人教版高中化学选修4 化学反应原理 第四章 第二节 化学电源(第1课时)

2.镍氢电池
圆柱可充镍氢电池 镍氢（MH-Ni) 电池 电池反应：1/2H2 + NiOOH
放电
方形可充镍氢电池
充电
Ni(OH)2
负极： 1/2H2 + OH- - e- = H2O 正极： NiOOH + H2O + e-= Ni(OH)2 + OH2014年7月8日星期二 21
二次电池
Ni/MH电池优点：
体积小、性能好的碱性锌－锰电池应运 而生。这类电池的重要特征是电解液由原来 的中性变为离子导电性更好的碱性，负极也由
锌片改为锌粉，反应面积成倍增长，使放电电
流大幅度提高。
2014年7月8日星期二 11
一次电池
2、碱性锌-锰干电池
电池反应： Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2 负极：——Zn
2014年7月8日星期二
27
燃料电池
燃料电池
介质 电池反应： 2H2 +Ｏ２ = 2H2O
酸性
负极 正极
2H2 - 4e- = 4H+
O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O
2H2 - 4e- = 4H+ O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-
中性
负极 正极
碱性
负极 正极
2H2 +4OH-- 4e- = 4H2O
32
燃料电池
固体燃料电池
介质 电池反应： 2H2 +Ｏ２ = 2H2O
负 极
正 极
2H2 - 4e- +2O2－= 2H2O O2 + 4e-= 2O2－ 2H2 - 4e- = 4H+
负 极 正 极
O2 + 4H+ + 4e-= 2H2O
2014年7月8日星期二
33
燃料电池
小结:
①燃料电池的能量转化率很高，氢氧燃料电池 除能量转化率
(负极)
过程
(白色沉淀)
充电过程
负极反应
正极反应 两电极质量
Pb(铅)→PbSO4(硫酸铅) PbSO4(硫酸铅)→ Pb(铅)
PbO2→PbSO4 增加
硫酸浓度变小,密度变小
PbSO4→ PbO2 减少
硫酸浓度变大,密度变大
硫酸溶液
能量转换
化学能→电能
电能→化学能
20
2014年7月8日星期二
二次电池
负极：Zn +2OH--2e- =Zn(OH)2 正极：Ag2O + H2O+ 2e- =2Ag+2OH总反应: Zn + Ag2O + H2O ＝ 2Ag + Zn(OH)2
2014年7月8日星期二
13
一次电池
4、锂电池
锂是密度最小的金属，用锂作为电 池的负极，跟用相同质量的其他金属作 负极相比较，使用寿命大大延长。
锂离子电池
燃料电池 氢氧燃料电池
2014年7月8日星期二 7
化学电源
3、化学电源的组成
正极：常选用金属氧化物 负极：常选用较活泼金属 与活性物质一起构成电极的添加剂一般有：导电剂、 粘结剂、缓蚀剂等。
电解液：高导电率，化学稳定性好、不易挥发、易于 长期贮存 隔膜：较高离子传输能力，较低电子导电能力，好的 化学稳定性和一定的机械强度。
2014年7月8日星期二 17
二次电池
②充电过程
接电源负极 阴极：PbSO4 +2e- =Pb + SO42-
还原反应
接电源正极 阳极： PbSO4 +2H2O -2e- = PbO2 + 4H++ SO42- 氧化反应 充电过程总反应： 2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4 铅蓄电池的充放电过程：
2014年7月8日星期二 14
一次电池
4、锂电池（非水有机溶剂电解液）
负极：2Li - 2e- = 2Li+， 正极：I2 + 2e- = 2I-， 总反应：2Li + I2 = 2LiI
跟其它金属作负极相比，使用寿命延长， 高能、质轻、电压高、工作效率高、储存 寿命长。为什么？ 与作负极材料的金属相比较，相同质量时锂 提供电子数最多。
H2SO4
2014年7月8日星期二 16
二次电池
①放电过程
负极：Pb + SO42- -2e- =PbSO4 氧化反应
正极：PbO2 + 4H++SO42-+2e- =PbSO4 +2H2O
放电过程总反应： 还原反应
Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O
铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程
用于汽车的铅蓄电池和燃料电池
2014年7月8日星期二
4
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 摄 像 机 专 用 电 池
手机专用电池 各 式 各 样 的 纽 扣 电 池
5
2014年7月8日星期二
化学电源
1、化学电池
化学电池是将化学能转变为电能的装置。
它主要包括一次电池、二次电池、燃料电池。
2014年7月8日星期二 9
一次电池
一、一次电池(又叫干电池)
普通锌锰电池
碱性电池
1、普通干电池
锌筒 石墨棒 NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等 MnO2和C
)Zn NH4Cl ZnCl2 MnO2 , C(
负极（Zn）：Zn – 2e- = Zn2+ 正极 （MnO2和C）：
普通锌-锰干电池的结构
1.5V 1.3V 优点：体积和质量都小，寿命长，约2年 缺点：不能充电，价格高。
优点：体积小，质量轻，寿命长，可充 放电约3000次。 二次电池 缺点：价格高。 2V 优点：电压稳，电容量大，可充电便宜。 缺点：笨重，防震性差，不防漏
25
铅蓄电池
2014年7月8日星期二
燃料电池
燃料电池是一种连续地将燃料和氧化剂的化 学能直接转换成电能的化学电池。（氢气、 1、氢氧燃料电池 烃、肼、甲醇、氨、煤气燃料电池„„）
新课标人教版高中化学课件系列
选修4 化学反应原理 第四章 电化学基础
第二节 化学电源 第1课时
2014年7月8日星期二
1
化学电源
形形色色的电池
A
Cu
Zn
H2 O
a极 b极
稀H2SO4
CH4
O2
KOH溶液
2014年7月8日星期二
2
化学电源
形形色色的电池
2014年7月8日星期二
3
化学电源
用途广泛的电池
2014年7月8日星期二
30
燃料电池
3、甲烷-氧燃料电池
该电池用金属铂片插入KOH溶液中作电极，又在两极
上分别通甲烷和氧气:
负极：CH4 + 10OH- - 8e正极：2O2 + 4H2O + 8e-
＝ CO32- + 7H2O
＝ 8OH-
电池总反应式：CH4+2O2+2KOH ＝K2CO3+3H2O
Pb+PbO2+2H2SO4 充电 2PbSO4+2H2O
2014年7月8日星期二 18
放电
二次电池
优点： 可重复使用、电压稳定、使用方便、安全可靠、 价格低廉 缺点：
比能量低、笨重、废弃电池污染环境
2014年7月8日星期二
19
二次电池
放电
电池反应
(正 极 ) (电解液)
放电过程
Pb+PbO2+2H2SO4 充电 2PbSO4+2H2O
2014年7月8日星期二 15
二次电池
二、二次电池
二次电池特点：又称充电电池 或蓄电池，放电后可以再充电， 使活性物质可以获得再生。这 类电池可反复多次使用。
1、铅蓄电池
铅蓄电池是以平行排列的 铅、铅锑合金或铅钙合金栅 板为主架，栅格中交替地填 充着负极和正极地铅和二氧 化铅，电解质为H2SO4溶液。
高外还可持续使用，不污染环境。
②一般的可燃物均可与O2组成燃料电池，如H2、CO、CH4、 乙醇等。 ③燃料电池一般以碱性介质作电解液，也可用酸性介质作电 解液，二者电极反应式是有区别的。如甲烷-氧燃料电池在 酸性介质中的电极反应为： 负极：CH4 + 2H2O - 8e- ＝CO2 + 8H+ 正极：2O2 + 8H+ + 8e- ＝ 4H2O 总反应式为：CH4 + 2O2 ＝ CO2+2H2O
2014年7月8日星期二 8
化学电源
4、衡量电池优劣的指标
比能量：电池单位质量或单位体积所能输出 电能的多少，符号(W·h)/kg ,(W·h)/L 比功率：电池单位质量或单位体积所能输出 功率的大小，符号W/kg ,W/L 储存时间：电池的储存时间的长短 除特殊情况外，质量轻、体积小而输 出电能多、功率大、储存时间长的电池， 更适合使用者的需要。
一次电池（干电池）：活性物质消耗到一定 程度，就不能使用； 二次电池（充电电池或蓄电池）：放电后可 以再充电使活性物质获得再生； 燃料电池：一种连续将燃料和氧化剂的化学 能直接转换成电能的化学电池。
2014年7月8日星期二 6
化学电源
2、化学电池的分类
普通锌锰干电池
一次电池 碱性锌锰电池 锌银纽扣电池 铅蓄电池 化学电池 二次电池 银锌蓄电池
2NH4++2MnO2 + 2e-=2NH3↑+Mn2O3+H2O
电池反应： Zn+2NH4++2MnO2= Zn2++2NH3↑+Mn2O3+H2O
优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快。
2014年7月8日星期二 10
一次电池
随着用电器朝着
小型化、多功能化发
展的要求，对电池的 发展也提出了小型化、 多功能化发展的要求。
2014年7月8日星期二 34
燃料电池
负极： Al+ 4OH－—3e- =Al O2－ +2H2O
正极：2H2O + 2 e- = H2+ 2OH－
总：2Al+ 2OH－ +2H2O =2Al O2－ + 3H2 负极： Cu —2e- = Cu 2+
思考：甲醇燃料电池 （电解质为KOH）
2014年7月8日星期二 31
燃料电池
燃料电池
介质
左边多一个氧原子
+ 2H+
左边少一个氧Hale Waihona Puke Baidu子
H2O + H2O
酸性
结合氧原子
结合氧原子
提供氧原子 提供氧原子
2H+
中性
+ H2O
2OH+ H2O
2H+
碱性
+ H2O
结合氧原子
2OH+ 2OH-
提供氧原子
H2O
2014年7月8日星期二
三、燃料电池
酸性电解质：负极： 2H2-4e-==4H+ 正极： O2+4H++4e-==2H2O
总反应：2H2+O2==2H2O
碱性电解质 负极: 2H2-4e-+4OH-==4H2O 正极: O2+2H2O+4e-==4OH总反应: 2H2+O2==2H2O
2014年7月8日星期二
26
燃料电池
二次电池
锂离子电池的优越性能 相对于传统的镉镍电池(Ni/Cd)和氢镍电池(Ni/MH), 锂离子电池的电压大约是它们的3倍;重量比能量密 度提高了约3倍;对于同样的功率消耗，锂离子电池 的使用期限约为镍镉电池的2.25~2.57倍.现在锂离 子电池已经是电子信息产品设计人员的普通配置. 1.工作电压高 2.比能量大 4.自放电率低 5. 无记忆效应 3. 循环寿命长 6.污染小
O2 + 2H2O + 4e-= 4OH-
2014年7月8日星期二
28
燃料电池
书写电极反应式应注意以下几点 1．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； 2．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）； 3．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-；
2014年7月8日星期二
24
二次电池
部分主流产品供电基本原理、性能和相对价格
电池名称 普通电池 （锌锰电池） 碱性锌锰电池 锌银纽扣电池 镍镉电池 电压 1.5V 主要优缺点 优点：使用方便，便宜。 缺点：寿命、存放期短，约1.5年，不能 充电。
一次电池 1.5V 优点：电容量大，使用寿命长。 缺点: 不能充电，价格较高。
能量密度高； 无镉污染，是一种绿色电池； 可大电流快速充放电； 电池工作电压为1.2V； 在小型便携电子器件、电动工具、电动车辆和混合 动力车上逐步得到应用。
2014年7月8日星期二
22
二次电池
3.锂离子电池
电池式：
电池反应：
LiCoO2＋C6
2014年7月8日星期二
充电 放电
CoO2＋LiC6
23
2014年7月8日星期二 29
燃料电池
2、铝-空气-海水电池
1991年，我国首创，用作海上标志灯。以海水为 电解液，靠空气中的氧使铝不断氧化而产生电流。 负极：4A1-12e- ＝ 4A13+ 正极：3O2+6H2O+12e- ＝12OH电池总反应式：4A1+3O2+6H2O＝4A1(OH)3 这种海水电池比“干电池”的能量高20～50倍。
正极：——MnO2
2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH电解质：KOH
氢氧化氧锰
Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2
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 缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵
2014年7月8日星期二 12
一次电池
3、锌银钮扣电池
锌银电池的负极是Zn， 正极是Ag2O，电解质是 KOH。