物理化学课件：§7.9 原电池设计举例.ppt

1、17.9 原电池设计举例原电池设计举例 1) 由电池表示写出化学反应由电池表示写出化学反应 2) 将化学反应设计成电池将化学反应设计成电池反应可分为几类反应可分为几类 氧化还原反应；氧化还原反应； 中和反应中和反应 沉淀反应；沉淀反应； 浓差电池浓差电池原电池原电池的互译的互译221. 氧化还原反应氧化还原反应原则：被氧化的物质作阳极，写在左边；原则：被氧化的物质作阳极，写在左边； 被还原的物质作阴极，写在右边。被还原的物质作阴极，写在右边。例：例：H2(g , pH2) + 0.5O2(g , pO2) H2O(l) 阳：阳：H2(g, pH2) 2H+(a+) + 2e- -) 阴：阴：0

2、.5O2(g , pO2) + 2H+(a+) + 2e- H2O(l)电池表示：电池表示：Pt | H2(g, pH2) | H+(a+) | O2(g, pO2) |Pt或碱性：或碱性： Pt | H2(g, pH2) | OH(a) | O2(g, pO2) |Pt332. 中和反应中和反应 (反应前后价态无变化反应前后价态无变化)原则：若反应前后元素的价态不发生变化，则根据反应物原则：若反应前后元素的价态不发生变化，则根据反应物 或产物种类确定一电极，再由电池反应与之相减，或产物种类确定一电极，再由电池反应与之相减， 得另一电极。得另一电极。例：例： H+ (a+) + OH- (a-

3、) H2O选阴极：选阴极： H+ (a+) + e- 1/2H2(g, p)-)阳：阳：1/2H2(g, p) + OH- (a) H2O + e-电池表示电池表示: Pt | H2(g, p) | OH-(a-) H+(a+) | H2(g, p) |Pt若用氧电极若用氧电极: 阳极阳极: OH-(a-) 1/4O2 (g, p) +1/2H2O+e- 阴极阴极: 1/4 O2 (g, p) + H+(a+) +e- 1/2H2O 电池表示电池表示: Pt|O2(g, p) | OH-(a-) H+(a+) |O2(g, p) |Pt443. 沉淀反应沉淀反应(反应前后价态无变化反应前后价态

4、无变化)例：例：Ag+ + I- AgI(s) 选阳极：选阳极：Ag + I- AgI(s) + e- -)阴：阴：Ag+ + e- Ag 电池表示：电池表示：Ag | AgI(s) | I- Ag+ | Ag4. 浓差电池浓差电池 (电极材料相同电极材料相同,电解质浓度不同电解质浓度不同)例例1：阳：阳：Ag(s) Ag+(a1) + e- 阴：阴：Ag+(a2) + e- Ag(s) +)电池反应：电池反应：Ag+(a2) Ag+(a1) 电池表示：电池表示：Ag| AgNO3 (a1) AgNO3 (a2) |Ag12lnaaFRTE 如：如： a2 a1则：则：E05例例2：电池反应：

5、电池反应： H+(a2) H+(a1)阳：阳：0.5H2(g) H+(a1) + e-阴：阴： H+(a2) + e- 0.5H2(g) 电池表示：电池表示：Pt | H2(g, p) | H+(a1) H+(a2) | H2(g, p) |Pt12lnaaFRTE 如：如： a2 a1则：则：E0例例3：气体浓差电池：气体浓差电池 电池反应：电池反应：H2(g, p1) H2(g, p2) 阳极阳极: H2(g, p1) 2H+ (a) + 2e-阴极阴极: 2H+ (a) + 2e- H2(g, p2)电池：电池：Pt| H2(g, p1) |H+ (a) | H2(g, p2) |Pt2

6、1ln2ppFRTE 如：如： p1 p2则：则：E0例例2366 虽然虽然 G 0的反应原则上都可设计成原电池，但并不的反应原则上都可设计成原电池，但并不是所有的原电池都具有实际应用价值，可作为化学电源来是所有的原电池都具有实际应用价值，可作为化学电源来使用。理想的化学电源应具有电容量大、输出功率范围广使用。理想的化学电源应具有电容量大、输出功率范围广、工作温度限制小、使用寿命长、且安全、可靠、廉价等、工作温度限制小、使用寿命长、且安全、可靠、廉价等优点。当然完美的化学电源是不存在的，人们根据不同用优点。当然完美的化学电源是不存在的，人们根据不同用途选择不同的电池。途选择不同的电池。 与其它

7、电源相比，化学电源具有能量转换效率高、使与其它电源相比，化学电源具有能量转换效率高、使用方便、安全可靠、易于携带等优点，因此它在人们的日用方便、安全可靠、易于携带等优点，因此它在人们的日常生活、工业生产以及军事航天等方面都有广泛的用途。常生活、工业生产以及军事航天等方面都有广泛的用途。下面简单介绍一些实际作为化学电源应用的电池。下面简单介绍一些实际作为化学电源应用的电池。77一次电池一次电池 ：能量储存，一次性，小型方便。锌能量储存，一次性，小型方便。锌/锰，锌锰，锌/汞。锌汞。锌/银银二次电池二次电池(蓄电池蓄电池) ：能量储存，循环使用。铅能量储存，循环使用。铅/酸，镍酸，镍/镉，镍镉，镍

8、/铁，镍铁，镍/氢，锂电池氢，锂电池燃料电池：燃料电池： 能量转化，连续性。能量转化，连续性。 (按电解质性质分为按电解质性质分为) 碱性燃料电池碱性燃料电池 磷酸燃料电池磷酸燃料电池 熔融碳酸盐燃料电池熔融碳酸盐燃料电池 固体氧化物燃料电池固体氧化物燃料电池 质子交换燃料电池质子交换燃料电池88 一次电池是人们最早使用的电池，这类电池只能一次性使用，不可一次电池是人们最早使用的电池，这类电池只能一次性使用，不可通过充电的方式使其复原，即反应是不可逆的。它的特点是小型、廉价通过充电的方式使其复原，即反应是不可逆的。它的特点是小型、廉价、携带方便、使用简单，不需要维修。但放电电流不大，一般用于低

9、功、携带方便、使用简单，不需要维修。但放电电流不大，一般用于低功率到中功率放电，多用于仪器及各种电子器件。其形状多为圆柱形、纽率到中功率放电，多用于仪器及各种电子器件。其形状多为圆柱形、纽扣形或扁圆形等。目前常用的一次电池有碱性锌锰电池、锌氧化汞电扣形或扁圆形等。目前常用的一次电池有碱性锌锰电池、锌氧化汞电池、锌氧化银电池等。碱性锌锰电池的示意图如图所示，简化的电池池、锌氧化银电池等。碱性锌锰电池的示意图如图所示，简化的电池表示为表示为 ( )Zn浓浓KOHMnO2 (+)阳极阳极 Zn + 4OH Zn(OH)42 + 2e 阴极阴极 MnO2 + 2H2O + 2e Mn(OH)2 + 2

10、OH 电池反应电池反应Zn + MnO2 + 2H2O + 2OH Zn(OH)42 + Mn(OH)2 碱性锌锰电池是目前市场占有率最高的一次电池，具有自放电碱性锌锰电池是目前市场占有率最高的一次电池，具有自放电小、内阻小、电容量高、放电电压稳定、价格便宜等优点，已基本代小、内阻小、电容量高、放电电压稳定、价格便宜等优点，已基本代替了以前所使用的盐类锌锰电池和具有污染性的替了以前所使用的盐类锌锰电池和具有污染性的锌汞电池锌汞电池 。99 二次电池的应用已有二次电池的应用已有100多年的历史。多年的历史。1859年布兰特研制出了第年布兰特研制出了第一个铅酸蓄电池，开始了人们对二次电池的使用，该

11、电池仍是目前使一个铅酸蓄电池，开始了人们对二次电池的使用，该电池仍是目前使用最广泛的二次电池。二次电池在放电时通过化学反应产生电能，充用最广泛的二次电池。二次电池在放电时通过化学反应产生电能，充电时则使电池恢复到原来状态，即将电能以化学能的形式重新储存起电时则使电池恢复到原来状态，即将电能以化学能的形式重新储存起来，从而实现电池电极的可逆充放电反应，可循环使用。常用的蓄电来，从而实现电池电极的可逆充放电反应，可循环使用。常用的蓄电池有：铅酸、镍镉、镍铁、镍氢、锂电池等。池有：铅酸、镍镉、镍铁、镍氢、锂电池等。铅酸蓄电池的示意图如铅酸蓄电池的示意图如图所示，简化的电池表示为图所示，简化的电池表示

12、为 ( )PbH2SO4(aq)PbO2 (+)阳极阳极 Pb + PbSO4(s) + 2e 阴极阴极 PbO(s) + + 4H+ + 2e PbSO4(s) + 2H2O电池反应为电池反应为 Pb + PbO(s) + H2SO4 2PbSO4(s) + 2H2O1010 镍镍/氢电池是氢电池是20世纪世纪80年代随着贮氢合金研究而发展起来的一种新年代随着贮氢合金研究而发展起来的一种新型二次电池。它的工作原理是在充放电时氢在正负极之间传递，电解型二次电池。它的工作原理是在充放电时氢在正负极之间传递，电解液不发生变化。例如液不发生变化。例如MHx Ni电池，其中电池，其中MHx为贮氢合金，

13、例如为贮氢合金，例如LaNi5H6，氢可以原子状态镶嵌于其中，其简化的电池表示为，氢可以原子状态镶嵌于其中，其简化的电池表示为 ( )MHxKOH(aq)NiOOH (+) 阳极阳极 MHx + xOH M + xH2O + xe 阴极阴极 xNiOOH + xH2O + xe xNi(OH)2 + xOH 电池反应电池反应 MHx + xNiOOH xNi(OH)2 + M 镍氢电池的优点是容量高、体积小、无污染、使用寿命长、可快镍氢电池的优点是容量高、体积小、无污染、使用寿命长、可快速充电，所以一经问世就受到人们的广泛关注，发展迅速，目前已基速充电，所以一经问世就受到人们的广泛关注，发展迅

14、速，目前已基本取代了传统的有污染的镍镉充电电池。不过镍氢电池是一种有记忆本取代了传统的有污染的镍镉充电电池。不过镍氢电池是一种有记忆的充电电池，使用时应将电池的电全部用完后再进行充电。的充电电池，使用时应将电池的电全部用完后再进行充电。 1111 锂电池是日本索尼公司锂电池是日本索尼公司1990年开发推出的新型可充电电池，在此基础年开发推出的新型可充电电池，在此基础上人们很快又研制出性能更好的锂离子二次电池。锂离子电池以嵌有锂的上人们很快又研制出性能更好的锂离子二次电池。锂离子电池以嵌有锂的过渡金属氧化物如过渡金属氧化物如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4等作为正极，以可嵌入锂化等作为

15、正极，以可嵌入锂化合物的各种碳材料如天然石墨、合成石墨、微珠碳、碳纤维等作为负极。合物的各种碳材料如天然石墨、合成石墨、微珠碳、碳纤维等作为负极。电解质一般采用电解质一般采用LiPF6的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂与低粘度二乙基碳酸脂的乙烯碳酸脂、丙烯碳酸脂与低粘度二乙基碳酸脂等烷基碳酸脂混合的非水溶剂体系。隔膜多采用聚乙烯、聚丙烯等聚合微等烷基碳酸脂混合的非水溶剂体系。隔膜多采用聚乙烯、聚丙烯等聚合微多孔膜或它们的复合膜。该类电池内所进行的不是一般电池中的氧化还原多孔膜或它们的复合膜。该类电池内所进行的不是一般电池中的氧化还原反应，而是反应，而是Li+ 在充放电时在正负极之间的转移。如图所示，电池

16、充电时在充放电时在正负极之间的转移。如图所示，电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，到负极中嵌入，放电时反之。人们将这种靠锂离，锂离子从正极中脱嵌，到负极中嵌入，放电时反之。人们将这种靠锂离子在正负极之间转移来进行充放电工作的锂离子电池形象地称为子在正负极之间转移来进行充放电工作的锂离子电池形象地称为“摇椅式摇椅式电池电池”，俗称，俗称“锂电锂电”。 与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相比，锂离子电池电量储备最大、重量最轻比，锂离子电池电量储备最大、重量最轻、寿命最长、充电时间最短，且自放电率、寿命最长、充电时间最短，且自放电率低、无记忆效应，因此非常适合用于笔记低、无记

17、忆效应，因此非常适合用于笔记本电脑、手机、液晶数码像机等小型便携本电脑、手机、液晶数码像机等小型便携式精密仪器，是目前性能最好的可充电电式精密仪器，是目前性能最好的可充电电池。池。1212 燃料电池与一、二次电池不同，它不是能量储存装置，而是一种燃料电池与一、二次电池不同，它不是能量储存装置，而是一种不经过燃烧而将燃料和氧化剂不经过燃烧而将燃料和氧化剂(例如氢气和氧气例如氢气和氧气)反应的化学能直接转化反应的化学能直接转化为电能的发电装置。它的最大特点是燃料和氧化剂是从电池外部连续注为电能的发电装置。它的最大特点是燃料和氧化剂是从电池外部连续注入电池的，是继水利、火力和核能发电之后的第四类发电

18、技术。燃料电入电池的，是继水利、火力和核能发电之后的第四类发电技术。燃料电池自从池自从20世纪世纪60年代被用于宇宙飞船的空间电源后，国际上很快开始了年代被用于宇宙飞船的空间电源后，国际上很快开始了地面用燃料电池的研究。燃料电池的工作原理如图所示，氢气在阳极被地面用燃料电池的研究。燃料电池的工作原理如图所示，氢气在阳极被氧化，氧气在阴极被还原，其产物为没有污染性的水。氧化，氧气在阴极被还原，其产物为没有污染性的水。 近二三十年来，由于一次能源的匮近二三十年来，由于一次能源的匮乏和环境保护问题的突出，国际上要求乏和环境保护问题的突出，国际上要求开发利用新的清洁可再生性能源的呼声开发利用新的清洁可

19、再生性能源的呼声日渐高涨。燃料电池由于具有能量转换日渐高涨。燃料电池由于具有能量转换效率高、对环境污染小、且不使用化石效率高、对环境污染小、且不使用化石燃料等优点而受到世界各国的普遍重视燃料等优点而受到世界各国的普遍重视。13 燃料电池的基本组成为电极、电解质燃料电池的基本组成为电极、电解质(可以是水溶液或熔融盐，也可可以是水溶液或熔融盐，也可以是固体的以是固体的)、燃料和氧化剂。燃料电池多采用高度分散的贵金属、燃料和氧化剂。燃料电池多采用高度分散的贵金属Pt或或Ni等作为电极材料或电极催化材料。燃料可以是气体或液体，人们最早使等作为电极材料或电极催化材料。燃料可以是气体或液体，人们最早使用的

20、燃料是氢气，后又开发研制出其它燃料如用的燃料是氢气，后又开发研制出其它燃料如CO、碳氢化合物以及液体、碳氢化合物以及液体甲醇等。相对于燃料的选择，氧化剂则较为简单，纯氧或空气都可使用甲醇等。相对于燃料的选择，氧化剂则较为简单，纯氧或空气都可使用。燃料电池常按电解质性质分为五大类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池。燃料电池常按电解质性质分为五大类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池和质子交换膜燃料电池。 燃料电池的研究及技术近年来已获得很大发展，在欧美日本等先进国燃料电池的研究及技术近年来已获得很大发展，在欧

21、美日本等先进国家也已研制成功从几瓦小功率的电池到兆瓦级的发电站。但由于燃料电池家也已研制成功从几瓦小功率的电池到兆瓦级的发电站。但由于燃料电池的成本较高，燃料气特别是氢气的储存运输较为困难，所以要使燃料电池的成本较高，燃料气特别是氢气的储存运输较为困难，所以要使燃料电池达到大规模地使用还有很多工作要做。氢能是一种清洁能源，可同时满足达到大规模地使用还有很多工作要做。氢能是一种清洁能源，可同时满足资源、环境和可持续发展的要求，利用氢能来替代日渐枯竭的石油、煤炭资源、环境和可持续发展的要求，利用氢能来替代日渐枯竭的石油、煤炭等化石燃料，是人们寻找开发新能源的探索之一，有人认为等化石燃料，是人们寻找开发新能源的探索之一，有人认为21世纪将是氢世纪将是氢能的世纪。燃料电池作为氢能利用的重要手段，其发展将会对氢能时代的能的世纪。燃料电池作为氢能利用的重要手段，其发展将会对氢能时代的到来产生重要的影响。到来产生重要的影响。例例35Homework 25，29