1、 1 / 10预习课程化学电源化学电源化学之美说 说 电 池普 通 干 电 池 手 机 电 池 纽 扣 电 池电 脑 电 池 相 机 电 池 “神 六 ”专 用 太 阳 能 电 池了 解 上 述 电 池 的 原 理 、 电 极 材 料 及 电 极 反 应 方 程 式2 / 10预习课程化学电源课堂探究 电 池 的 分 类电池原子能电池：将放射性同位素自然衰变时产生的热能通过热电转换器转变为电能的装置。太阳能电池：将太阳能转化为电能的装置转变为电能的装置。化学电池将化学能转化为电能的装置一次电池：活性物质消耗到一定程度就无法继续使用的电池，如：普通锌锰电池等。二次电池：又称为充电电池或蓄电池，放
2、电后可充电式活性物质获得再生。如铅蓄电池等。燃料电池：如氢氧燃料电池、甲烷燃料电池等等。（2）电池优劣的判断判断一种电池的优劣或是否符合某种需要，主要看这种电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少（比能量，单位是（Wh）/kg, （Wh）/L ）,或者输出功率的大小（比功率， W/kg,W/L）以及电池的可储存时间的长短。除特殊情况外，质量轻、体积小而输出点能多、功率大、可储存时间长的电池，更适合使用者需要。（3）部分常见化学电池及反应 普通干电池酸式 Zn-Mn 干电池用锌制桶形外壳作负极，位于中央的顶盖有铜帽的石墨作正极，在石墨周围填充 NH4Cl、ZnCl 2 和淀粉作电解质溶液，还填充
3、 MnO2 的黑色粉末吸收正极放出的 H2，防止产生极化现象。电极总的反应式为：4NH 4Cl+2Zn +2MnO2 = Zn(NH3)4Cl2 +ZnCl2 +Mn2O3+H2O碱性锌-锰干电池电池反应：Zn+2MnO 2+2H2O=2MnOOH+Zn(OH)2负极 Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2正极 2MnO2+2H2O+2e-=2MnOOH+2OH-3 / 10预习课程化学电源 纽扣电池1970-1975, 开发了先进的银锌、镍镉电池技术。 1975-1983, 为美国海军生产潜水艇用银锌电池。 1979-1987,为美国国家能源部发展电动车用的镍锌电池。 1998-
4、1992, 为美国海军发展世界上最大的镍镉电池用于核潜水艇。正极壳填充 Ag2O 和石墨，负极盖填充锌汞合金，电解质溶液 KOH。反应式为：Ag2O + Zn =2Ag + ZnO正极：Ag 2O + H2O + 2e- =2Ag + 2OH-负极：Zn + 2OH- -2e- =ZnO + H2O 铅蓄电池正极材料上涂有棕褐色的 PbO2，负极材料是海绵状的金属铅，两极浸在 H2SO4 溶液中。写出电极反应式。负极：Pb + SO 42- -2e- =PbSO4 正极：PbO 2 + 4H+SO42-+2e- =2PbSO4 +2H2O放电过程总反应：Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO
5、4+2H2O 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直接转换成电能的化学电池。 （氢气、烃、肼、甲醇、氨、煤气燃料电池） 酸性电解质：负极： 2H2-4e-=4H+正极： O2+4H+4e-=2H2O总反应：2H 2+O2=2H2O碱性电解质:负极: 2H2-4e-+4OH-=4H2O正极: O2+2H2O+4e-=4OH-总反应: 2H 2+O2=2H2O4 / 10预习课程化学电源 海水电池负极材料是 Al；正极材料为：石墨等能导电的惰性材料或活泼性比铝弱的金属材料负极：4Al-12e - = 4Al3+正极：3O 2+6H2O+12e- = 12OH-总反应：4Al+3O 2
6、+6H2O =4Al(OH)3 锂电池锂金属电池负极材料：Li 或锂合金材料正极材料：MnO 2电解质溶液：非水溶液负极反应：Li-e -=Li+正极反应：MnO 2+ e-+Li+=LiMnO2总反应：MnO 2+Li=LiMnO2锂离子电池负极材料：石墨正极材料：锂合金金属氧化物或锂铁磷酸盐电解质溶液：非水电解质以正极材料为锂铁磷酸盐为例书写电极反应方程式如下：负极反应：Li xC6 - xe-= xLi+ + 6C正极反应：Li 1-xFePO4 + xLi+ + xe- LiFePO4总反应：Li xC6+ Li1-xFePO4 = LiFePO4+6C基础演练【 例 1】 甲 醇 、
7、 空 气 （ 含 CO2） ， 与 碳 酸 锂 熔 融 盐 燃 料 电 池 。 甲 醇 被 氧 化 ， 因 此 通 甲 醇 的 一 极 是 负 极 ，CO32-参 与 反 应 。负 极 反 应 ：正 极 反 应 ：总 反 应 ：【 例 2】 高 铁 电 池 是 一 种 新 型 可 充 电 电 池 ， 与 普 通 高 能 电 池 相 比 ， 该 电 池 能 长 时 间 保 持 稳 定 的 放 电 电 压 。 高 铁 电 池的 总 反 应 为 ：3Zn2K 2FeO48H 2O 3Zn(OH)22Fe(OH) 34KOH放 电充 电5 / 10预习课程化学电源下列叙述不正确的是( )A放电时负极反
8、应为：Zn 2e 2OH =Zn(OH)2B充电时阳极反应为：Fe(OH) 33e 5OH =FeO 4H 2O24C放电时每转移 3 mol 电子，正极有 1 mol K2FeO4 被氧化D放电时正极附近溶液的碱性增强【 例 3】 电 瓶 车 所 用 电 池 一 般 为 铅 蓄 电 池 ， 这 是 一 种 典 型 的 可 充 电 电 池 ， 电 池 总 反 应 式 为 ：Pb PbO2 4H 2SO 2PbSO4 2H2O2 4放 电充 电则下列说法正确的是( )A放电时：负极板上发生了还原反应B放电时：正极反应是 Pb2e SO =PbSO424C充电时：铅蓄电池的负极应与充电器电源的正极
9、相连D充电时：阳极反应是 PbSO42e 2H 2O=PbO2SO 4H 24【 例 4】 固 体 氧 化 物 燃 料 电 池 是 由 美 国 西 屋 (Westinghouse)公 司 研 制 开 发 的 。 它 以 固 体 氧 化 锆 氧 化 钇 为 电 解 质 ， 这种 固 体 电 解 质 在 高 温 下 允 许 氧 离 子 (O2 )在 其 间 通 过 。 该 电 池 的 工 作 原 理 如 图 所 示 ， 其 中 多 孔 电 极a、 b 均 不 参 与电 极 反 应 。 下 列 判 断 正 确 的 是 ( )A有 O2 放电的 a 极为电池的负极B有 H2 放电的 b 极为电池的负极
10、Ca 极对应的电极反应式为 O22H 2O4e =4OHD该电池的总反应方程式为 2H2O 2 2H2O= = = = =高 温 6 / 10预习课程化学电源【 例 5】 化 学 电 池 在 通 讯 、 交 通 及 日 常 生 活 中 有 着 广 泛 的 应 用 。(1)目前常用的镍镉(NiCd) 电池，其电池总反应可以表示为：Cd2NiO(OH)2H 2O 2Ni(OH)2Cd(OH) 2放电 充电已知 Ni(OH)2 和 Cd(OH)2 均难溶于水但能溶于酸，以下说法中正确的是 ( )以上反应是可逆反应 以上反应不是可逆反应充电时化学能转变为电能 放电时化学能转变为电能A B C D(2)
11、废弃的镍镉电池已成为重要的环境污染物，有资料表明一节废镍镉电池可以使一平方米面积的耕地失去使用价值。在酸性土壤中这种污染尤为严重。这是因为_。(3)另一种常用的电池是锂电池( 锂是一种碱金属元素，其相对原子质量为 7)。由于它的比容量(单位质量电板材料所能转换的电量)特别大而广泛应用于心脏起搏器，一般使用时间可长达 10 年。它的负极用金属锂制成；电池总反应可表示为：LiMnO 2 LiMnO 2试回答：锂电池比容量特别大的原因是_。锂电池中的电解质溶液需用非水溶剂配制，为什么这种电池不能使用电解质的水溶液？请用化学方程式表示其原因_ 。知识导图原电池与化学电源原电池化学电源原理装置特点形成条
12、件电极反应两级分别发生氧化 、 还原反应 ， 产生电流化学能转化为电能电解质溶液两个活泼性不同的电极形成闭合回路自发的进行氧化还原反应正负极判断电极反应方程式及电池总反应方程式判断电池优劣的标准分类一次电池二次电池燃料电池普通锌锰电池 、 碱性锌锰电池 、 银锌电池 、 锂电池铅蓄电池 、 镍镉电池 、 氢镍电池 、 银锌电池 、 锂离子电池 、 聚合物锂离子电池 。氢氧燃料电池 、 甲醇燃料电池 、 甲烷燃料电池电池单位质量或单位体积所能输出电能的多少 ， 或者输出功率的大小及电池储存时间的长短 。7 / 10预习课程化学电源课后练习练习 1. 熔融盐燃料电池具有高的放电效率，因而受到重视，
13、可用 Li2CO3 和 Na2CO3 的熔融盐混合物作电解质，CO 为负极燃气，空气与 CO2 的混合气体为正极助燃气，制得在 650下工作的燃料电池，完成有关的反应式：负极反应式：2CO2CO 4e =4CO2。23正极反应式：_。电池的总反应式：_。练习 2. 市场上出售的“热敷袋”其主要成分是铁屑、碳粉、木屑和少量氯化钠、水等。 “热敷袋”启用之前塑料袋使之与空气隔绝，启用时，打开塑料袋轻轻揉搓就会放热量，使用完后，会发现有大量铁锈存在。请回答下列问题：(1)“热敷袋”放出的热量是利用了铁_放出的热量。(2)碳粉的主要作用是_。(3)加入氯化钠的主要作用是_。(4)写出有关的电极反应方程
14、式：负极：_；正极：_。练习 3. 一种新型燃料电池，一极通入空气，另一极通入丁烷气体，电解质是掺杂氧化钇（Y 2O3）的氧化锆（ZrO 2）晶体，在熔融状态下能传导 O2 。下列对该燃料的说法正确的是 A.在熔融电解质中，O 2 由负极移向正极B.电池的总反应是：2C 4H10 13O28CO 210H 2OC.通入空气的一极是正极，电极反应为：O 24e 2O 2D.通入丁烷的一极是正极，电极反应为： C4H10 26 e 13 O2 4 CO 2 5 H 2O练习 4. 锌、溴蓄电池的充、放电的电池总反应为 Zn2 2Br 充 电 放 电 ZnBr 2。下列各反应Zn-2e Zn 2 B
15、r 22e 2Br 2Br Br 2 +2e Zn 2 2e Zn，其中放电时正负极的反应分别是A B C D8 / 10预习课程化学电源化学视野硅太阳能电池工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：硅材料是一种半导体材料，太阳能电池发电的原理主要就是利用这种半导体的光电效应。一般半导体的分子结构是这样的：上图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼（黑色或银灰色固体，熔点 2300，沸点 3658，密度 2.34 克/厘米，硬度仅次于金刚石，在室温下较稳定，可与氮、碳、硅作用，高温下硼还与许多金属和金
16、属氧化物反应，形成金属硼化物。这些化合物通常是高硬度、耐熔、高导电率和化学惰性的物质。 ） 、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在一个空穴，它的形成可以参照下图说明：图中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子，而绿色的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有 3 个电子，所以就会产生如图所示的红色的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成 P（positive ）型半导体 。（附，什么是 P 型半导体呢？在半导体材料硅或 锗晶体中掺入三价元素杂质可构成缺壳粒的 P 型半导体，掺入五价元素杂质可构成多余壳粒的 N 型半导体。 ）同样，掺入磷原子以后，因为磷原
17、子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative ）型半导体。绿色的为磷原子核，红色的为多余的电子，如下图所示：9 / 10预习课程化学电源P 型半导体中含有较多的空穴，而 N 型半导体中含有较多的电子，这样，当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN 结。当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P 型一侧带 负电，N 型一侧带正电。这是由于 P 型半导体多空穴，N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。N 区的电子汇扩散到 P 区，P 区的空穴会扩散到 N 区，一旦扩散就形成了一个有 N
18、 指向 P 的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，从而形成 PN 结。当晶片受光后，PN 结中，N 型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P 型区中的电子往 N 型区移动，从而形成从 N 型区到P 型区的电流。然后在 PN 结中形成 电势差，这就形成了电源。下面就是这样的电源图。10 / 10预习课程化学电源由于半导体不是电的良导体，电子在通过 p-n 结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 p-n 结（如图 梳状电极） ，以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（如图） ，实际工业生产基本都是用化学气相沉积沉积一层氮化硅膜，厚度在 1000埃左右。将反射损失减小到 5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是 36 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
