第五章化學電源與材料

一、化學電源化學能

電能化學反應什么是化學電池？第五章化學電源與能源材料電池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紐扣電池小型高性能燃料電池普通鋅錳電池化學電池的組成能導電的物質(zhì)還原性較強的物質(zhì)(多是金屬電極本身)氧化性較強的物質(zhì)酸溶液堿溶液鹽溶液或熔融液流出電子流入電子氧化反應還原反應化學電池一次電池二次電池燃料電池氫氣、甲醇、天然氣、煤氣與氧氣組成燃料電池鉛蓄電池鋅銀蓄電池鎳鎘電池鋰離子電池普通干電池堿性鋅錳電池鋅銀紐扣電池

電池中的反應物質(zhì)進行一次氧化還原反應并放電之后，就不能再次利用。

又稱充電電池或蓄電池。放電后經(jīng)充電可使電池中的活性物質(zhì)獲得重生，恢復工作能力，可多次重復使用。

是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的化學電源，又稱連續(xù)電池。電池中電解質(zhì)性質(zhì)分為：鋰電池、堿性電池、酸性電池、中性電池。I、一次電池——干電池Zn│NH4Cl+ZnCl2│MnO2,C負極(Zn)：Zn–2e-=Zn2+正極(MnO2和C)：2MnO2+2NH4++2e-=2MnOOH+2NH3電池總反應：Zn+2MnO2+2NH4Cl=2MnOOH+ZnCl2+2NH3鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅錳干電池的結(jié)構(gòu)NH4Cl、ZnCl2

和

H2O等工作原理堿性鋅錳電池構(gòu)造示意圖堿性電池

Zn│KOH│MnO2負極(Zn)：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正極(MnO2)：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-電池總反應：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2優(yōu)缺點簡析：只能一次使用，不能充電；價格較貴；比能量和儲存時間有所提高，適用于大電流和連續(xù)放電。I、一次電池——鋅銀電池(紐扣電池)Zn│KOH│Ag2O

負極(Zn)：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O正極(Ag2O)：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-電池總反應：Zn+Ag2O=ZnO+2AgII、二次電池——鉛蓄電池Pb│H2SO4│PbO2負極(Pb)：Pb-2e-+SO42-=PbSO4正極(PbO2)：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O電池總反應：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

工作原理圖①放電過程負極：氧化反應Pb(s)+SO42-(aq)-2e-=PbSO4(s)正極：還原反應PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)+2e-=2PbSO4(s)+2H2O(l)放電過程總反應：

Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)=2PbSO4(s)+2H2O(l)②充電過程陰極(接電源負極)：還原反應

PbSO4(s)+2e-=Pb(s)+SO42-(aq)陽極(接電源正極)：氧化反應2PbSO4(s)+2H2O(l)-2e-=PbO2(s)+4H+(aq)+SO42-(aq)充電過程總反應：2PbSO4(s)+2H2O(l)=Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)

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……鉛蓄電池的充放電過程：2PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)充電放電鉛蓄電池的優(yōu)缺點：電極:Pt制作的惰性電極電解質(zhì)溶液:KOH溶液負極:2H2-4e-+4OH-＝4H2O正極:O2+2H2O+

4e-＝4OH-

總反應：2H2+O2＝2H2O拓展創(chuàng)新氫氧燃料電池若為酸性介質(zhì)，試寫出電極反應式？思考:負極：2H2-4e-＝4H+正極:O2+4H++4e-＝2H2OIII、燃料電池(氫氧燃料電池/甲烷電池/煤氣電池/海水-空氣電池)①氧化劑與還原劑在工作時不斷補充；②反應產(chǎn)物不斷排出；③能量轉(zhuǎn)化率高(超過80%)，普通的只有30%，有利于節(jié)約能源。

缺點：體積較大、附屬設(shè)備較多

優(yōu)點：能量轉(zhuǎn)換率高、清潔、對環(huán)境好其它燃料電池：烴、肼、甲醇、氨、煤氣燃料電池……燃料電池的規(guī)律燃料電池與前幾種電池的差別：

①燃料做負極，助燃劑氧氣為正極②電極材料一般不參加化學反應，只起傳導電子的作用。減少污染節(jié)約資源電池雖小污染大你是否知道家用電池已害？？？家用電池已達到國家低汞或無汞技術(shù)要求，可隨日常生活垃圾分散投放，無需集中統(tǒng)一回收到2006年初，國內(nèi)已實現(xiàn)禁止生產(chǎn)和經(jīng)銷汞含量大于電池重量0.0001%的堿性鋅錳電池。二、電極的組成、結(jié)構(gòu)和成型方法與電解質(zhì)溶液發(fā)生氧化還原反應的位置電極有正負之分，一般正極為陰極，獲得電子，發(fā)生還原反應，負極則為陽極，失去電子發(fā)生氧化反應。電極可以是金屬或非金屬，只要能夠與電解質(zhì)溶液交換電子，即成為電極。什么叫電極？電極的組成由一連串相互接觸的物相構(gòu)成，其一端是電子導體──金屬（包括石墨）或半導體，另一端必須是離子導體──電解質(zhì)（這里專指電解質(zhì)溶液，簡稱“電解液”或“電液”）。結(jié)構(gòu)最簡單的電極應包括兩個物相和一個相界面，即〔金屬｜電液〕。電極的分類根據(jù)組成電極物質(zhì)的狀態(tài)，可以把電極分為三類：第一類電極是金屬電極和氣體電極。

eg.丹尼爾電池中鋅電極和銅電極，還有標準氫電極；第二類電極是金屬-金屬難溶鹽電極及金屬-金屬難溶氧化物電極。

eg.Ag-AgCl電極。第三類電極是氧化還原電極（任一電極皆為氧化還原電極，這里所說的氧化還原電極是專指參加電極反應的物質(zhì)均在同一個溶液中）。

eg.Fe3+，F(xiàn)e2+溶液組成的電池電池電極的制備方法高溫固相法溶膠-凝膠法液相法機械化學合成法請總結(jié)這幾種方法的特點！鋰離子電池電極材料機械化學合成法原理機械化學合成法是通過高能球磨的作用使不同元素或其化合物相互作用,形成超細粉體的新方法基本過程將粉末混合料與研磨介質(zhì)一起裝入高能球磨機進行機械研磨,經(jīng)過反復形變、破裂和冷焊,以達到破裂和冷焊的平衡,最終形成表面粗糙、內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細的超細粉末特點在機械化過程中引入大量的應變、缺陷,使得其不同于常規(guī)的固態(tài)反應,它可以在遠離平衡態(tài)的情況下發(fā)生轉(zhuǎn)變,形成亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)三、電極材料導電性耐腐蝕性壽命長機械加工和強度費用低具有電催化性代表：銅、鉛、碳、鐵、鋅、金屬氧化物等電極特點例：氯堿工業(yè)長期用石墨作陽極材料，陰極為鐵網(wǎng)鋅筒石墨棒MnO2和C普通鋅錳干電池的結(jié)構(gòu)NH4Cl、ZnCl2

和

H2O等鋰離子電池正極材料Li-Co-O----具有電化學容量高、循環(huán)特性好、能量密度大。Li-Ni-O-----理論能量密度高,但因循環(huán)性能差、安全性低及穩(wěn)定性差等因素，目前處在研發(fā)階段。Li-Mn-O----其原材料資源豐富、成