《化学电源》

第四章电化学基础 第二节化学电源 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 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 思考 目前化学电池主要分为哪几个大类 在性能等方面它们各有什么特点 产生电能的基本原理是什么 化学电池与其他能源相比有哪些优点 判断电池的优劣标准主要是什么 知识点1 化学电池 1 概念 将化学能变成电能的装置 2 分类 一次电池又称不可充电电池 如 干电池 二次电池又称充电电池 蓄电池 燃料电池 3 优点 4 电池优劣的判断标准 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 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 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 电池的储存时间的长短 锂电池 干电池 叠层电池 纽扣电池 知识点2 各类电池 空气电池 小型高性能燃料电池 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 电极总的反应式为 Zn 2MnO2 2NH4Cl ZnCl2 Mn2O3 2NH3 H2O 一 一次电池 练 写出锌锰干电池的电极反应和总化学反应方程式 负极 正极 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能正常供电了 我们在使用干电池的过程中并没有发现有气体产生 请推测可能是干电池中的什么成分起了作用 Zn 2e Zn2 锌筒变软 电池表面变得不平整 MnO2 碱性锌 锰干电池 负极 正极 电池反应 电解质 KOH Zn MnO2 Zn 2OH 2e Zn OH 2 2MnO2 2H2O 2e 2MnOOH 2OH Zn 2MnO2 2H2O 2MnOOH Zn OH 2 思考 该电池的正负极材料和电解质 1 干电池 负极 Zn 2e Zn2 正极 2NH4 2e 2NH3 H2 总电池反应方程式 2NH4Cl Zn ZnCl2 2NH3 H2 缺点 放电量小 放电过程中易气涨或漏液 改进后碱性锌锰电池的优点 电流稳定 放电容量 时间增大几倍 不会气涨或漏液 Zn 2MnO2 2H2O 2MnOOH Zn OH 2 2 迷你型电池 优点 电压高 稳定 低污染 用途 手表 相机 心率调节器 HgO S Zn S Hg l ZnO S Ag2O S Zn S 2Ag l ZnO S 3 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 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 放电过程总反应 Pb s PbO2 s 2H2SO4 2PbSO4 s 2H2O Pb s SO42 2e PbSO4 s 正极 PbO2 s 4H SO42 2e 2PbSO4 s 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 Pb s PbO2 s 2H2SO42PbSO4 s 2H2O l 充电过程 PbSO4 s 2e Pb s SO42 还原反应 阴极 阳极 2PbSO4 s 2H2O 2e PbO2 s 4H 2SO42 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 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 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 此电池放电时 负极上发生反应的物质是 A AgB Zn OH 2C Ag2OD Zn D 电极反应 负极 Zn 2e 2OH Zn OH 2 正极 Ag2O 2e H2O 2Ag 2OH 2 银锌蓄电池 3 镉镍电池 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 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 A Cd A B NiO OH D Ni OH 2 C 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 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 第一代燃料电池的大致情况如下 三 燃料电池 新型燃料电池 燃料电池不是把还原剂 氧化剂物质全部贮藏在电池内 而是在工作时 不断从外界输入 同时将电极反应产物不断排出电池 燃料电池 优点 能量转化率高 可持续使用 对环境友好 用途 宇宙飞船 应用前景广阔 负极 2H2 4OH 4e 4H2O 正极 O2 2H2O 4e 4OH 总反应方程式 2H2 O2 2H2O 燃料电池 2H2 4e 4H O2 4H 4e 2H2O 2H2 4e 4H O2 2H2O 4e 4OH 2H2 4OH 4e 4H2O O2 2H2O 4e 4OH 固体燃料电池 2H2 4e 2O2 2H2O O2 4e 2O2 2H2 4e 4H O2 4H 4e 2H2O 航天技术上使用的一种电池 它具有高能 轻便 不污染环境等优点 用Pt做电极 KOH溶液做电解液 因其反应与氢氧燃烧相似 故称为氢氧燃烧电池 请写出各电极的电极反应 氢氧燃料电池 若将氢气换成甲烷 写出各电极的电极反应 氢氧燃料电池 使用氢氧燃料电池动力的法国产标TAXI 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 书写电极反应式应注意以下几点 1 确定原电池的正负极 弄清正负极上发生反应的物质 2 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 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 4 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 5 溶液中不存在O2 在酸性溶液中它与H 结合成H2O 在碱性或中性溶液中它与水结合成OH 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 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 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 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 两电极材料均为惰性电极 负极 可燃性气体失电子 正极 助燃性气体得电子 电极反应考虑电解质溶液 1 在含有H2S气体的空气中 银器表面易变黑 生成了Ag2S 为了除去银器表面Ag2S 可采用如下方法 在一个铝制的容器中放入食盐溶液 将银器浸入食盐溶液 使银器与铝接触良好 过一段时间 银器表面变为银白色 并闻到臭鸡蛋的气味 观察到有少量白色絮状沉淀生成 请用电极反应式和离子方程式表示上述过程 巩固练习 负极 Al 3e Al3 正极 Ag2S 2e 2Ag S2 总反应 2Al 3Ag2S 6H2O 6Ag 2Al OH 3 3H2S 2 熔融盐燃料电池具有较高的发电效率 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的混合气为阴极燃气 制得在65 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 总反应式 O2 4e 2CO2 2CO32 2CO O2 2CO2 3 锂电池是一代新型高能电池 它以质量轻 能量高而受到了普遍重视 目前已研制成功多种锂电池 某种锂电池的总反应为Li MnO2 LiMnO2 下列说法正确的是 A Li是正极 电极反应为Li e Li B Li是负极 电极反应为Li e Li C Li是负极 电极反应为MnO2 e MnO2 D Li是负极 电极反应为Li 2e Li2 B 4Al 12e 4Al3 3O2 6H2O 12e 12OH 不活泼金属或碳 Cu 2Fe3 2e 2Fe2 Cu 2e Cu2 6 已知 铅蓄电池充电完毕后 电池中硫酸的密度为 1 放电完毕后 溶液的密度变为 2 又铅蓄电池充电时的反应 2PbSO4 2H2OPb PbO2 2H2SO4法拉第常数 F 96500C mol 写出铅蓄电池使用时所产生的总反应式及两电极上的半反应 已知充放电完毕后 溶液的密度是下列两个数据 1 10g cm3 相当于含14 35 质量 的硫酸 1 28g cm3 相当于含36 87 质量 的硫酸请指出分别 1 2对应于哪一个数据 用什么方法可以确定什么时候该充电什么时候该停止充电 按方程式计算生成及消耗的水和硫酸的质量 计算一个电容量为4 32 106C的蓄电池中需加多少硫酸 用久了的铅蓄电池会对环境造成污染 为什么 充电 此课件下载可自行编辑修改 供参考 感