4.1.2 化学电源 课件-2025-2026学年高二上学期化学人教版（2019）选择性必修一

第四章 化学反应与电能 第1节　原电池 第2课时 化学电源 人教版选择性必修第一册 揭示目标 1.掌握原电池和常见化学电源的反应方程式和电极反应式的书写， 2.了解锌锰电池，铅酸蓄电池，氢燃料电池的结构、工作原理、性能及其应用;会比较电池的优缺点。 学习目标 2 情景导入 化学电源广泛的应用于生活、生产和科研中。 一、化学电源的分类 1.化学电源分类 一、化学电源的分类 2.化学电源的优点 方便携带、易于维护、能量转化率高、供能稳定可靠，可制成各种形状、大小和容量不同的电池和电池组。 3.化学电源优劣判断方法 （1）比能量：单位质量/体积所能输出电能的多少， 单位是(W·h)/kg或(W·h)/L。 （2）比功率：单位质量/体积所能输出功率的大小， 单位是W/kg或W/L。 （3）电池可储存时间的长短。 一、化学电源的分类 4.一次电池 一次电池，也叫做干电池，放电后不可再充电。 常见的一次电池有普通锌锰干电池、碱性锌锰干电池、纽扣式银锌电池等。 一、化学电源的分类 4.一次电池 负极：锌筒 正极：石墨棒(MnO2被还原) 电解质：氯化铵糊 电池反应：Zn + 2NH4Cl + 2MnO2 = Zn(NH3)2Cl2 + 2MnO(OH)。 2MnO2＋2H＋＋2e－=2MnO(OH) (1)普通锌锰电池 优点：结构简单、价格低廉； 缺点：放电后不可再充电、会发生自放电：电解质氯化氨为酸性，会腐蚀电池的锌筒且反应有氢气生成，易造成电池膨胀及漏液现象,不能长期放置。 正极： 负极： Zn－2e－＋2NH4＋=Zn(NH3)22＋＋2H＋ 一、化学电源的分类 4.一次电池 电池反应：Zn + 2MnO2 + 2H2O = 2MnO(OH) + Zn(OH)2 (2)碱性锌锰电池 负极：锌粉 正极：MnO2 电解质：湿的KOH Zn + 2OH-﹣2e- =Zn(OH)2 2MnO2 + 2H2O + 2e- = 2MnO(OH) + 2OH- 正极： 负极： 优点：锌粉取代锌筒，KOH取代NH4Cl，增大接触面积加快反应速率，其比能量和可储存时间均有所提高。 一、化学电源的分类 4.一次电池 (3)纽扣式锌银电池 负极:锌 正极：氧化银 电解质：氢氧化钾（或钠）溶液 电池反应： Zn + Ag2O + H2O = 2Ag + Zn(OH)2 正极： 负极： Zn + 2OH- - 2e- = Zn(OH)2 Ag2O + H2O + 2e- = 2Ag + 2OH- 优点:轻便、体积小；比能量大、电压稳定，储存时间长。 缺点：电源容量小，适宜小电流连续放电。 一、化学电源的分类 5.二次电池 又称可充电电池或蓄电池，放电后可再充电而反复使用 有些电池放电时所进行的氧化还原反应，在充电时可以逆向进行，使活性物质获得再生，从而实现放电与充电的循环。 常见的充电电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池等 一、化学电源的分类 5.二次电池 负极: Pb 正极：PbO2 电解质：稀硫酸 电池反应：Pb + PbO2 + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O 正极： 负极： PbO2+4H++SO42-+2e- = PbSO4+2H2O Pb +SO42- - 2e- = PbSO4 放电时： 优点：可重复使用、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。 (1)铅蓄电池 Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O 放电 充电 还原反应 氧化反应 一、化学电源的分类 5.二次电池 阴极: Pb 阳极：PbO2 电解质：稀硫酸 电池反应：2PbSO4 + 2H2O= Pb + PbO2 + 2H2SO4 阳极： 阴极： PbSO4+2H2O-2e- = PbO2+4H++SO42- PbSO4+ 2e- = Pb +SO42- 充电时： (1)铅蓄电池 Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- 2PbSO4 + 2H2O 放电 充电 还原反应 氧化反应 充电时,电池正极接电源正极作阳极，电池负极接电源负极作阴极。 放电时，阴离子移向负极，阳离子移向正极； 充电时，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。 一、化学电源的分类 5.二次电池 (2)镍氢电池 优点：体积小，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； H2+2NiO(OH) 2Ni(OH)2 放电 充电 电解质液为KOH溶液， 请写出放电、充电的电极反应式。 正极： 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 负极： 一、化学电源的分类 5.二次电池 (3)锂离子电池 以钻酸锂—石墨锂电池为例： Li1-xCoO2 + LixC6 LiCoO2 + 6C 放电 充电 负极: Li (嵌锂石墨) 正极：LiCoO2 电解质：LiPF6（碳酸酯溶液）(无水) LixC6 - xe- = xLi+ + 6C Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- = LiCoO2 优点:质量小、体积小、储存和输出能量大。 用途：便携式电子设备(如智能手机、笔记本电脑等)、交通工具(如电动汽车、电动自行车等)、大型储能电站等。 Li1-xCoO2 一、化学电源的分类 5.二次电池 (3)锂离子电池 以钻酸锂—石墨锂电池为例： Li1-xCoO2 + LixC6 LiCoO2 + 6C 放电 充电 负极: Li (嵌锂石墨) 正极：LiCoO2 (钴酸锂) 电解质：锂导电有机电解液(无水) LixC6 - xe- = xLi+ + 6C Li1-xCoO2 + xLi+ + xe- = LiCoO2 Li1-xCoO2 锂离子电池中不含有金属态的锂，它是把锂离子嵌入石墨中形成负极。 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。 放电时:Li+由石墨中脱嵌移向正极，嵌入LiCoO2晶体。 充电时:Li+从正极LiCoO2脱嵌移向负极，嵌入石墨。 一、化学电源的分类 5.二次电池 (3)锂离子电池 放电 充电 LixC6+ Li1-xFePO4 6C+LiFePO4 正极： 放电 阳极： 阴极： 充电 负极： 6C +xLi+ + xe- ＝ LixC6 LiFePO4 － xe-＝Li1-xFePO4 + xLi+ LixC6 － xe- ＝ xLi+ + 6C Li1-xFePO4 + xe- + xLi+ ＝ LiFePO4 磷酸铁锂系锂离子电池： 一、化学电源的分类 废旧电池中常含有重金属、酸和碱等物质，如果随意丢弃，会对生态环境和人体健康造成危害。因此，应当重视废旧电池的回收利用，这样既可以减少环境污染，又可以节约资源。 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池（负极-可燃物 正极-助燃剂，电极材料：铂电极或多孔性碳） 概念：一种连续的将燃料和氧化剂的化学能直接转化为电能的化学电源。 特点： ①清洁（以H2为燃料时，产物为H2O；以CH4为燃料时，产 物为H2O和CO2）、安全、高效（能量转化率可以达到80％）； ②反应物不是储存在电池内部，而是由外部提供； ③供电量易于调节，能适应用电器负载的变化，且充电时间较短。 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ①氢氧燃料电池（负极-H2 正极-O2 电极材料：铂电极或多孔性碳） 氢氧燃料电池工作原理示意图 H2 O2 电解质溶液呈酸性(H2SO4) 2H2－4e-＝ 4H+ O2 ＋4H+ ＋4e-＝ 2H2O 负极： 正极： 总反应式： 2H2+O2=2H2O 溶液中不存在O2-： 酸性溶液中:O2-与H+结合成H2O、 碱性或中性溶液中:O2-与水结合成OH-。 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ①氢氧燃料电池（负极-H2 正极-O2 电极材料：铂电极或多孔性碳） 阴离子交换膜 氢氧燃料电池工作原理示意图 H2 O2 2H2＋4OH-－4e-＝ 4H2O O2＋2H2O＋4e- ＝ 4OH- 负极： 正极： 总反应式： 2H2+O2=2H2O 电解质溶液呈碱性(KOH) OH- 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ①氢氧燃料电池（负极-H2 正极-O2 电极材料：铂电极或多孔性碳） 电解质溶液呈中性(Na2CO3) 2H2＋O2 ＝ 2H2O 负极： 正极： 总反应： 2H2－4e－ ＝ 4H+ O2＋2H2O＋4e- ＝ 4OH－ 氢氧燃料电池工作原理示意图 H2 O2 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ②甲烷燃料电池 CH4 －8e- +2H2O= CO2+8H+ CH4 + 2O2 =CO2+2H2O O2+4e-+ 4H+=2H2O 写出甲烷燃料电池（CH4-O2-H2SO4溶液）的电极反应式 负极： 正极： 总反应: 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ②甲烷燃料电池 CH4 +10OH- －8e- = CO32-+7H2O CH4 + 2O2 +2OH- =3H2O+ CO32- O2+4e-+2H2O = 4OH- 写出甲烷燃料电池（CH4-O2-KOH溶液）的电极反应式 负极： 正极： 总反应: 一、化学电源的分类 写出甲醇燃料电池（CH3OH-O2-H2SO4溶液）的电极反应式 写出甲醇燃料电池（CH3OH-O2-NaOH溶液）的电极反应式 负极： 正极： 总反应: 2CH3OH＋3O2＋4KOH=2K2CO3＋6H2O CH3OH－6e-＋8OH- = CO32-＋6H2O O2＋4e-＋2H2O = 4OH- 负极： 正极： 总反应: 2CH3OH＋3O2=2CO2 ↑ ＋4H2O CH3OH－6e-＋H2O=6H+＋CO2↑ O2＋4e-＋4H+=2H2O 一、化学电源的分类 写出肼(联氨)—燃料电池（N2H4 -O2-H2SO4溶液）的电极反应式 写出肼(联氨)—燃料电池（N2H4 -O2-NaOH溶液）的电极反应式 O2＋4e-＋2H2O = 4OH- N2H4 + O2= N2 ↑ + 2H2O N2H4 + 4OH- － 4e-= N2 ↑ + 4H2O O2＋4e-＋4H+=2H2O N2H4 － 4e- = N2 ↑+4H+ N2H4 + O2= N2 ↑ + 2H2O 负极： 正极： 总反应: 负极： 正极： 总反应: 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ③固体氧化物燃料电池 固体氧化物燃料电池一般采用固体氧化物为电解质(ZrO2/Y2O3)，固体氧化物在高温下具有传递O2-的能力，在电池中起传递O2-和分离燃料和氧化剂的作用。 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ③固体氧化物燃料电池 H2 + 1/2O2 = H2O H2 - 2e- + O2- = H2O O2 + 4e- = 2O2- 燃料为氢气时： 总反应： 负极： 正极： 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ③固体氧化物燃料电池 CH4 + 2O2= CO2+2H2O CH4 - 8e- + 4O2- = CO2 + 2H2O O2 + 4e- = 2O2- 燃料为甲烷时： 总反应： 负极： 正极： 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ③固体氧化物燃料电池 C2H4 + 3O2= 2CO2+2H2O C2H4 - 12e- + 6O2- = 2CO2 + 2H2O O2 +4e- = 2O2- 燃料为乙烯时： 总反应： 负极： 正极： 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ④熔融碳酸盐燃料电池----电解质是熔融态Li2CO3和Na2CO3 高温下能传导CO32-，在工作过程中，电解质熔融盐的组成、浓度不变。 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ④熔融碳酸盐燃料电池----电解质是熔融态Li2CO3和Na2CO3 总反应：负极： 正极： 燃料为氢气： 2H2 + O2 = 2H2O H2 + CO32- - 2e- = CO2 + H2O O2 + 2CO2 + 4e- = 2CO32- 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ④熔融碳酸盐燃料电池----电解质是熔融态Li2CO3和Na2CO3 总反应： 负极： 正极： CH4+2O2=CO2+2H2O CH4 - 8e- + 4CO32- = 5CO2 +2H2O O2 + 2CO2 + 4e- = 2CO32- 燃料为甲烷： 一、化学电源的分类 5.二次电池 (4)燃料电池 ④熔融碳酸盐燃料电池----电解质是熔融态Li2CO3和Na2CO3 总反应： 负极： 正极： 2CO+O2=2CO2 2CO＋2CO32-－4e－ ═ 4CO2 O2 + 2CO2 + 4e- = 2CO32- 燃料为CO： 归纳总结 1、燃料电池结构特征及应用 正极—助燃剂（氧气） 电极材料—一般不参加反应，传导电子 原料不断补充、产物不断排出 优点：能量转化率高，可持续使用，对环境友好 用途：宇宙飞船，应用前景广阔 归纳总结 （1）碱性溶液： （2）酸性溶液： （3）能传导O2-的固体介质： （4）熔融碳酸盐介质： O2+4e-+2H2O=4OH- O2+ 4e-+ 4H+=2H2O O2 + 4e-= 2O2－ O2 +4e- +2CO2= 2CO32－ 2、燃料电池中不同介质环境下的正极反应 课堂检测 1.银锌电池广泛用作各种电子仪器的电源，其电极分别为Ag2O和Zn，电解质溶液为KOH溶液，总反应式为Ag2O+Zn+H2O=2Ag+Zn(OH)2，下列说法中不正确的是( ) A．工作时，正极上发生反应的物质是Ag2O B．负极发生的反应是Zn+2OH--2e-=Zn(OH)2 C．工作时，负极区溶液c(OH-)减小 D．溶液中OH-向正极移动，K+、H+向负极移动 D 课堂检测 2．我国科学家发明的一种可控锂水电池，可作为鱼雷和潜艇的储备电源。其工作原理如图所示。下列有关说法不正确的是(　　) A．电池工作时，电子的流向：锂电极→导线→石墨电极 B．水既是氧化剂又是溶剂，有机电解质可用水溶液代替 C．电池总反应为2Li＋2H2O===2LiOH＋H2↑ D．该装置不仅可提供电能，还可提供清洁燃料氢气 B 课堂检测 3．固体氧化物燃料电池是以固体氧化锆—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O2参加反应的电极a为电池的负极 B．多孔电极b的电极反应式为H2＋2e－＋O2－===H2O C．多孔电极a的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－===4OH－ D．该电池的总反应式为2H2＋O2===2H2O D 课堂检测 4．一种熔融碳酸盐燃料电池原理如图所示。下列有关该电池的说法正确的是(　　) A．反应CH4＋H2O 3H2＋CO，每消耗1 mol CH4转移12 mol电子 B．电极A上H2参与的电极反应为H2＋2OH-－2e- == 2H2O C．电池工作时，CO32-向电极B移动 D．电极B上发生的电极反应为O2＋2CO2＋4e-==2CO32- D 感谢聆听 每天进步一点点，每天努力不止一点点。 $$