球锂电池的产值增长趋势From：IIT报告到2018年锂电池产业的产值将达到320亿美元。锂电池市场未来的增长主要来源于电动汽车等动力锂电池领域、笔记本电脑等小型锂电领域对锂电池需求的快速增长，其中2018年电动汽车领域的锂电池产值将占50％以上，超过160亿美元。11Tesla汽车成为公路上最快且最为节省燃料的车子.属于纯电动零排放的电动汽车。---全球第一款量产版电动跑车

。12一、背景共计6,831只18650电池对电池的安全性和单个电池的均一性要求高13一、背景正极电池碱性锌锰电池高性能碱性电池动力型电池负极电解液隔膜纸外壳电池结构示意图充电放电正极反应:LiCoO2Li1-xCoO2+xLi++xe-负极反应:6C+xLi++xe-充电放电LixC6电池反应:6C+LiCoO2充电放电Li1-xCoO2+LixC6SOFC原理阳极电解质燃料空气-+水阴极O2-O2-O2+4e-->2O2-H2+2O2-->H2O+2e-总反应:H2+2O2->2H2OSOFC发电装置的应用发电站交通军事结构单位现在规模管式美国西屋电气公司250kw,0.3~0.4w/cm2,930℃日本三菱重工10kw美国国家能源技术实验室1.2kw平板式加拿大环球热电0.83w/cm2,750℃德国西门子10.8kw,0.6w/cm2900℃澳大利亚陶瓷燃料电池公司5kw,~0.2w/cm2

联合数码0.7kw,0.54w/cm2,800℃SOFC研发现状

心脏跳动时会产生1～2毫伏的电压，眼睛开闭产生5～6毫伏的电压，读书或思考问题时大脑产生0.2～1毫伏的电压。生物电化学

能在飞鱼落水前的一刹那叼住它，从不失手。军舰鸟的“电细胞”非常发达，其视网膜与脑细胞组织构成了一套功能齐全的“生物电路”，它的视网膜是一种比人类现有的任何雷达都要先进百倍的“生物雷达”，脑细胞组织则是一部无与伦比的“生物电脑”。电鳐能产生100伏电压非洲尼罗河中的电缩，电压有400～500伏

亚马孙河中的电级，能产生瞬间电流2安培，电压800伏。放电小眼鱼如含羞草的叶片受到刺激后，立即产生电流，电流沿着叶柄以每秒14毫米的速度传到叶片底座上的小球状器官，引起球状器官的活动，而它的活动又带动叶片活动，使得叶片闭合。

为什么人的手指触及含羞草时它便“弯腰低头”害羞起来?为什么向日葵金黄色的脸庞总是朝着太阳微笑?为什么捕蝇草会像机灵的青蛙一样捕捉叶子上的昆虫?一些生物包括细菌、植物、动物都能把化学能转化为电能，发光而不发热。

电化学研究对象

电化学科学的应用电化学发展历史

课程目标课程内容•电化学基础知识（绪论）•电解质溶液的性质及理论（第1章）•电化学热力学（第2章）•双电层结构及其特性（第3章）•电极过程动力学（第4章）•电化学催化（第5章）•应用电化学（第6-12章）本课程的学习要求：

（1）着重理解掌握电化学基本概念、基本原理、基本方程等基础理论知识；（2）可以灵活运用上述电化学的基础理论，进行简单的问题分析；（3）了解常见电化学工业的工艺与原理。教学要求与考核要求：独立完成作业，注意掌握基础理论，提高综合运用，融会贯通的能力。考核：平时成绩（30%）期末考试（70%）

第一节电化学研究对象一.不同的导电回路电子导电回路ElectronicCircuit原电池GalvanicCell电解池ElectrolyticCell电子导电回路凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的回路称之为电子导电回路。载流子：自由电子原电池回路将化学能转化为电能的装置。载流子：离子+电子电解池回路由外电源提供电能，使电流通过电极，在电极上发生电极反应的装置。载流子：电子＋离子几个重要概念第一类导体：凡是依靠物体内部自由电子的定向运动而导电的物体，即载流子为自由电子（或空穴）的导体，叫做电子导体，也称第一类导体。第二类导体：凡是依靠物体内的离子运动而导电的导体叫做离子导体，也称第二类导体。两种导电体系：电子导电回路电子-离子导体串联回路体系：泛指一定范围内或同类的事物按照一定的秩序和内部联系组合而成的整体，是不同系统组成的系统。两种导电体系的区别：电子导电回路中只有单纯的电子（空穴）流动；电子—离子导体串联回路中两种载流子是通过电极/溶液界面的氧化还原反应传递电荷的，并且导电过程中必然伴随着化学反应。二.电化学体系的定义电化学体系：两类导体串联组成的，在电荷转移过程中不可避免地伴随有物质变化的体系。电化学反应：在电化学体系中发生的氧化还原反应。电极反应：电极/溶液界面（两类导体界面）发生的电化学反应。阳极（anode）：发生氧化反应的电极原电池（-）电解池（+）阴极（cathode）：发生还原反应的电极原电池（+）电解池（-）三.电化学研究的内容第一类导体第二类导体界面结构与性质界面反应（电化学反应）动力学第二节电化学科学的应用电化学科学电化学工业化学电源腐蚀与防护电化学科学在工业上的应用电解式净水器电解熔融NaOH电化学科学在电池研究领域的应用燃料电池原理图电动汽车中电池工作原理图（左图为放电过程，右图为充电过程）电化学在金属的腐蚀与防护中的应用混凝土中钢筋的腐蚀研究平衡状态下的电化学体系，涉及的主要问题是化学能与电能之间转换的规律。（电源、电解、电合成，法拉第定律、能斯特方程、电解质溶液特性、界面结构等）1、电化学热力学（19世纪-20世纪初）电化学发展历史经历三个阶段‹意大利的解剖学家LuigiGalvani在解剖青蛙时发现，不同金属的两端接触青蛙时有电流通过，这种电流称为动物电(1791年)。‹这个现象被同国的物理学家AlessandroCountVolta进行了补充实验，于1799年发明了第一个原电池，1800年3月被证实为Volta电堆。这种电池称为Galvani(伽伐尼)电池，电动势的单位称为Volta(使电流流动的力)。这个电池的发明使利用电动势和电流方面的研究成为可能。1800年，英国的WilliamNicholson及SirAnthonyCarlisle做了电解水的研究工作。1807年，SirHumphryDavy用电解制备碱金属，得到钠和钾。1820年，丹麦的物理学家HansChristianOersted发现了电流的电磁作用，Davy的学生MichaelFarady做了补充实验，于1831年发现了电磁感应现象。这一发现使得Siemens得到启发，发明了发电机。1833年，Farady提出了著名的法拉第定律，其后与科学史学家WillamWhewell一起提出了有关电化学的术语（阴离子、阴极、阳离子、阳极、电极、电解等）。1837年,JönsJakobBerzelius(雅可比)发明电铸技术，随后用于精炼铜。1839，Grove由电解水得到启发，发明氢氧燃料电池。1849年，科尔贝(Kolbe)电解戊酸水溶液得到辛烷。1859年，普兰特发明了铅酸电池；1870年发明了发电机后，电解获得实际应用，出现了电解制铝、氯碱、H2和O2；1887年，阿仑尼乌斯提出电离学说。电解质溶液性质的研究。1889年，提出能斯特方程。1879年，提出Helmholtz固定双电层模型；1909~1913年，提出Gouy-Chapman扩散双电层模型；1924年，Stern固定扩散双电层模型；1947年，发现双电层特性吸附现象；1963年提出了具有特性吸附的双电层模型。2、电化学动力学-即电极过程动力学：研究电化学反应的速度与反应机理。1905年Tafel方程；1930年Butler-Volmer方程；1933年双电层对活化过程的影响；1932~1938年混合电位下的速度论方法；1924年