4.1.2 化学电源 课件 2024-2025学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修1

第四章第一节 第2课时 原电池——化学电源 化学-选修性必修一《化学反应原理》 电源 见证人类发展 ＳＴＳＥ 一、从风筝引电说起 电池的历史 1800年意大利科学家伏打发明的“伏打电池” 是世界上第一个电池。1859年法国普兰特发明 铅酸蓄电池，这是世界上第一个可充电电池: 1868年法国勒兰社发明锌锰干电池: 1889年-1901年瑞典的杨格纳)和美国爱迪 生先后研制成功铁镍蓄电池和锅镍蓄电池: 一次世界大战期间，中性锌-空气电池研制 成功; 1943年法安德烈火发明了锌银电池: 1947年美茹宾研制成功锌汞电池; 50年代碱性锌锰电池问世: 60年代燃料电池研制成功; 70年代锂电池研制成功: 80年代氢镍蓄电池研制成功 90年代锂离子电池问世。 世界上第一个电池 第一个可充电电池 将 变成 的装置。广泛应用于移动电话、照相机、计算器、遥控器、汽车、卫星等。 1.概念: 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。 一、化学电池 化学能 电能 5 3.电池优劣的判断标准: ① 比能量 ［单位：(w·h/kg)，(w·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 [单位：（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 电池的可储存时间的长短 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，更易满足使用者需求。 优点：结构简单、安全。 缺点：1、它的电压不是很稳定， 2、受到环境温度等因素的影响。 3、提供相对较低的电压和电流。 4、存在容易漏液、寿命短等问题 电气所带来的文明，伏打电池是一个重要的起步，他带动后续电气相关研究的蓬勃发展，后来利用电磁感应原理的电动机，和发电机研发成功也得归功於它，而发电机之后电气文明的开始，导致第二次产业革命改变人类社会的结构 伏打电池有什么优缺点？人类是如何改进的？ 二、最早商业化化学电源 一次电池(从湿到干) 1. 1968年电池的从湿到干——锌锰干电池 Zn+2MnO2+2NH4+=Zn(NH3)22++2MnO(OH) 负极： 优点：制作简单、价格便宜。 缺点：放电时间短，电压下降快，酸性会自放电。 1. 普通（酸性）锌锰干电池 作正极，离子导体： 作负极 石墨棒 氯化铵与氯化锌糊 锌筒 Zn - 2e-+2NH4+= Zn(NH3)22++2H+ 正极： 2MnO2 + 2H+ + 2e- = 2MnO(OH) 总反应： 锌锰干电池又有什么优缺点？人类是如何改进的？ 锌粉和KOH的混合物 MnO2 负极： Zn + 2OH- -2e- = Zn(OH)2 正极： 2MnO2 + 2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH- 氢氧化氧锰 正极: ; 负极： ; 离子导体: 。 MnO2 Zn粉 KOH、 离子型 导电隔膜 总反应： Zn+2MnO2 + 2H2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2 改进措施:酸性NH4CI( 自放电) 碱性KOH (降低自放电) 负极:锌片 锌粉(反应面积增大电流大幅度提高) 2. 电池的从酸到碱——碱性锌锰干电池 优点：电流稳定，放电容量、时间增大几倍，不会涨气或漏液。 碱性锌锰电池的标称电压为1.5V，最高电压为1.65V，能量密度达到60Wh/kg 任务，离子导体下电极方程式的书写与对比 Zn+2MnO2+2NH4+=Zn(NH3)22++2MnO(OH) 负极： Zn - 2e-+2NH4+= Zn(NH3)22++2H+ 正极： 2MnO2 + 2H+ + 2e- = 2MnO(OH) 总反应： （酸性）锌锰干电池 （碱性）锌锰干电池 负极： Zn + 2OH- -2e- = Zn(OH)2 正极： 2MnO2 + 2H2O+2e-=2MnO(OH)+2OH- 氢氧化氧锰 总反应： Zn+2MnO2 + 2H2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2 氢氧化氧锰 请你思考！ 一次电池存在什么问题？如何改进？ 放电后不可在充电，电压随着使用时间延长而下降。 是否可以给它通以反向电流，使电池电压回升。 三、可循环使用的化学电源二次电池 循环使用的二次电池 放电后可以再充电使活性物质获得再生的电池。这种充电电池属于二次电池，也叫充电电池或蓄电池。 常见的充电电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等，目前汽车上使用的大多是铅蓄电池。 铅酸电池由两组栅状电极板交替排列而成，正极板上覆盖有PbO2,负极板上覆盖有Pb，电解质溶液为H2SO4溶液。 1.铅酸蓄电池 构造： 铅蓄电池的构造 ：(-)Pb | H2SO4 | PbO2(+) 总反应： Pb+PbO2+2H2SO4=2PbSO4+2H2O Pb -2e- + SO42- =PbSO4 正极： PbO2 +2e- + 4H++SO42-=PbSO4 +2H2O 氧化反应 还原反应 负极： ①放电过程: 铅蓄电池充电的反应则是上述反应的逆过程 ②充电过程： PbSO4 +2e- =Pb + SO42- 还原反应 阴极(接负极)： 阳极(接正极)： PbSO4 -2e- +2H2O = PbO2 + 4H++ SO42- 氧化反应 总反应： 2PbSO4+2H2O=Pb+PbO2+2H2SO4 充放电过程： Pb+PbO2+2H2SO4 2PbSO4+2H2O 放电 充电 正接正，负接负 优点： 1.生产工艺简单，成本低廉 2. 可靠性高 缺点： 功率密度较低，30-50Wh/Kg 2.使用寿命短，通常约为2~3年； 3. 与其他类型的蓄电池相比重量较重。 铅酸蓄电池又有什么优缺点？人类是如何改进的？ 2. 镍氢电池—— 从湿到干、轻污染 圆柱可充镍氢电池 方形可充镍氢电池 能量密度高；无镉污染，是一种绿色电池；可大电流快速充放电；电池工作电压为1.2V；在小型便携电子器件、电动工具、电动车辆和混合动力车上逐步得到应用。 meiyangyang8602 镍氢电池 H2 + 2NiOOH 2Ni(OH)2 放电 充电 总反应： 电解质液为KOH溶液， 请写出的电极反应式。 正极： 负极： 放电 阳极： 阴极： 充电 H2 - 2e- + 2OH- = 2H2O 2NiOOH +2 e- + 2H2O = 2Ni(OH)2 +2 OH- 2H2O +2 e- = H2 + 2OH- 2 Ni(OH)2 －2 e- + 2OH-= 2NiOOH +2 H2O 镍氢电池又有什么优缺点？人类是如何改进的？ 缺点：氢气是气体，不易储存且单位体积的能量低。 优点：氢气是无毒，低污染。 四、环保意识下的二次电池锂离子电池发展 3.回顾新型纽扣电池CR2032 总反应：Li+MnO2 = LiMnO2 隔膜：允许锂离子通过。 电解液：有机电解质 密度最小的金属，仅为0.53g/cm3³ 理论克容量高达3860mAh/g 电极电势最负 CR2032 装置 负极 正极 （ ） （ ） 电池壳 电解质 原理 总反应： 电极反应 负极：Li -e- = Li+ 正极：MnO2 +e- = MnO2- 反应类型 得失电子 氧化反应 还原反应 失去电子 得到电子 e- Li+ Li+MnO2 = LiMnO2 锂单质 二氧化锰 隔膜 锂电池 可以充电吗？人类是如何改进的？ 锂离子电池（二次电池） 斯坦利·惠廷汉姆 1976年，Whittingham研究发现了二硫化钛（TiS2）能够进行锂离子（Li+）的嵌入和脱出，并制作了Li/TiS2电池 Li 固体TiS2 隔膜 含Li+的 电解质溶液 ：Li+ ：e- 放电总反应： Li + TiS2 = LixTiS2 负极：x Li – x e- = x Li+ 正极：TiS2 + x Li+ + x e- = LixTiS2 放电时Li+移向正极 纵观电池一次次登上历史的舞台，又一次次被时代抛弃，最显著的障碍就是能量密度跟不上产品的需求。电池领域就这样沉寂了许久，直到大魔王“锂”（Lithium）被开发并用进电池材料，彻底打破了电池行业的宁静，尤其是唤醒了那沉睡多年的电动车。 21 缺点：充电时造成锂沉积不均匀，容易产生锂枝晶。尖锐的枝晶会穿透隔膜，使正负极短路，容易发生爆炸。所以直接用金属锂做负极的电池安全性不好。 meiyangyang8602 锂电池的发展 如何解决这个问题？ 锂枝晶 金属Li 增加隔膜的强度 抑制或阻碍锂枝晶的形成 1980年，古迪纳夫（Goodenough）发明了钴酸锂正极材料（LiCoO2），历史性论证了正极材料的另一种形式：富含锂离子的过渡金属氧化物，负极不再需要是金属锂了。 吉野彰于1981年开始研究可充电电池，并于1983年制造了使用钴酸锂（LiCoO2）的可充电电池原型。 锂离子电池工作原理示意图 P100：资料卡片 meiyangyang8602 锂离子电池 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 锂离子电池还有什么问题？人类又是如何改进的？ 电池发展的前进道路还会有什么困难？？ 资料：新型二次电池刀片电池 练习 磷酸铁锂系锂离子电池： 负极： 正极： 放电 充电 阴极： 正极： LixC6+ Li1-xFePO4 6C+LiFePO4 放电 充电 6C +xLi+ + xe- ＝ LixC6 LiFePO4 － xe-＝Li1-xFePO4 + xLi+ LixC6 － xe- ＝ xLi+ + 6C Li1-xFePO4 + xe- + xLi+ ＝ LiFePO4 总反应： 请写出的电极反应式 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 镍氢电池 普通锌锰干电池 课堂小结 减少污染 节约资源 废旧电池处理 锂电池 Lavf58.20.100 $$