《化學電源》課件.ppt

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第四章 電化學基礎,第二節(jié) 化學電源,,用途廣泛的電池,用于“神六”的太陽能電池,筆記本電腦專用電池,手機專用電池,攝像機專用電池,各式各樣的紐扣電池,［學與問］在日常生活和學習中，你用過哪些電池，你知道電池的其它應用嗎？,電池,,,,,化學電池,太陽能電池,原子能電池,將化學能轉換成電能的裝置,將太陽能轉換成電能的裝置,將放射性同位素自然衰變時產生的熱能通過熱能轉換器轉變?yōu)殡娔艿难b置,【思考】 ①目前化學電池主要分為哪幾個大類？ 在性能等方面它們各有什么特點？ 產生電能的基本原理是什么？ ②化學電池與其他能源相比有哪些優(yōu)點？ ③判斷電池的優(yōu)劣標準主要是什么？,知識點1：化學電池,1)概念:,將化學能變成電能的裝置,2)分類:,①一次電池又稱不可充電電池——如：干電池 ②二次電池又稱充電電池——蓄電池 ③燃料電池,,3)優(yōu)點:,4)電池優(yōu)劣的判斷標準:,①能量轉換效率高，供能穩(wěn)定可靠。,②可以制成各種形狀和大小、不同容量和電壓的電池和電池組，使用方便。,③易維護，可在各種環(huán)境下工作。,,①比能量,［符號(W·h/kg)，(W·h/L)］,指電池單位質量或單位體積所能輸出電能的多少,②比功率,[符號是W/kg，W/L)],指電池單位質量或單位體積所能輸出功率的大小,③電池的儲存時間的長短,鋰電池,干電池,疊層電池,紐扣電池,知識點2：各類電池,空氣電池,小型高性能燃料電池,,1、干電池(普通鋅錳電池）,干電池用鋅制桶形外殼作負極，位于中央的頂蓋有銅帽的石墨作正極，在石墨周圍填充NH4Cl、ZnCl2和淀粉作電解質溶液，還,填充MnO2的黑色粉末吸收正極放出的H2，防止產生極化現象。電極總的反應式為：,Zn+2MnO2 + 2NH4Cl = ZnCl2+ Mn2O3+2NH3+H2O,一、 一次電池,練：寫出鋅錳干電池的電極反應和總化學反應方程式。 負極———————————————— 正極———————————————— 總反應——————————————— 通常我們可以通過干電池的外觀上的哪些變化判斷它已經不能正常供電了？_____________________________我們在使用干電池的過程中并沒有發(fā)現有氣體產生，請推測可能是干電池中的什么成分起了作用？,Zn-2e-=Zn2+,鋅筒變軟，電池表面變得不平整,MnO2,堿性鋅-錳干電池,負極：,正極：,電池反應：,電解質：,KOH,——Zn,——MnO2,Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2,2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-,Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2,［思考］該電池的正負極材料和電解質．,1.干電池,負極: Zn－2e-＝Zn2＋,正極: 2NH4+＋2e-＝2NH3↑＋H2 ↑,總電池反應方程式 ：2NH4Cl＋Zn＝ZnCl2＋2NH3↑＋H2↑,缺點：放電量小，放電過程中易氣漲或漏液,改進后堿性鋅錳電池的優(yōu)點： 電流穩(wěn)定，放電容量、時間增大幾倍，不會氣漲或漏液。,Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2,2、迷你型電池,優(yōu)點：電壓高、穩(wěn)定，低污染。,用途：手表、相機、心率調節(jié)器,HgO（S）+Zn（S）=Hg（l）+ZnO（S）,Ag2O（S）+Zn（S）=2Ag（l）+ZnO（S）,3、鋰電池,鋰亞硫酰氯電池(Li-SOCl2)：8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S 負極： ；正極： 。,用途：質輕、高能(比能量高)、高工作效率、高穩(wěn)定電壓、工作溫度寬、高使用壽命，廣泛應用于軍事和航空領域。,8Li-8e-=8Li+,3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S,鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池……,1.鉛蓄電池,1)正負極材料,正極：PbO2,負極：Pb,2)工作機制,電解質：H2SO4溶液,鉛蓄電池為典型的可充電電池， 其電極反應分為放電和充電兩個過程,二、二次電池,放電過程總反應：,Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4=2PbSO4(s)+2H2O,Pb(s) + SO42- -2e- =PbSO4 (s),正極：,PbO2(s) + 4H++SO42- +2e- =2PbSO4 (s) +2H2O,氧化反應,還原反應,負極：,①放電過程,鉛蓄電池充電的反應則是上述反應的逆過程,Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4 2PbSO4(s)+2H2O(l),①充電過程,PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42-,還原反應,陰極：,陽極：,2PbSO4 (s)+2H2O -2e- = PbO2(s) + 4H++ 2SO42-,氧化反應,,接電源負極,,接電源正極,充電過程總反應：,2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4,鉛蓄電池的充放電過程：,3)優(yōu)缺點簡析,缺點：,比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境,優(yōu)點：,可重復使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價格低廉,其它二次電池,鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、聚合物鋰離子蓄電池……,,銀-鋅蓄電池廣泛用作各種電子儀器的電源，它的充電和放電過程可以表示為：,2Ag+Zn(OH)2 Ag2O+Zn+H2O,此電池放電時，負極上發(fā)生反應的物質是（ ）,A.Ag B.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn,D,電極反應：,負極：Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2,正極：Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-,2、銀鋅蓄電池,3、鎘鎳電池,負極材料：Cd； 正極材料：涂有NiO2， 電解質：KOH溶液。 反應式如下：,寫出電極反應式。,特點：比鉛蓄電池耐用，可密封反復使用。,鎳—鎘可充電電池可發(fā)生如下反應：,Cd+2NiO(OH)+2H2O,由此可知，該電池的負極材料是,Cd(OH)2+2Ni(OH)2,A. Cd,（ A ）,B. NiO(OH),D. Ni(OH)2,C. Cd(OH)2,電極反應：,負極：Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2,正極：2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-,大有發(fā)展前景的燃料電池 燃料電池是利用氫氣、天然氣、甲醇等燃料與氧氣或空氣進行電化學反應時釋放出來的化學能直接轉化成電能的一類原電池。目前燃料電池的能量轉化率可達近80%，約為火力發(fā)電的2倍。這是因為火力發(fā)電中放出的廢熱太多。燃料電池的噪聲及硫氧化物、氮氧化物等廢氣污染都接近零；燃料電池發(fā)明于19世紀30年代末，經反復試驗、改進，到20世紀60年代才開始進入實用階段。第一代燃料電池的 大致情況如下：,(三)燃料電池,新型燃料電池,燃料電池不是把還原劑、氧化劑物質全部貯藏在電池內，而是在工作時，不斷從外界輸入，同時將電極反應產物不斷排出電池,燃料電池,優(yōu)點：能量轉化率高，可持續(xù)使用，對環(huán)境友好,用途：宇宙飛船，應用前景廣闊,負極 : 2H2+4OH-－4e-＝4H2O,正極 : O2+2H2O＋4e-＝4OH-,總反應方程式 ： 2H2＋O2＝2H2O,燃 料 電 池,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-,2H2 +4OH-- 4e- = 4H2O,O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-,固體燃料電池,2H2 - 4e- +2O2－= 2H2O,O2 + 4e-= 2O2－,2H2 - 4e- = 4H+,O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O,航天技術上使用的一種電池，它具有高能、輕便、不污染環(huán)境等優(yōu)點。用Pt做電極，KOH溶液做電解液，因其反應與氫氧燃燒相似，故稱為氫氧燃燒電池。請寫出各電極的電極反應。,氫氧燃料電池,若將氫氣換成甲烷，寫出各電極的電極反應,氫氧燃料電池,使用氫氧燃料電池動力的法國產標TAXI,將鉑絲插入KOH溶液作電極，然后向兩個電極上分別通入甲烷和氧氣，可以形成原電池，由于發(fā)生的反應類似于甲烷的燃燒，所以稱作燃料電池，根據兩極上反應的實質判斷，通入甲烷的一極為____，這一極的電極反應為___________________；通入氧氣的一極為_______，電極反應為 總反應為__________________________。,負極,CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O,正極,O2+4e-+2H2O=4OH-,CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O,若將氫氣換成甲烷，寫出各電極的電極反應,書寫電極反應式應注意以下幾點：,1．確定原電池的正負極，弄清正負極上發(fā)生反應的物質； 2.電極反應是一種離子反應，遵循書寫離子反應的所有規(guī)則（如“拆”、“平”）； 3．將兩極反應的電子得失數配平后，相加得到總反應，總反應減去一極反應即得到另一極反應；,4．負極失電子所得氧化產物和正極得電子所得還原產物，與溶液的酸堿性有關(如＋4價的C在酸性溶液中以CO2形式存在，在堿性溶液中以CO32-形式存在)； 5．溶液中不存在O2-：在酸性溶液中它與H＋結合成H2O、在堿性或中性溶液中它與水結合成OH-。,迅猛發(fā)展的綠色環(huán)保電池是指近年來研制、開發(fā)和已 投入使用的高性能、無污染電池。金屬氫化物鎳電池與鎘鎳電池有相同的工作電壓(12伏)，但由于采用了稀土合金或TiNi合金儲氫材料作為 負極活性物質，取代了致癌物質鎘，使其 成為一種綠色環(huán)保電池。 鋰離子蓄電池系由碳作負極，嵌鋰的金屬氧化物作 正極和有機電解質構成，其工作電壓為36伏，因此一個 鋰離子電池相當三個鎘鎳或金屬氫化物鎳電池?？沙潆妷A錳電池是在堿性鋅錳原電池基礎上發(fā)展起 來的，由于應用了無汞化的鋅粉及新型添加劑，不僅保持了原電池 的電流放電特性，而且能充電使用幾十次至幾百次。太陽能電池利用P—N結的光電效應，把太陽光能直接轉換成電 能，滿足用戶需要。這種發(fā)電具有無需燃料、無污染、無 噪聲、運行簡單可靠、減少維護、建設周期短等特點，已被空間和無常規(guī)能源的地域廣泛采用。,綠色電池種種,電池的發(fā)展方向,光電池使用方便,特別是近年來 微小型半導體逆變器迅速發(fā)展,促使其應用更加快捷.美,日,歐和發(fā)展中國家都制定出龐大的 光伏技術發(fā)展計劃,開發(fā)方向是大幅度提高光電池轉換效率和穩(wěn)定性,降低成本,不斷擴大產 業(yè).目前已有80多個 國家和地區(qū)形成 商業(yè)化,半商業(yè)化 生產能力, 市場開 拓從空間轉向地 面系統(tǒng)應用。,課 堂 總 結 1、僅有一個電極材料參與反應的原電池： 負極：M-xe=Mx+ 正極：析氫或吸氧或析出不活潑金屬 2、兩個電極均參與反應的原電池 （如蓄電池，紐扣電池） ①電極材料：金屬為負極，金屬化合物為正極．,②電子得失均由兩電極本身發(fā)生． ③電極反應需考慮電解質溶液的參與． 3、電極材料本身均不參與反應的電池（燃料電池） ①兩電極材料均為惰性電極． ②負極－可燃性氣體失電子，正極－助燃性氣體得電子． ③電極反應考慮電解質溶液．,1、在含有H2S氣體的空氣中，銀器表面易變黑（生成了 Ag2S），為了除去銀器表面Ag2S，可采用如下方法：在一個鋁制的容器中放入食鹽溶液，將銀器浸入食鹽溶液，使銀器與鋁接觸良好．過一段時間，銀器表面變?yōu)殂y白色，并聞到臭雞蛋的氣味，觀察到有少量白色絮狀沉淀生成，請用電極反應式和離子方程式表示上述過程．,鞏 固 練 習,,,,,負極：Al-3e-=Al3+,正極：Ag2S+2e-=2Ag+S2-,總反應：2Al+3Ag2S+6H2O=6Ag+2Al(OH)3+3H2S?,2、熔融鹽燃料電池具有較高的發(fā)電效率，因而受到重視，可用Li2CO3和Na2CO3的熔融鹽混合物作電解質，CO為陽極燃氣，空氣與CO2的混合氣為陰極燃氣，制得在65℃下工作的燃料電池，完成有關的電池反應式： 負極反應式：2CO+2CO32-=4CO2+4e 正極反應式： 總反應式：,,,O2+4e-+2CO2=2CO32-,2CO+O2=2CO2,3.鋰電池是一代新型高能電池，它以質量輕、能量高而受到了普遍重視，目前已研制成功多種鋰電池，某種鋰電池的總反應為Li + MnO2=LiMnO2,下列說法正確的是（ ） A、 Li是正極，電極反應為Li － e- = Li+ B、 Li是負極，電極反應為Li － e- = Li+ C、 Li是負極，電極反應為MnO2 + e- = MnO2 – D、 Li是負極，電極反應為Li －2e- = Li2+,B,4Al-12e=4Al3+,3O2+6H2O+12e=12OH-,不活潑金屬或碳,Cu,2Fe3++2e=2Fe2+,Cu-2e=Cu2+,6、已知：鉛蓄電池充電完畢后，電池中硫酸的密度為?1，放電完畢后，溶液的密度變?yōu)? 2。又鉛蓄電池充電時的反應： 2PbSO4+2H2O Pb+PbO2+2H2SO4 法拉第常數：F=96500C/mol ⑴寫出鉛蓄電池使用時所產生的總反應式及兩電極上的半反應。 ⑵已知充放電完畢后，溶液的密度是下列兩個數據：1.10g/cm3,相當于含14.35%(質量)的硫酸，1.28g/cm3,相當于含36.87% (質量)的硫酸請指出分別?1， ? 2對應于哪一個數據？ ⑶用什么方法可以確定什么時候該充電什么時候該停止充電？ ⑷按方程式計算生成及消耗的水和硫酸的質量。 ⑸計算一個電容量為4.32×106C的蓄電池中需加多少硫酸？ ⑹用久了的鉛蓄電池會對環(huán)境造成污染，為什么？,充電,,