第五章化學(xué)電源與材料

一、化學(xué)電源化學(xué)能

電能化學(xué)反應(yīng)什么是化學(xué)電池？第五章化學(xué)電源與能源材料電池太陽(yáng)能電池筆記本電腦專(zhuān)用電池手機(jī)專(zhuān)用電池?cái)z像機(jī)專(zhuān)用電池紐扣電池小型高性能燃料電池普通鋅錳電池化學(xué)電池的組成能導(dǎo)電的物質(zhì)還原性較強(qiáng)的物質(zhì)(多是金屬電極本身)氧化性較強(qiáng)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(yīng)還原反應(yīng)化學(xué)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(yīng)物質(zhì)進(jìn)行一次氧化還原反應(yīng)并放電之后，就不能再次利用。

又稱(chēng)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(fù)工作能力，可多次重復(fù)使用。

是一種連續(xù)地將燃料和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的化學(xué)電源，又稱(chēng)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(fù)極(Zn)：Zn–2e-=Zn2+正極(MnO2和C)：2MnO2+2NH4++2e-=2MnOOH+2NH3電池總反應(yīng)：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(fù)極(Zn)：Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2正極(MnO2)：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-電池總反應(yīng)：Zn+2MnO2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)析：只能一次使用，不能充電；價(jià)格較貴；比能量和儲(chǔ)存時(shí)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(fù)極(Zn)：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O正極(Ag2O)：Ag2O+H2O+2e-=2Ag+2OH-電池總反應(yīng)：Zn+Ag2O=ZnO+2AgII、二次電池——鉛蓄電池Pb│H2SO4│PbO2負(fù)極(Pb)：Pb-2e-+SO42-=PbSO4正極(PbO2)：PbO2+2e-+4H++SO42-=PbSO4+2H2O電池總反應(yīng)：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O

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

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

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

缺點(diǎn)：比能量低、笨重、廢棄電池污染環(huán)境優(yōu)點(diǎn)：可重復(fù)使用、電壓穩(wěn)定、使用方便、安全可靠、價(jià)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(guò)程：2PbSO4(s)+2H2O(l)Pb(s)+PbO2(s)+2H2SO4(aq)充電放電鉛蓄電池的優(yōu)缺點(diǎn)：電極:Pt制作的惰性電極電解質(zhì)溶液:KOH溶液負(fù)極:2H2-4e-+4OH-＝4H2O正極:O2+2H2O+

4e-＝4OH-

總反應(yīng)：2H2+O2＝2H2O拓展創(chuàng)新氫氧燃料電池若為酸性介質(zhì)，試寫(xiě)出電極反應(yīng)式？思考:負(fù)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(shí)不斷補(bǔ)充；②反應(yīng)產(chǎn)物不斷排出；③能量轉(zhuǎn)化率高(超過(guò)80%)，普通的只有30%，有利于節(jié)約能源。

缺點(diǎn)：體積較大、附屬設(shè)備較多

優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)換率高、清潔、對(duì)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(fù)極，助燃劑氧氣為正極②電極材料一般不參加化學(xué)反應(yīng)，只起傳導(dǎo)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(dá)到國(guó)家低汞或無(wú)汞技術(shù)要求，可隨日常生活垃圾分散投放，無(wú)需集中統(tǒng)一回收到2006年初，國(guó)內(nèi)已實(shí)現(xiàn)禁止生產(chǎn)和經(jīng)銷(xiāo)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(yīng)的位置電極有正負(fù)之分，一般正極為陰極，獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，負(fù)極則為陽(yáng)極，失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)。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(dǎo)體──金屬（包括石墨）或半導(dǎo)體，另一端必須是離子導(dǎo)體──電解質(zhì)（這里專(zhuān)指電解質(zhì)溶液，簡(jiǎn)稱(chēng)“電解液”或“電液”）。結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的電極應(yīng)包括兩個(gè)物相和一個(gè)相界面，即〔金屬｜電液〕。電極的分類(lèi)根據(jù)組成電極物質(zhì)的狀態(tài)，可以把電極分為三類(lèi)：第一類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)氫電極；第二類(lèi)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(lèi)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(shuō)的氧化還原電極是專(zhuān)指參加電極反應(yīng)的物質(zhì)均在同一個(gè)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(jī)械化學(xué)合成法請(qǐng)總結(jié)這幾種方法的特點(diǎn)！鋰離子電池電極材料機(jī)械化學(xué)合成法原理機(jī)械化學(xué)合成法是通過(guò)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(xì)粉體的新方法基本過(guò)程將粉末混合料與研磨介質(zhì)一起裝入高能球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械研磨,經(jīng)過(guò)反復(fù)形變、破裂和冷焊,以達(dá)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(xì)的超細(xì)粉末特點(diǎn)在機(jī)械化過(guò)程中引入大量的應(yīng)變、缺陷,使得其不同于常規(guī)的固態(tài)反應(yīng),它可以在遠(yuǎn)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(dǎo)電性耐腐蝕性壽命長(zhǎng)機(jī)械加工和強(qiáng)度費(fèi)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(diǎn)例：氯堿工業(yè)長(zhǎng)期用石墨作陽(yáng)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(xué)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