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化学电源
第四章 化学反应与电能
1. 掌握常见化学电源的工作原理，
明确电极反应及电池总反应。
2. 能准确书写各类化学电源的电极反应式和总反应式，理解其充放电过程中的能量转化关系。
化学电源
概述
（1）概念:
将化学能变成电能的装置
（2）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) 电池优劣的判断标准:
① 比能量
［单位：(w·h/kg)，(w·h/L)］
② 比功率
[单位：（W/kg，W/L)]
③ 电池的可储存时间的长短
化学电源
化学电池
一次电池
二次电池
燃料电池
碱性锌锰电池
铅蓄电池
氢氧燃料电池等
锂离子电池
银锌蓄电池
普通锌锰干电池
锌银纽扣电池
放电后不可再充电的电池，也叫干电池。
放电后可以再充电而反复使用的电池，又称可充电电池或蓄电池。
连续地将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。
一次电池
普通锌锰干电池
锌筒
石墨棒
MnO2和C
普通锌-锰干电池的结构
NH4Cl、ZnCl2 和 H2O等
Zn、MnO2/NH4Cl溶液（糊状） 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物
金属
MnO2
Mn2O3
Zn
Zn
Zn2+
总反应：Zn+2MnO2+2NH4+=Zn2++Mn2O3+2NH3+H2O
负极： Zn - 2e- = Zn2+
正极：2MnO2+2NH4++2e- =Mn2O3+ 2NH3+H2O
优点：制作简单、价格便宜
缺点：放电时间短，电压下降快
一次电池
碱性锌锰电池构造示意图
碱性锌锰电池
Zn、MnO2/KOH溶液（胶状） 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物
黄铜棒
Zn
ZnO
金属
MnO2
MnOOH
负极：Zn+2OH--2e-=ZnO+H2O
正极：2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-
总反应：Zn+2MnO2+H2O=ZnO+2MnOOH
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(电流稳定，放电容量、时间增大几倍,不会气涨或漏液)
缺点：多数只能一次使用，不能充电；价格较贵
一次电池
锌银纽扣电池
Zn、Ag2O/KOH溶液 负极 正极 电极 还原剂 氧化产物 电极 氧化剂 还原产物
负极：Zn＋2OH－－2e-＝Zn(OH)2
正极：Ag2O＋H2O＋2e-＝2Ag＋2OH－
总反应式：Zn＋Ag2O＋H2O＝2Ag＋Zn(OH)2
金属
Zn
Zn(OH)2
金属
Ag2O
Ag
二次电池
铅蓄电池
其电池反应可以正向和逆向进行。蓄电池放电时为自发电池，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。
二次电池
（1）正负极材料
正极：PbO2
负极：Pb
电解质溶液：H2SO4(aq)
化学能
电能
放电
充电
（2）工作机制
充电电池中能量的转化关系：
（3）放电时电极反应式:
总反应：Pb + PbO2 + 2H2SO4＝2PbSO4 + 2H2O
负极: Pb + SO42- -2e-＝PbSO4
正极：PbO2 + 4H+ + SO42- + 2e-＝PbSO4 + 2H2O
铅蓄电池
二次电池
（4）(充放电)反应式: 充电时电极反应式与放电时电极反应式相反,所以可以
把上述反应写成一个反应式：
Pb＋PbO2＋2H2SO4 2PbSO4＋2H2O。
优点：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。
二次电池
锂离子电池
铜集流板
铝集流板
锂导电有机电解液
LixCy
Li1-xCoO2
石墨钴酸锂锂离子电池结构
①放电过程
负极：
正极：
LixCy － xe－＝ Cy+xLi+
②充电过程
阴极：
阳极：
Cy +xe－+xLi+＝LixCy
Li1-xCoO2+xe－+ xLi+ ＝LiCoO2
LiCoO2－xe－＝Li1-xCoO2 + xLi+
LixCy +Li1-xCoO2 LiCoO2＋ Cy
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转化为电能的化学电源。
缺点：体积较大、附属设备较多
优点：能量转换率高、清洁、对环境好
氢氧燃料电池
燃料电池
负极：2H2 + 4OH- - 4e- ＝ 4H2O
正极： O2 + 4e- + 2H2O ＝ 4OH-
（1） (-)H2 | H+ | O2(+) 酸性介质
负极：2H2 - 4e- ＝ 4H+
正极：O2 + 4e- + 4H+ ＝2H2O
总反应式: 2H2 + O2 ＝ 2H2O
（2） (-)H2 | OH- | O2(+) 碱性介质
燃料电池
氢氧燃料电池
总反应式: 2H2 + O2 ＝ 2H2O
（3） (-)H2 | O2- | O2(+) 固体ZrO2介质
负极：2H2 - 4e- + 2O2- = 2H2O
正极：O2 + 4e- ＝2O2-
（4） (-)H2 | CO32- | O2(+) 固体碳酸盐介质
负极： 2H2 - 4e- + 2CO32- = 2CO2 + 2H2O
正极： O2 + 4e- + 2CO2 = 2CO32-
燃料电池
氢氧燃料电池在四种常见介质中的电极反应总结
燃料电池
可供选择的燃料: 氢气、烃类、肼、甲醇、氨、煤气等液态或气态的燃料。
燃料电池
甲烷燃料电池
负极：CH4＋2H2O－8e－ == CO2＋ 8H+
正极：2O2＋ 8H+＋8e－ ==== 4H2O
负极：CH4＋10OH－－8e－ ==== CO32－＋7H2O
正极：2O2＋4H2O＋8e－ ==== 8OH－
总反应：CH4＋2O2＋2OH- ==== CO32-＋3H2O
（1） (-)CH4 | H+ | O2(+) 酸性介质
（2） (-)CH4 | OH- | O2(+) 碱性介质
总反应：CH4＋2O2 ==== CO2＋2H2O
燃料电池
甲烷燃料电池
负极：CH4＋4O2-－8e－ == CO2＋ 2H2O
正极：O2＋4e－ ==== 2O2-
负极：CH4－8e－+ 4 CO32- === 5CO2＋2H2O
正极：O2＋2CO2＋4e－ ==== 2 CO32-
总反应：CH4＋2O2 ==== CO2＋2H2O
（3） (-)CH4 | O2- | O2(+) 固体氧化物介质
（4） (-)CH4 | CO32- | O2(+) 固体碳酸盐介质
总反应：CH4＋2O2 ==== CO2＋2H2O
燃料电池
乙醇燃料电池
负极： C2H5OH －12e－＋3H2O===2CO2＋12H＋
（1） (-)C2H5 OH| H+ | O2(+) 酸性介质
（2） (-)C2H5 OH| OH- | O2(+) 碱性介质
燃料电池
乙醇燃料电池
（4 ） (-)C2H5 OH| CO32- | O2(+) 熔融碳酸盐
（3 ） (-)C2H5 OH| O2- | O2(+) 熔融氧化物
【思考归纳】如何准确书写电极反应呢？
写出稳定的电极产物
找正负
使守恒
看环境
相加减
②电荷守恒
③原子守恒
①电子守恒
正极+负极=总反应式
找氧化剂
酸性补H＋
碱性补OH－
给什么补什么
找还原剂

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