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第四章 电化学基础
第二节 化学电源
化学史：发明电池的故事
伏特是意大利帕维亚大学的研究电学的物理学家。有一天，伏特看 了一位名叫加伐尼的解剖学家的一篇论文，说动物肌肉里贮存着电，可 以用金属接触肌肉把电引出来。看了这篇论文，伏特非常兴奋，便决定 亲自来做这个实验。他用许多只活青蛙反复实验，终于发现，实际情况 并不像加伐尼所说的那样，而是两种不同的金属接触产生的电流，才使 蛙腿的肌肉充电而收缩。
为了证明自己的发现是正确的，伏特决定更深入地了解电的来源。
为了纪念他的贡献，人们把电压的计量单位叫做伏特，简称伏，符 号V。比如我们手电筒里的电池的电压是1.5伏特，我们家里的电灯的电 压是220伏特。
伏特
负载
电器
正极(+)排气口
燃料
进口
1800年 1836年 1859年 1948年
教材P99科学史话：历史上第一个化学电源
图10-1-1 原电池装置的发展历程
原电池—→雏形、原理基础 应用 化学电源
伏打电堆 丹尼尔电池 铅蓄电池 燃料电池
化学电源与原电池的关系：
1979年时间
装置原型
锂离子电池
就料电极 燃料室
氧化剂 进口
负极(-)
稀硫酸
排气口
氧化剂室
电流计
盐桥
用于汽车的铅蓄电池和燃料电池
应用举例
用于“神六”的太阳能 电池
笔记本电脑专 用电池
高性能燃料电池
摄像机专用电池
手机专用电池
纽扣电池
原子能电池
将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热能转换器 转变为电能的装置
碱性锌锰电池、锌银电池、铅蓄 电池、镉镍电池、氢镍电池、锂 离子电池等。
广泛应用于通讯、交通、文化、 办公及家用电子产品。高科技 军事、生产行业也有特殊应用。
将化学能转换成电能的装置
太阳能电池
将太阳能转换成电能的装置
化学电源
电池
化学电池
二次电池：铅蓄电池、锂离子电池等
(可充电电池)
燃料电池：氢氧燃料电池、甲烷燃料电池等
1、化学电源的分类
一次电池：干电池
2、化学电池优点
(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、判断电池优劣的标准
( 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
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，其质量好。
二、一次电池
放电之后不可再充电的电池。一次电池中的电解质溶液制成胶 状，不流动，也叫干电池。
1.普通锌锰干电池(酸 性)
(1)构造：
锌筒
石墨棒
NH CI、ZnCl 和 H O
等
MnO 和 C
普通锌-锰干电池的结构
(3)工作原理：
总反应：Zn+2MnO +2NH CI=Mn O +ZnCl +2NH +H O 负极反应：Zn—2e-=Zn2+
正极反应：2 MnO +2NH ++2e-=Mn O +2NH 个+H O
锌筒
石墨棒
NH CI、ZnCl 和 H O等
MnO 和 C
普通锌-锰干电池的结构
(2)组成
正极：石 墨 负极：Zn 电解质：NH Cl糊
优点：制作简单、价格便宜。
缺 点 ：放电时间短，电压下降快。
2.碱性锌锰干电池
(1)构造：
锌粉和KOH 的混合物
MnO
金属外壳
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： 只能一次使用， 不能 充电； 价格较贵
氢氧化氧锰
总反应：Zn+2MnO +2H O=2MnO(OH)+Zn(OH)
负极反应：Zn+2OH-2e==Zn(OH)
正极反应：2 MnO +2er+2H O=2MnO(OH)+2OH-
(2)组成：
正极：MnO 负极：Zn
电解质：KOH
(3)工作原理：
3.银锌电池
(1)构造： 锌负极
Ag,O 正极
浸了KOH(aq)的隔板 金属外壳
(2)组成：
负极：Zn 正极：Ag O
电解质：KOH
(3)工作原理：
这种电池能量大、电压稳定，储存时间 长，适宜小电流连续放电，常制成纽扣 式电池，广泛用于电子手表、照相机、 计算器和其他微型电子仪器。
总反应：Zn+Ag 0+H O=Zn(OH) +2Ag
负极反应：Zn+20H--2e-=Zn(OH)
正极反应：Ag O+H O+2e-=2Ag+2OH-
一种用于心脏起博器的微型电池，具有容量大、寿命长和电压稳定特点。该电池的电
极材料分别是石墨和锂，电解质溶液为等物质的量的LiCI、AICl 溶解在SOCl 中形成
的溶液。这种电池的总反应为 8Li+3S0CI =6LiCl+Li SO +2S
则该电池的负极反为：8 Li-8e-=8Li+
正极反应为：3 SOCl +8e-=SO +2S+6Cl
锂一次电池
植入式心脏复律除颤器 (Implantable cardiac defibrillator,ICD)
4.锂电池
Li—MnO 非水电解质电 池 ：
负极——Li
正极——MnO
电解质——LiC10 + 混合有机溶剂(碳酸丙烯脂+
二甲氧基乙烷)
总 反 应 Li+MnO =LiMnO
负 极 Li 一 e-=Li+
正 极 MnO +Li++e-=LiMnO
思考：和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。
三 .二 次 电 池
二次电池又称为可充电电池或蓄电池，是一类放电后可以再充电而 反复使用的电池。
(1) 常见类型：铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等；
(2) 特点：
放电：化学能转化为电能；
充电：电能转化为化学能。
放电时发生的氧化还原反应，
在充电时逆向进行，使电池恢复到放电前的状态。
(1)工作机制
稀硫酸
充电电池中能量的转化关系： 化学能 龙电电 能 不是可逆反应 组成：正极：PbO 负极：Pb 电解质：H SO 溶液
三 、二次电池(充电电池或蓄电池):
1.铅酸蓄电池
其电池反应可以正向和逆向进行，放电时为自发电池，充电时 为电解池，充电后电池容量得到恢复，充放电次数可达千百次。
(2)铅
①放电过程
负极： Pb+SO --2e-=PbSO
正极：PbO +4H++SO -+2e-=PbSO +2H O
总反应：Pb+PbO +2H SO =2PbSO +2H O
②充电过程
接电源负极阴极： PbSO +2e-=Pb+SO -
接电源正极阳极：PbSO +2H O-2e-=PbO +4H++SO -
总反应：2PbSO +2H O=Pb+PbO +2H SO
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：笨重，比能量低、废弃电池污染环境
优点：体积小便于携带，可重复使用500次以上，寿命比铅蓄电池长。广泛用 于收录机、无线对讲机、电子闪光灯、电动剃须刀等。
缺点 ：镉有致癌作用，废弃的镍镉电池如不回收，会严重污染环境，有被镍 氢电池取代的趋势。
2. 碱性镍镉电池
(1)正极：Ni00H 负极：Cd 电解质： KOH
(2)碱性镍镉电池工作原理
①放电过程
负极： Cd+2OH--2e-=Cd(OH)
正极：2NiOOH+2e-+2H O=2Ni(OH) +2OH-
总反应：2NiOOH+Cd+2H O=2Ni(OH) +Cd(OH)
②充电过程
阴极： Cd(OH) +2e-=Cd+2OH-
阳 极 ： 2Ni(OH) +2OH--2e-=2NiOOH+2H O
总反应：2Ni(OH) +Cd(OH) =2NiOOH+Cd+2H O
①放电过程
负极： H -2e-+2OH-=2H O
正极：2NiOOH+2e-+2H O=2Ni(OH) +2OH-
总反应：H +2NiOOH =2Ni(OH)
②充电过程
阴极：2H O+2e-=H +20H-
阳极：2Ni(OHD) -2e=+2OH-=2NiOOH+2H O
总反应：2Ni(OH) =H +2NiOOH
3.镍氢电池工作原理
(1)负极材料：嵌锂层状石墨(LixC6)
正极材料：钴酸锂(Li -xCoO ) 电解液：锂导电有机电解液
4. 锂离子电池-一新一代可充电的绿色电池
石墨钴酸锂锂离子电池结构
Li
0铝集流
锂导电 有机电
铜集流
Li
(2)锂
①放电过程
负极： LixC —xe-=6C+xLi+
正极：Li xCoO +xe-+xLi=LiCoO
总反应：LixC +Li -xCoO =LiCoO +6C
②充电过程
阴极：6C+xe-+xLi+=LixC
阳极：LiCoO -xe-=Li xCoO +xLi+
总反应：LiCoO +6C=LiC +Li xCoO
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。
负 极 燃料流入
H ,CO,烃类，醇
类，其他有机物
H
失电子
多余燃料流出
不同电解质体系下
的特定结构形式 阳极
四 、燃料电池
将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电池
用电装置
正极
通常为氧气
得电子
不同电解质体系下 的特定结构形式
如OH-,H 0,02-
空气流入
H O
Oz
多余气体流出 o
阴极
H*
H+
电解液
总反应式： 2H +O =2H O
负极： 2 H -4e-=4H+
H J
正极：O +4e-+4H+=2H O
负极室
大 ;消耗2mol0 转移电
。
质子交换膜
1、以氢氧燃料电池为例
①氢氧燃料电池—酸性
正极pH 增 大 ; 负 极pH 减小 ；
溶液pH 增
子 8 NA
电解质 溶液
e
A
正极室
lO
Pt
Pt
总反应式： 2H +O =2H O
负极： 2H +40H--4e-=4H O 正极：O +4e-+2H 0=40H-
正极pH 增大 ;
负极pH_减小 ;
溶液pH 减小；
消耗1molH 转移电子 2NA
负极室 正极室
电解质
溶液
交换膜
②氢氧燃料电池——碱性
e
A)
↓O
H J
Pt +
Pt
介质 电池反应：2H,+02=2H O 2e 小 O 负极
2H -4e-+2O -=2H O
2e 多孔电极 固体电解质 多孔电极 O o - 正极
O +4e-=202-
2e 4 H H 本 H O O H 固体电解质 多孔电极 负极
正极
O +4H++4e-=2H O
③氢氧燃料电池—高温传导02-或H+
H+ 2e
2e —
④氢氧燃料电池—熔融碳酸盐
一极通入H , 一极通入空气和CO 混合气体，以Li CO 和Na CO 的 熔融盐作电解质。
负极：2H +2CO 2-4e-=2CO +2H O
正极：O +2CO +4e-=2CO 2-
总反应式：2H +O =2H O
2、甲烷燃料电池
(1)甲烷-氧气燃料电池 电解质为H SO 溶液
总反应式：CH +20 =CO +2H O
负极：CH -8e-+2H O=CO +8H+ 正极：20 +8 e-+8H+=4H O
(2)甲烷-氧气燃料电池 电解质为KOH溶液
总反应式：CH +20 +20H -=CO 2-+3H O 负极：CH -8e-+100H-=CO 2-+7H O
正极：20 +8 e-+4H O =80H-
2、甲烷燃料电池
(1)甲烷-氧气燃料电池电解质为熔融氧化物(高温下能传导02-)
总反应式：CH +20 =CO +2H O
负极：CH -8e-+402-=CO +2H O
正极：20 +8 e-=402-
(2)甲烷-氧气燃料电池 电解质为熔融碳酸盐(熔融K CO )
总反应式： CH +20 =CO +2H O
负极： CH -8e-+4CO 2-=5CO +2H O
正极： 20 +8 e-+4CO =4CO 2-
3. 甲醇燃料电池 碱性电解质溶液
负极：2 CH OH-12e-+16OH-=2CO 2-+12H O
正极：3 O +12e+4H O=8OH-
电池总反应式：2 CH OH+3O +4OH-=2CO 2-+6H O
4.肼燃料电池 碱性电解质溶液
负极： N H -4e-+4OH=N 个+4H O
正极： O +4e-+2H O=4OH-
电池总反应式：N H +O =N +2H O
5.铝-空气-海水电池
负极： 4 A1-12e-=4A13+
正极： 30 +12 e-+6H O=12OH-
电池总反应式： 4 A1+3O +6H O=4A1(OH)
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。
减 少 污 染 节 约 资 源
化学电源

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