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化学电源


化学电源
1)概念:

将化学能变成电能的装置

①一次电池又称不可充电电池——如:干电池 2)分类: ②二次电池又称充电电池——蓄电池 ③燃料电池
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。

3)优点:

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4)电池优劣的判断标准:
①比能量 [符号(A· h/kg),(A· 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

2.化学电源
(1)干电池
正极

负极

锌片

石墨 电解质

一次电池
a、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。电池内总的反应式为:
4NH4Cl+2Zn+2MnO2=[Zn(NH3)4]Cl2+ZnCl2+Mn2O3+H2O

请写出各电极的电极反应。

干电池工作原理
负极(锌筒):Zn-2e—=Zn2+, 正极(石墨): 2NH4++2MnO2 + 2e—=2NH3↑+Mn2O3+H2O 总反应: Zn+2NH4++2MnO2= Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O

若不改变Zn取材,如何使它在作电极时变活泼? (Zn片改为Zn粉,反应面积成倍增加,放电 电流大幅度提高)

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? 锌筒变软,电池表面变得不平整 _____________________________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? MnO2

Zn-2e-=Zn2+

2NH4++2e-=2NH3+H2

Zn+2NH4+=Zn2++2NH3+H2

锌锰碱性电池
锌锰碱性电池是一种新型的干电池。正极材料为MnO2 ,还原 产物为Mn2O3 ,电解质是KOH溶液,其放电曲线如图所示:

请写出电极反应式并分析其工作原理。该电池有何优点?

优点: 工作电动势稳定

碱性锌-锰干电池

电池反应:
Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 [思考]该电池的正负极材料和电解质.

负极:——Zn
Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2

正极:——MnO2
2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH电解质:KOH

干电池小结
普通锌锰干电池:(-)Zn ZnCl2、NH4Cl(糊状) 石墨(MnO2)(+) 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

化 学 电 源
请考虑,废旧干电池,有无污染的问题,如何解决?

(开发新电池)
太阳能电池 核电池

新 电 池

燃料电池 银-锌电池 碱性蓄电池 浓差电池

……

b、迷你型电池
HgO(S)+Zn(S)=Hg(l)+ZnO(S) Ag2O(S)+Zn(S)=2Ag(l)+ZnO(S)

优点:电压高、稳定,低污染。
用途:手表、相机、心率调节器

c、锂电池
锂电池:(-)Li(S) LiI(晶片) I2(+) 锂亚硫酰氯电池(Li-SOCl2):8Li+3SOCl2=6LiCl+Li2SO3+2S 负极: 8Li-8e-=8Li+ ;正极: 3SOCl2+8e-=6Cl-+SO32-+2S。

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。

二次电池
铅蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电 池……

?铅蓄电池 1)正负极材料
正极:PbO2 负极:Pb 电解质:H2SO4溶液

2)工作机制
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

①放电过程 负极:Pb(s) + SO42- (aq)-2e- =PbSO4 (s) 氧化反应

正极:
PbO2(s) + 4H+(aq)+SO42- (aq)+2e- =2PbSO4 (s) +2H2O(l)

还原反应 放电过程总反应:

Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l)
铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程

①充电过程

接电源负极 阴极:PbSO4 (s) +2e- =Pb(s) + SO42- (aq) 还原反应 阳极: 接电源正极
氧化反应 充电过程总反应: 2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)
PbSO4 (s)+2H2O(l) -2e- = PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq)

铅蓄电池的充放电过程:
2PbSO4(s)+2H2O(l)
放电

Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq ) 充电

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
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。

正极壳填充Ag2O和石墨,负极盖填充锌汞合 金,电解质溶液KOH。反应式为: 充电 2Ag+Zn(OH)2 Zn+Ag2O+H2O 放电
写出电极反应式。

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)2
充电 放电

Ag2O+Zn+H2O

此电池放电时,负极上发生反应的物质是(D ) A.Ag B.Zn(OH)2 C.Ag2O D.Zn
电极反应: 负极:Zn-2e-+2OH-=Zn(OH)2

正极:Ag2O+2e-+H2O=2Ag+2OH-

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:
放电

NiO2+Cd+2H2O

充电

Ni(OH)2+ Cd(OH)2

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(OH)2+2Ni(OH)2
充电
放电

Cd+2NiO(OH)+2H2O

由此可知,该电池的负极材料是( A )
A. Cd B. NiO(OH) C. Cd(OH)2 D. Ni(OH)2

电极反应:
负极:Cd-2e-+2OH-=Cd(OH)2
正极:2NiO(OH)+2e-+2H2O=2Ni(OH)2+2OH-

(2)蓄 电


负极: Pb + SO42- - 2e- = PbSO4 正极: PbO2 + 4H++ SO42- + 2e=PbSO4 + 2H2O

电池反应:PbO2 + Pb +2H2SO4
= 2PbSO4 + 2H2O

(3)镍氢(MH-Ni) 电池
负极: 1/2H2 + OH- - e- = H2O 正极: NiOOH + H2O + e-= Ni(OH)2 + OH-

电池反应:1/2H2 + NiOOH = Ni(OH)2

(4)燃料电池 实物展示

燃料电池
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:

燃料电池
(-)Ni(多孔) KOH(溶液) NiO2 (+) 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

燃料电池工作原理
介质 酸性 中性 碱性 电池反应: 2H2 +O2 = 2H2O 负极 正极 负极 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 4H+ + 4e-= 4H2O 2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-

正极 负极 正极

2H2 +4OH-- 4e- = 4H2O
O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-

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

氢氧燃料电池
航天技术上使用的一种电 H2 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。

Pt电极
O2

KOH
氢氧燃料电池模拟

若将氢气换成甲烷,写出各电极的电极反应

若将氢气换成甲烷,写出各电极的电极反应 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, 负极 通入甲烷的一极为____,这一极的电极反应 CH4-8e-+10OH-=CO32-+7H2O 为___________________;通入氧气的一极 正极 为_______,电极反应为 __________________________________,总 CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O 反应为__________________________。
O2+4e-+2H2O=4OH-


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