应用电化学课件第三章化学电源
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化学电源
2021年2月10日星期三
1
化学电源 参考书： 1. 《化学电源》 吕鸣祥等编著，天津大学出版社， 1992.9 2. 《铅酸蓄电池的原理与制造》卢国琦等编著，国防工业 出版社，1998
3. 《铅酸蓄电池技术》朱杜然等编著，机械工业出版社,1988 4. 《化学电源导论》张文保等编著，上海交大出版社，1992
2021年2月10日星期三
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2. 电解质
它有两个作用，一是参加电化学反应；二是保证电池内部电极间的导电， 这种导电与外回路不同，它是离子导电。
对有些电池而言，电解质只是参加电池反应的中间过程，而其本身并不消 耗（Zn－O2电池中的HOH)，但有些电池却要消耗电解质（铅酸蓄电池中的 H2SO4)。在设计电池时应注意到。
一次电池的大量使用造成了资源的浪费，为了节约 资源，２０世纪８０～９０年代研究的重点是可重 复使用的二次电池，原有的一次电池也向二次电池 转向。为了保护环境及人体的健康，禁止在电池中 使用有害元素，尽管Ｃｄ-Ｎｉ电池性能优异，而且 技术不断成熟，却开发了取代它的ＭＨ-Ｎｉ电池。 汽车工业中大量使用的铅酸电池已经实现了密闭化 和免维护。
2021年2月10日星期三
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对于实用的电池来说，除了正极，负极和电解质外，还有隔膜，电池外壳 及其它一些配件。例如接线柱，汇流排（见下图），电池各部分的作用为：
1. 正极和负极 正极和负极的作用是参加电化学反应和导电。
负极通常都是由电位较负的金属承担。如：Zn、 Mn、Al、Cd、Fe······。它们本身都是还原剂，在放 电过程中被氧化，所以电池的负极也就是阳极；正 极通常是采用电位较正的金属或其它氧化物，例如 MnO2、PbO2······。它们都是氧化剂，在放电的过 程中被还原，放电时电池的正极也是阴极。
④．1895 年 琼格（Junger）发明Cd-Ni 电池 ⑤．1900 年 爱迪生（Edison）创制了Fe-Ni 蓄电池
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二十世纪四、五十年代以后电池发展更加迅速
60 年代：“双子星座”和“阿波罗”飞船应用培根 H2-O2 燃料电池 70 年代：中东战争 能源危机 燃料电池、钠硫电池、 锂－硫化铁电池得到广泛发展
负极： Pb H2SO4 PbSO4 2H 2e(氧化）
正极： PbO2 H2SO4 2H 2e Pห้องสมุดไป่ตู้SO4 2H2O(还原）
总反应： PbO2 2H2SO4 Pb 2PbSO4 2H2O
由上 可知，铅酸蓄电池工作时，两极间的导电离子是H+和SO42--，电子从Pb负 极通过外回路流入PbO2正极，只要在两个电极和电解质溶液界面上不断地进行氧 化还原反应，则在外回路中就不断地有电流流过。另外，在电极上参加反应的物 质通常也叫活性物质。
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三. 电池的发展规律
①电池的发展与新型电器的开发和应用密切相关 。
２０世纪５０年代后各种低压电器的普及，特别是半 导体收音机的出现带动了干电池的发展。６０年代半 导体的广泛应用，促进了纸板电池的发展。７０年代 以后，ＬＥＤ、ＬＣＤ和ＣＭＯＳＩＣ计算机的出现， 促进了电池的微型化。 ９０年代以后，随着移动电话 的出现，ＭＨ-Ｎｉ电池逐渐完善和商品化，并出现了 高能量密度锂离子电池。
80 年代：贮氢材料的突破 氢镍电池 90 年代：嵌入化合物 锂离子电池
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二.化学电源的应用：
航空航天飞行器：飞机、人造卫星、宇宙飞船等； 机动车辆：启动、点火、照明、动力； 大型发电站：调解电站； 医院、邮电通讯部门：应急电源； 便携式电子产品：移动电话、摄像机、手提电脑 等。
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②材料的开发利用大大促进了电池的进步
碱锰电池的改进得益于电解二氧化锰，而吸 氢材料促进了ＭＨ-Ｎｉ电池的兴起。锂离子电池 的开发有赖于碳素的研究，而导电聚合物材料的 研究很有可能大大改变固态电解质电池的面貌。
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③环保问题为电池的发展提出了新的要求
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④随着各种便携性电子设备的广泛应用，电池的需求量 正在飞速增长，同时电池的性能也不断地提高和完善。
２０世纪９０年代，４Ｃ工业（计算机、移动电话、摄 像机和无线电动工具）的普及，日常生活对电池的需要 已经到了须臾不可分离的地步。因此有人预测，高性能 电池工业将是２１世纪最有前景的产业，因此电池的发 展必须能赶上电器用具的发展。现在各种形状、各种规 格、性能各异的电池在日常生活和生产的各个领域发挥 着不可替代的作用。
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为了应对未来可预料的能源危机和减少汽车尾气 污染，新型清洁电动汽车的研究成为全世界科学 工作者注目的焦点，目前已取得很大的进展。例 如国外已经开发出使用锌空气电池的微型汽车， 一次充电可行驶里程已达３００～４００ｋｍ； 而使用燃料电池，据称驱动５座小车最高时速可 达１４０ｋｍ以上，持续行驶超过４００ｋｍ。
2. 化学变化过程中电子的传递，必须经过外回路。
3. 两极之间应具有离子导电性物质—电解质。所以，
一个电池不可缺少的组成部分应有：正极，负极，电解质，隔膜，电 池外壳及其它配件。
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例如铅酸蓄电池：正极PbO2，负极Pb，电解质，H2SO4，在工作时电极上 发 生如下反应：
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四. 化学电源基本知识 1.1化学电源的组成
化学电源是一种能把化学能直接转化为电能的装置，通常被称为电池。 在实现化学能 转变为电能的过程中，必须具备以下条件：
1. 在化学反映的过程中，电子的得失，必须分别在两个 不同的区域进行，即失电子氧化在负极，得电子还原在正极。
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一.化学电源的发展 化学电源是将物质化学反应产生的能量直接转换成 电能的一种装置。
①．1859 年 普朗克（Pantle） 试制成功化成式铅酸 电池
②．1868 年 勒克朗谢（Lelanche）研制成功以 NH4Cl 为电解液的Zn-MnO2 电池 ③．1888 年 加斯纳（Gassner）制出了Zn-MnO2 干 电池
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化学电源 参考书： 1. 《化学电源》 吕鸣祥等编著，天津大学出版社， 1992.9 2. 《铅酸蓄电池的原理与制造》卢国琦等编著，国防工业 出版社，1998
3. 《铅酸蓄电池技术》朱杜然等编著，机械工业出版社,1988 4. 《化学电源导论》张文保等编著，上海交大出版社，1992
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2. 电解质
它有两个作用，一是参加电化学反应；二是保证电池内部电极间的导电， 这种导电与外回路不同，它是离子导电。
对有些电池而言，电解质只是参加电池反应的中间过程，而其本身并不消 耗（Zn－O2电池中的HOH)，但有些电池却要消耗电解质（铅酸蓄电池中的 H2SO4)。在设计电池时应注意到。
一次电池的大量使用造成了资源的浪费，为了节约 资源，２０世纪８０～９０年代研究的重点是可重 复使用的二次电池，原有的一次电池也向二次电池 转向。为了保护环境及人体的健康，禁止在电池中 使用有害元素，尽管Ｃｄ-Ｎｉ电池性能优异，而且 技术不断成熟，却开发了取代它的ＭＨ-Ｎｉ电池。 汽车工业中大量使用的铅酸电池已经实现了密闭化 和免维护。
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对于实用的电池来说，除了正极，负极和电解质外，还有隔膜，电池外壳 及其它一些配件。例如接线柱，汇流排（见下图），电池各部分的作用为：
1. 正极和负极 正极和负极的作用是参加电化学反应和导电。
负极通常都是由电位较负的金属承担。如：Zn、 Mn、Al、Cd、Fe······。它们本身都是还原剂，在放 电过程中被氧化，所以电池的负极也就是阳极；正 极通常是采用电位较正的金属或其它氧化物，例如 MnO2、PbO2······。它们都是氧化剂，在放电的过 程中被还原，放电时电池的正极也是阴极。
④．1895 年 琼格（Junger）发明Cd-Ni 电池 ⑤．1900 年 爱迪生（Edison）创制了Fe-Ni 蓄电池
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二十世纪四、五十年代以后电池发展更加迅速
60 年代：“双子星座”和“阿波罗”飞船应用培根 H2-O2 燃料电池 70 年代：中东战争 能源危机 燃料电池、钠硫电池、 锂－硫化铁电池得到广泛发展
负极： Pb H2SO4 PbSO4 2H 2e(氧化）
正极： PbO2 H2SO4 2H 2e Pห้องสมุดไป่ตู้SO4 2H2O(还原）
总反应： PbO2 2H2SO4 Pb 2PbSO4 2H2O
由上 可知，铅酸蓄电池工作时，两极间的导电离子是H+和SO42--，电子从Pb负 极通过外回路流入PbO2正极，只要在两个电极和电解质溶液界面上不断地进行氧 化还原反应，则在外回路中就不断地有电流流过。另外，在电极上参加反应的物 质通常也叫活性物质。
2021年2月10日星期三
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三. 电池的发展规律
①电池的发展与新型电器的开发和应用密切相关 。
２０世纪５０年代后各种低压电器的普及，特别是半 导体收音机的出现带动了干电池的发展。６０年代半 导体的广泛应用，促进了纸板电池的发展。７０年代 以后，ＬＥＤ、ＬＣＤ和ＣＭＯＳＩＣ计算机的出现， 促进了电池的微型化。 ９０年代以后，随着移动电话 的出现，ＭＨ-Ｎｉ电池逐渐完善和商品化，并出现了 高能量密度锂离子电池。
80 年代：贮氢材料的突破 氢镍电池 90 年代：嵌入化合物 锂离子电池
2021年2月10日星期三
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二.化学电源的应用：
航空航天飞行器：飞机、人造卫星、宇宙飞船等； 机动车辆：启动、点火、照明、动力； 大型发电站：调解电站； 医院、邮电通讯部门：应急电源； 便携式电子产品：移动电话、摄像机、手提电脑 等。
2021年2月10日星期三
6
②材料的开发利用大大促进了电池的进步
碱锰电池的改进得益于电解二氧化锰，而吸 氢材料促进了ＭＨ-Ｎｉ电池的兴起。锂离子电池 的开发有赖于碳素的研究，而导电聚合物材料的 研究很有可能大大改变固态电解质电池的面貌。
2021年2月10日星期三
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③环保问题为电池的发展提出了新的要求
2021年2月10日星期三
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④随着各种便携性电子设备的广泛应用，电池的需求量 正在飞速增长，同时电池的性能也不断地提高和完善。
２０世纪９０年代，４Ｃ工业（计算机、移动电话、摄 像机和无线电动工具）的普及，日常生活对电池的需要 已经到了须臾不可分离的地步。因此有人预测，高性能 电池工业将是２１世纪最有前景的产业，因此电池的发 展必须能赶上电器用具的发展。现在各种形状、各种规 格、性能各异的电池在日常生活和生产的各个领域发挥 着不可替代的作用。
2021年2月10日星期三
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为了应对未来可预料的能源危机和减少汽车尾气 污染，新型清洁电动汽车的研究成为全世界科学 工作者注目的焦点，目前已取得很大的进展。例 如国外已经开发出使用锌空气电池的微型汽车， 一次充电可行驶里程已达３００～４００ｋｍ； 而使用燃料电池，据称驱动５座小车最高时速可 达１４０ｋｍ以上，持续行驶超过４００ｋｍ。
2. 化学变化过程中电子的传递，必须经过外回路。
3. 两极之间应具有离子导电性物质—电解质。所以，
一个电池不可缺少的组成部分应有：正极，负极，电解质，隔膜，电 池外壳及其它配件。
2021年2月10日星期三
11
例如铅酸蓄电池：正极PbO2，负极Pb，电解质，H2SO4，在工作时电极上 发 生如下反应：
2021年2月10日星期三
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四. 化学电源基本知识 1.1化学电源的组成
化学电源是一种能把化学能直接转化为电能的装置，通常被称为电池。 在实现化学能 转变为电能的过程中，必须具备以下条件：
1. 在化学反映的过程中，电子的得失，必须分别在两个 不同的区域进行，即失电子氧化在负极，得电子还原在正极。
2021年2月10日星期三
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一.化学电源的发展 化学电源是将物质化学反应产生的能量直接转换成 电能的一种装置。
①．1859 年 普朗克（Pantle） 试制成功化成式铅酸 电池
②．1868 年 勒克朗谢（Lelanche）研制成功以 NH4Cl 为电解液的Zn-MnO2 电池 ③．1888 年 加斯纳（Gassner）制出了Zn-MnO2 干 电池