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化学电源
第四章 化学反应与电能
化学电源
学习目标
1、了解常见的化学电源，能运用原电池思维模型分析其工作原理，能用电极反应表示其中发生的化学反应，体会变化与守恒思想。
2、了解化学电源的发展史，能列举常见的化学电源；能从物质变化和能量变化的角度分析新型电池的研发和利用。
课堂导入
在现代生活、生产、科学研究以及科学技术的发展中，电池发挥的作用不可代替，大到宇宙火箭、人造卫星、飞机、轮船，小到电脑、电话、手机以及心脏起搏器等，都离不开各种各样的电池。
思考与讨论
1、为什么电池的用途如此广泛呢？
方便携带、易于维护，能量转换效率高，供能稳定可靠，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。
2、电池优劣的判断标准是什么？
① 比能量
② 比功率
③ 电池的可储存时间的长短
除了特殊情况外，质量轻、体积小而输出电能多、功率大、储存时间长的电池更易满足使用者的要求。
概念
化学电源是将化学能转化为电能的实用装置
化学电源的分类
(1)化学电源按其使用性质常分为如下三类：
一次电池：活性物质消耗到一定程度就不能再使用。
二次电池：又称可充电电池，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化为电能的化学电源。
(2)化学电源按其电解质性质可分为 中性电池、酸性电池、碱性电池。
化学电源
一、一次电池
因其电解质溶液制成不流动胶状，也叫干电池。
最早进入市场的实用干电池，其电解质溶液用淀粉糊固定化。
一、一次电池
1、普通锌锰干电池
石墨电极
二氧化锰
和炭黑
氯化铵、氯化锌
锌筒
+
-
请同学们结合资料和示意图分析：电极反应中的还原剂和氧化剂、电极材料、离子导体。
【资料卡片】放电时发生的主要反应为：
Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 Zn(NH3)2Cl2 + 2MnO(OH)
电极反应活性物质 还原剂： 氧化剂：
电极材料 负极： 正极：
离子导体
Zn
MnO2
Zn
石墨棒
NH4Cl和ZnCl2混合物
负极：
正极：
Zn – 2e- = Zn2+
2MnO2+2NH4++2e- =Mn2O3+2NH3↑+H2O
一、一次电池
【思考】分析普通锌锰干电池长期占据市场和现在逐渐被替代的可能原因
优点：结构简单、价格低廉
缺点：①会发生自放电；②电解质糊状NH4Cl为酸性，会腐蚀电池的锌筒
且反应有H2生成，易造成电池膨胀及漏液现象。
Zn
石墨棒
NH4Cl
MnO2
NH4Cl
ZnCl2
A
一、一次电池
一、一次电池
2、碱性锌锰干电池
碱性锌锰干电池结构
金属外壳
离子型
导电隔膜
Zn粉和
KOH混合物
铜针
MnO2和
KOH混合物
【资料卡片】已知该电池总反应为：
Zn+2MnO2+2H2O 2MnO(OH)+Zn(OH)2
电极反应 还原剂：Zn粉 氧化剂 ：MnO2
电极材料 负极：铜针 正极：金属外壳
离子导体 KOH、离子型导电隔膜
负极：
正极：
Zn 2e + 2OH == Zn(OH)2
2MnO2 + 2e + 2H2O == 2MnO(OH) + 2OH
一、一次电池
3、锌银电池—纽扣电池
纽扣式银锌电池的总反应式为：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2
电解质液为KOH溶液， 请写出的电极反应式。
正极：
负极：
Zn＋2OH 2e ＝ Zn(OH)2
Ag2O＋2e ＋H2O ＝ 2Ag ＋2OH
二、二次电池
1、铅酸蓄电池
二氧化铅
铅
H2SO4 溶液
铅蓄电池的结构比较复杂，通常由若干个单电池串联而成。它以平行排列的铅、铅锑合金或铅钙合金栅板为主架，栅格中交替填充着铅和二氧化铅，电解质溶液为 H2SO4 溶液。
二、二次电池
(1)放电时：
负极：_________________________；
正极：____________________________________________。
(2)充电时：
阴极：_______________________；
阳极：_____________________________________________。
提醒　※ 充电时电极的连接，负接负作阴极，正接正作阳极。
总反应为Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O。
Pb + SO42- - 2e- =PbSO4
PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e- =PbSO4 + 2H2O
PbSO4 + 2e- =Pb + SO42-
PbSO4 + 2H2O - 2e- = PbO2 + 4H+ + SO42-
【思考】
1.二次电池的总反应是可逆反应吗？
2.放电与充电时，能量变化各是什么？
3.铅蓄电池工作时，稀硫酸的密度如
何变化？正负极的质量又如何变化？
4. 充电时的操作？
二、二次电池
2、锂电池
1991年，索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物做正极，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。
笔记本电脑电池
手机电池
照像机电池
摄像机电池
二、二次电池
锂离子电池中不含有金属态的锂，它是把锂离子嵌入碳（石油焦炭/石墨）中形成负极。 锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。
锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。
二、二次电池
锂离子电池的电极反应式
负极 LixCy
负极材料：嵌锂层状石墨(LixC6 )
正极材料：钴酸锂(Li1-xCoO2)
电解液：锂导电有机电解液
总反应：
正极：
负极：
放电
阳极：
阴极：
充电
LixC6 +Li1-xCoO2 LiCoO2＋6C
放电
充电
LixC6 － xe－＝ 6C+xLi+
Li1-xCoO2+xe-+xLi+ ＝LiCoO2
6C+xe－+xLi+＝LixC6
LiCoO2－xe- ＝Li1-xCoO2+xLi+
Li+由石墨中脱嵌移向正极，嵌入LiCoO2晶体
Li+从LiCoO2晶体中脱嵌，由正极回到负极，嵌入石墨中
三、燃料电池
燃料电池是一种连续地将 和 的化学能直接转化为 的化学电源。
燃料电池的电极本身不包含 ，只是一个催化转化元件。
燃料
氧化剂
电能
活性物质
燃料电池的特点
① 燃料和氧化剂连续的由外部供给，生成物不断地被排出，可以连续不断地提供电能。
② 电池内部的电极材料和离子导体在工作过程中不发生改变，使燃料电池可以持续工作。
三、燃料电池
理论上来说，所有的燃烧反应均可设计成燃料电池，所以燃料电池的燃料除氢气外，还有烃、肼、甲醇、氨、煤气等气体或液体，且能量转化率超过80%。
能连续不断地提供电能
三、燃料电池
燃料电池的电极材料是固定的，正、负极均为多孔活性碳或铂或镍棒，起吸附、导电、催化作用，做辅助电极。
通燃料的电极一定为 负极
通O2或空气的电极一定为正极
三、燃料电池
酸性电解质 碱性电解质
负极反应 2H2－4e—＝ 4H+ 2H2＋4OH—－4e—＝ 4H2O
正极反应 O2 ＋4H+ ＋4e—＝ 2H2O O2＋2H2O＋4e— ＝ 4OH—
总反应 2H2 + O2 ＝ 2H2O 三、燃料电池
正极：2O2＋8H+＋8e—＝4H2O
总反应：CH4 ＋ 2O2 ＝CO2＋2H2O
O2
CH4
负极
正极
酸性电解质下反应式：
负极：CH4＋2H2O－8e—＝CO2＋8H+
甲烷燃料电池
正极：2O2＋4H2O＋8e—＝8OH—
总反应：CH4 ＋ 2O2 ＋ 2OH—＝CO32- ＋3H2O
负极：CH4＋10 OH—－8e—＝CO32-＋7H2O
碱性电解质下反应式：
练习
以C3H8为燃料，以O2为氧化剂，分别变换离子导体，写出总反应式、正、负极反应式。
（1）离子导体(H2SO4或H3PO4)：
总反应：
正极：
负极：
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
O2 + 4e– + 4H+ ＝ 2H2O
C3H8 + 6H2O – 20e– ＝ 3CO2 + 20H+
5O2 + 20e– + 20H+ ＝ 10H2O
（2）离子导体(KOH)：
总反应：
正极：
负极：
C3H8 + 5O2 + 6OH– 3CO32– + 7H2O
O2 + 2H2O + 4e– ＝ 4OH–
C3H8 +26OH–– 20e– = 3CO32– + 17H2O
5O2 + 10H2O + 20e– ＝ 20OH–
练习
以C3H8为燃料，以O2为氧化剂，分别变换离子导体，写出总反应式、正、负极反应式。
（3）离子导体(熔融氧化物)：
总反应：
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
正极：
负极：
O2 + 4e– ＝ 2O2–
C3H8 +10O2–– 20e– = 3CO2 + 4H2O
5O2 + 20e– ＝ 10O2–
（4）离子导体(熔融K2CO3)：
总反应：
C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O
正极：
负极：
O2 + 4e– + 2CO2 ＝ 2CO32–
C3H8 +10CO32– – 20e– = 13CO2 + 4H2O
5O2 + 20e–+ 10CO2 ＝ 10CO32–
课堂小结
电池类型 原理 工艺及目的
一次电池 原电池原理 加入隔膜分隔氧化剂与还原剂，减少电池自损耗。
二次电池 原电池及 电解池原理 将相关活性物质富集在电极材料表面，实现物质循环转化。
燃料电池 原电池原理 燃料和氧化剂连续由外部提供，保持电极材料和离子导体稳定，能够实现连续工作。

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