选修第四章第二节化学电源

选修第四章第二节化学电源［学与问］在日常生活和学习中，你用过哪些电池，你知道电池的其它应用吗？电池化学电池太阳能电池原子能电池将化学能转换成电能的装置将太阳能转换成电能的装置将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器转变为电能的装置第2页,共41页，2024年2月25日，星期天1、概念:将化学能变成电能的装置2、分类:①一次电池又称不可充电电池——如：干电池②二次电池又称充电电池——蓄电池③燃料电池3、优点:①能量转换效率高，供能稳定可靠。②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。③易维护，可在各种环境下工作。化学电池第3页,共41页，2024年2月25日，星期天4、电池优劣的判断标准:①比能量［符号(W·h/kg)，(W·h/L)］指电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少②比功率[符号是W/kg，W/L)]指电池单位质量或单位体积所能输出功率的大小③电池的储存时间的长短第4页,共41页，2024年2月25日，星期天叠层电池纽扣电池各类电池各类电池锂电池干电池第5页,共41页，2024年2月25日，星期天空气电池小型高性能燃料电池

第6页,共41页，2024年2月25日，星期天1、干电池(普通锌锰电池）干电池用锌制桶形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充NH4Cl、ZnCl2和淀粉作电解质溶液，还填充MnO2的黑色粉末吸收正极放出的H2，防止产生极化现象。一、一次电池第7页,共41页，2024年2月25日，星期天干电池负极（锌筒）：Zn-2e-＝Zn2+

正极（石墨棒）：

2NH4++2e-＝2NH3+H2

H2+2MnO2＝Mn2O3+H2OZn2++4NH3＝[Zn(NH3)4]2+

总反应：2Zn+4MnO2+4NH4Cl=[Zn(NH3)4]Cl2+2Mn2O3+ZnCl2+2H2O（-）Zn|NH4Cl|C（+）第8页,共41页，2024年2月25日，星期天2、碱性锌-锰干电池|KOH|负极：(-)ZnZn-2e-+2OH-=Zn(OH)2正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-

缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵优点：比能量和储存时间有所提高，适用于大电流和连续放电电池总反应：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2

(+)MnO2第9页,共41页，2024年2月25日，星期天3.锌银钮扣电池正极：Ag2O+H2O+

2e-=2Ag+2OH－负极：Zn+2OH－-2e-=ZnO+H2O总反应：Zn+Ag2O=ZnO+2AgZn|

KOH

|

Ag2O第10页,共41页，2024年2月25日，星期天4、锂电池锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl2)：

8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S负极：

；正极：

。用途：质轻、高能(比能量高)、高工作效率、高稳定电压、工作温度宽、高使用寿命，广泛应用于军事和航空领域。8Li-8e-=8Li+3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S第11页,共41页，2024年2月25日，星期天铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池……1.铅蓄电池(1)正负极材料正极：PbO2负极：Pb(2)工作机制电解质：H2SO4溶液铅蓄电池为典型的可充电电池，其电极反应分为放电和充电两个过程二、二次电池第12页,共41页，2024年2月25日，星期天放电过程总反应：Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4=2PbSO4(s)+2H2OPb(s)+SO42--2e-=PbSO4(s)正极：PbO2(s)+4H++SO42-+2e-=PbSO4(s)+2H2O

氧化反应

还原反应负极：①放电过程铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程第13页,共41页，2024年2月25日，星期天Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO42PbSO4(s)+2H2O(l)②充电过程PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-

还原反应阴极：阳极：PbSO4(s)+2H2O-2e-=PbO2(s)+4H++SO42-

氧化反应接电源负极接电源正极充电过程总反应：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4铅蓄电池的充放电过程：放电充电第14页,共41页，2024年2月25日，星期天(3)优缺点简析缺点：比能量低、笨重、废弃电池污染环境优点：可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉其它二次电池镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、聚合物锂离子蓄电池……第15页,共41页，2024年2月25日，星期天2、银锌蓄电池1970-1975,开发了先进的银锌、镍镉电池技术。1975-1983,为美国海军生产潜水艇用银锌电池。1979-1987,为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。1998-1992,为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。第16页,共41页，2024年2月25日，星期天2、银锌蓄电池反应式为：Zn+Ag2O+H2O2Ag+Zn(OH)2

写出电极反应式。放电充电正极壳填充Ag2O和石墨，负极盖填充锌汞合金，电解质溶液KOH。第17页,共41页，2024年2月25日，星期天银-锌蓄电池广泛用作各种电子仪器的电源，它的充电和放电过程可以表示为：2Ag+Zn(OH)2Ag2O+Zn+H2O放电充电此电池放电时，负极上发生反应的物质是（）A.AgB.Zn(OH)2C.Ag2OD.ZnD电极反应：负极：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2正极：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-第18页,共41页，2024年2月25日，星期天3、镉镍电池NiO2+Cd+2H2ONi(OH)2+Cd(OH)2

放电充电负极材料：Cd；正极材料：涂有NiO2，电解质：KOH溶液。反应式如下：写出电极反应式。特点：比铅蓄电池耐用，可密封反复使用。第19页,共41页，2024年2月25日，星期天镍—镉可充电电池可发生如下反应：Cd+2NiO(OH)+2H2O由此可知，该电池的负极材料是Cd(OH)2+2Ni(OH)2放电充电A.Cd

（A

）B.

NiO(OH)

D.Ni(OH)2C.Cd(OH)2电极反应：负极：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2

正极：2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-第20页,共41页，2024年2月25日，星期天大有发展前景的燃料电池

燃料电池是利用氢气、天然气、甲醇等燃料与氧气或空气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。目前燃料电池的能量转化率可达近80%，约为火力发电的2倍。这是因为火力发电中放出的废热太多。燃料电池的噪声及硫氧化物、氮氧化物等废气污染都接近零；燃料电池发明于19世纪30年代末，经反复试验、改进，到20世纪60年代才开始进入实用阶段。三、燃料电池第21页,共41页，2024年2月25日，星期天1、燃料电池特点燃料、氧化剂：外部供给电极：不包含活性物质，只是一个催化转化元件2、燃料电池优点：绿色、高效、节能，可连续使用。第22页,共41页，2024年2月25日，星期天氢氧燃料电池第23页,共41页，2024年2月25日，星期天3、氢氧燃料电池（1）构造特点：（2）电池反应

酸性电解质

总反应：负极：正极：第24页,共41页，2024年2月25日，星期天负极:2H2+4OH-－4e-＝4H2O正极:O2+2H2O＋4e-＝4OH-总反应方程式：

2H2＋O2＝2H2O练习1：氢氧燃料电池（碱性电解质）第25页,共41页，2024年2月25日，星期天负极:正极:总反应方程式：

练习2：甲醇燃料电池

酸性电解质碱性电解质第26页,共41页，2024年2月25日，星期天负极:正极:总反应方程式：

练习3：乙烷燃料电池

酸性电解质碱性电解质第27页,共41页，2024年2月25日，星期天4、熔融盐燃料电池具有高的发电效率，因而受到重视，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融盐混合物作电解质，CO为阳极燃气，空气与CO2的混合气为阴极助燃气，制得在650℃下工作的燃料电池，完成有关的电池反应式：负极反应式：2CO＋2CO32-=4CO2＋4e－正极反应式：

。总电池反应式：

。第28页,共41页，2024年2月25日，星期天5、一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体；电解质是掺杂氧化钇(Y2O3)的氧化锆(ZrO2)晶体，在熔融状态下能传导O2-。下列对该燃料电池说法正确的是()A.在熔融电解质中，O2-由负极移向正极B.电池的总反应是：2C4H10＋13O2-

＝8CO2＋10H2OC.通入空气的一极是正极，电极反应为:O2＋4e-＝2O2-D.通入丁烷的一极是正极，电极反应为：C4H10＋26e-＋13O2-＝4CO2＋5H2O第29页,共41页，2024年2月25日，星期天燃料电池介质电池反应：2H2+Ｏ２=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-=2H2O2H2-4e-=4H+

O2+2H2O+4e-=4OH-2H2+4OH--4e-=4H2OO2+2H2O+4e-=4OH-第30页,共41页，2024年2月25日，星期天固体燃料电池介质电池反应：

2H2+Ｏ２=2H2O

负极正极负极

正极2H2-4e-+2O2－=2H2O

O2+4e-=2O2－

2H2-4e-=4H+

O2+4H+

+4e-=2H2O第31页,共41页，2024年2月25日，星期天书写电极反应式应注意以下几点：1．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“拆”、“平”）；3．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＋4价的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在碱性溶液中以CO32－形式存在）；2．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另一极反应；第32页,共41页，2024年2月25日，星期天用途广泛的电池用于“神六”的太阳能电池笔记本电脑专用电池手机专用电池摄像机专用电池各式各样的纽扣电池第33页,共41页，2024年2月25日，星期天迅猛发展的绿色环保电池是指近年来研制、开发和已投入使用的高性能、无污染电池。金属氢化物镍电池与镉镍电池有相同的工作电压(12伏)，但由于采用了稀土合金或TiNi合金储氢材料作为负极活性物质，取代了致癌物质镉，使其成为一种绿色环保电池。锂离子蓄电池系由碳作负极，嵌锂的金属氧化物作正极和有机电解质构成，其工作电压为36伏，因此一个锂离子电池相当三个镉镍或金属氢化物镍电池。可充电碱锰电池是在碱性锌锰原电池基础上发展起来的，由于应用了无汞化的锌粉及新型添加剂，不仅保持了原电池的电流放电特性，而且能充电使用几十次至几百次。太阳能电池利用P—N结的光电效应，把太阳光能直接转换成电能，满足用户需要。这种发电具有无需燃料、无污染、无噪声、运行简单可靠、减少维护、建设周期短等特点，已被空间和无常规能源的地域广泛采用。绿色电池种种第34页,共41页，2024年2月25日，星期天电池的发展方向光电池使用方便,特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展,促使其应用更加快捷.美,日,欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划,开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性,降低成本,不断扩大产业.目前已有80多个国家和地区形成商业化,半商业化生产能力,市场开拓从空间转向地面系统应用。第35页,共41页，2024年2月25日，星期天课堂总结1、仅有一个电极材料参与反应的原电池：

负极：M-xe=Mx+

正极：析氢或吸氧或析出不活泼金属2、两个电极均参与反应的原电池（如蓄电池，纽扣电池）①电极材料：金属为负极，金属化合物为正极．第36页,共41页，2024年2月25日，星期天②电子得失均由两电极本身发生．③电极反应需考虑电解质溶液的参与．

3、电极材料本身均不参与反应的电池（燃料电池）①两电极材料均为惰性电极．②负极－可燃性气体失电子，正极－助燃性气体得电子．③电极反应考虑电解质溶液．第37页,共41页，2024年2月25日，星期天将铂丝插入KOH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，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，通入甲烷的一极为____，这一极的电极反应为___________________；通入氧气的一极为_______，电极反应为__________________________________，总反应为__________________________。负极CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O正极O2+4e-+2H2O=4OH-CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O若将氢气换成甲烷，写出各电极的电极反应第38页,共41页，2024年2月25日