2026届高三化学一轮复习 二次电源发展史 课件

二次电源发展史 授课教师：徐荣 江苏省淮阴中学 同学们下午好，我是来自江苏省淮阴中学的化学老师，今天我们一起复习的内容是化学电源。 普通干电池 纽扣电池 笔记本电脑专用电池 心脏起搏器电池 氢氧燃料电池 在生活中我们已经见过形形色色的电源，也看过一些电源的图片， 宝马 氢燃料电池组 宝马 氢燃料电池组 一次电池 二次电池 燃料电池 化学电源的分类 电池按可否充电分为一次电池和二次电池（蓄电池），燃料电池是一种特殊的电化学能量转换装置，通过持续供给燃料（如氢气、甲醇等）和氧化剂（如氧气）产生电能，不属于传统的一次或二次电池，而是开放式储能/发电系统。今天我们主要从二次电池的发展史来复习化学电源。 3 1799——1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 1799年，意大利物理学家伏特发明伏打电堆，这是现代电池的雏形，奠定了电池发展的基础。 理解其工作原理并写出其电极反应方程式： 负极（Zn)： 2Zn-4e-=2Zn2+ 正极（Ag)： O2+2H2O+4e-=4OH- 谈电池发展，必须从伏打电堆说起，这是现代电池发展的基础，由交替的锌和银盘组成，中间用浸泡在盐水中的纸板隔开，产生电流，它的示意图如图，请理解其工作原理，并写出电极反应式 1799——1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 2000— 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1836年，英国科学家丹尼尔对伏打电堆进行改良，制造了第一个能保持稳定电流的锌铜电池，并能充电反复使用，称为蓄电池。 Zn片 Cu片 ZnSO4 CuSO4 用CuSO4溶液做电解质溶液不用稀硫酸的原因： 原因主要是如果用稀硫酸做电解质溶液由于在铜极上很快就聚集了许多氢气泡，形成金属和电解质溶液之间的屏障，增加了电池的内阻，使电流不能畅通，电池的功率会随着时间的推移而减小。 1836年，英国人丹尼尔对伏打电堆进行改良，制造了第一个能保持稳定电流的锌铜电池，并能充电反复使用。请大家看它的示意图，很熟悉了吧，这就是我们学过的的双液电池。这种电池内涵丰富，涉及大量的物理和化学知识，我们只能浅层次理解一下，请思考问题：用CuSO4溶液做电解质溶液不用稀硫酸的原因？ 1799——1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 2000— 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1836年，英国人丹尼尔对伏打电堆进行改良，制造了第一个能保持稳定电流的锌铜电池，并能充电反复使用，称为蓄电池。 Zn片 Cu片 ZnSO4 CuSO4 盐桥的作用： 1.沟通内电路，形成闭合回路； 2.提供离子，保持两溶液电中性。 盐桥的作用？盐桥中的离子的定向迁移构成电流通路，使由它连接的两溶液保持电中性。又阻止反应物的直接接触，避免不希望的反应，导致电池性能下降或失效， 1799——1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 2000— 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1836年，英国人丹尼尔对伏打电堆进行改良，制造了第一个能保持稳定电流的锌铜电池，并能充电反复使用，称为蓄电池。 Zn片 Cu片 ZnSO4 CuSO4 写出其电极反应方程式： 负极（Zn)： Zn-2e-=Zn2+ 正极（Cu)： Cu2++2e-=Cu 写出其电极反应式。 1799——1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 2000— 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1836年，英国人丹尼尔对伏打电堆进行改良，制造了第一个能保持稳定电流的锌铜电池，并能充电反复使用，称为蓄电池。 Zn片 Cu片 ZnSO4 CuSO4 思考：盐桥具有离子运动的距离长、离子运动的通道窄、离子容量小的缺点，那可以怎样解决这些缺点呢？ 写出其电极反应式。盐桥具有离子运动的距离长、离子运动的通道窄、离子容量小的缺点，那可以怎样解决这些缺点呢？ Zn片 Cu片 ZnSO4 CuSO4 离子交换膜 随着科技的发展，现在科学家们一般用隔膜；固态电解质，既是离子导体，又是物理隔离层；离子交换膜等来解决电池正极和负极必须分隔的问题 1799——1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 2000— 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1859年 铅酸电池 1859年法国物理学家普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。 负极反应物 正极反应物 电解质溶液 海绵状的金属铅 铅合金表面涂PbO2 H2SO4溶液 请写出电池放电时的电极反应式。 负极: Pb +SO42- - 2e- = PbSO4 正极: PbO2 + 4H+ +SO42- +2e- = PbSO4 + 2H2O Pb + PbO2 + 4H+ +2SO42- = 2PbSO4 + 2H2O 1859年法国人普朗泰发明出用铅做电极的电池。这种电池的独特之处是当电池使用一段时间电压下降时，可以给它通以反向电流，使电池电压回升。经过166年的改进和发展，现在的铅蓄电池负极反应物是海绵状的金属铅，正极反应物是棕褐色的PbO2，电解质溶液是硫酸，思考并写出其电极方程式，注意硫酸铅不溶于水，负极和正极放电后电极质量都是增大的。 优点 缺点 可重复使用、 电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉 单位质量电池释放的电能少 （比能量低）、 循环寿命有限、笨重 废弃电池需专业处理防止污染环境 铅酸蓄电池 铅蓄电池的优点有可重复使用、 电压稳定、使用方便、安全可靠、价格低廉 ，缺点有单位质量电池释放的电能少、笨重、废弃电池污染环境。尽管面临锂电池的竞争，但其低成本、高可靠性、可回收性仍使其在特定市场不可替代。 1799—1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1859年 铅酸电池 1890年 铁镍电池 1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，长时间存放电量不易丢失，长时间过度充电也没问题，1910年可充电的铁镍电池商业化生产。 铁镍蓄电池又称爱迪生电池，放电时的总反应为： Fe＋Ni2O3＋3H2O=Fe(OH)2＋2Ni(OH)2，下列说法不正确的是（ ） A．电池的电解液为碱性溶液 B．电池放电时，负极反应为Fe＋2OH－－2e－===Fe(OH)2 C．电池放电时，正极质量增加40g，电路中转移的电子为2mol D．电池放电时，OH－向负极移动 Ni2O3+3H2O+2e－=2Ni(OH)2+2OH－ C 1890年，爱迪生发明可充电的铁镍电池，长时间存放电量不易丢失，长时间过度充电也没问题，1910年可充电的铁镍电池商业化生产。由于其能量密度低，自放电率高、体积大等缺点被后来新兴的电池代替，不是主流储能选择，但是在某些特殊领域，它凭借超长寿命和耐用性仍在使用。 1799——1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1859年 铅酸电池 1899年 镍镉电池 1899年瑞典科学家 尤格儿发明的 负极反应物 正极反应物 电解质溶液 Cd 涂有NiO(OH) KOH溶液 请写出电池放电时的电极反应式。 负极: Cd - 2e- +2OH- = Cd(OH)2 总反应式：Cd + 2NiO(OH)+2H2O = 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 正极:2NiO(OH) +2e- +2H2O = 2Ni(OH)2 +2OH- 1890年 铁镍电池 1899年瑞典科学家 尤格儿发明了镍镉电池 优点 缺点 可密封反复使用、 比铅蓄电池耐用。 可靠性高、寿命长、耐极端环境 废弃电池需专业处理防止污染环境 镍镉电池 1799—1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1859年 铅酸电池 1899年 镍镉电池 负极材料 正极反应物 电解质溶液 吸氢的金属或合金（如：LaNi5），用M表示 涂有NiO(OH) KOH溶液 请写出电池放电时的电极反应式。 负极: MH - e- + OH- = H2O +M 总反应式：NiO(OH)+MH = Ni(OH)2+ M 正极:NiO(OH) +e- +H2O = Ni(OH)2 +OH- 1900——1999 1975年 镍氢电池 圆柱可充镍氢电池 方形可充镍氢电池 优点：能量密度高；无铅镉污染，是一种绿色电池；可大电流快速充放电；循环寿命长。 缺点：电压较低；容量衰减，充电时间较长，低温性能差，材料成本高。 1890年 铁镍电池 20世纪70年代，LaNi5和Mg2Ni等储氢合金被发现具有可逆的吸放氢能力。1986年首款商用镍氢电池投放市场后，镍氢电池在很长一段时间都是可充电电池的霸主，如今虽被锂电取代主流地位，但是在混合动力车、储能、特种设备等领域仍不可替代。 1799—1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1859年 铅酸电池 1899年 镍镉电池 负极材料 正极反应物 电解质溶液 1900——1999 1975年 镍氢电池 优点：比能量高； 缺点：必须在无水、无氧的条件下组装锂金属电池，使用非水电解质的。 1890年 铁镍电池 1972年 锂金属电池 总反应式：Li + MnO2 = LiMnO2 MnO2 非水电解质 Li 1972年 锂金属电池 为什么早期的锂电池不能充电？ 金属Li 锂枝晶 资料： 锂电池充电过程中，锂金属表面会逐渐析出尖锐的锂枝晶，有可能穿透正负极之间的隔膜，造成电池内部短路，引发电池自燃，造成爆炸。 如何解决这个问题？ 增加隔膜的强度 抑制或阻碍 锂枝晶的形成 隔膜表面涂覆氧化铝等材料，增加隔膜机械强度，抑制或阻碍枝晶的形成，科学家们从电极、电解质溶液、充放电控制等多种方向研究。科学家们发现用石墨为负极，锂离子易嵌入形式存储，可以避免枝晶，直到古迪纳夫发现钴酸锂作为正极材料，具有高电压和稳定层状结构，双向嵌入技术使锂离子电池取得突破性研究进展 1799—1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1859年 铅酸电池 1899年 镍镉电池 负极材料 正极反应物 电解质溶液 1900——1999 1975年 镍氢电池 1890年 铁镍电池 1972年 锂金属电池 LiCoO2、LiFePO4等 LiPF6+碳酸乙烯酯+碳酸二甲酯(DMC) 1990年 锂离子电池 锂离子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中 2019年诺贝尔化学奖授予约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰，以表彰他们在锂离子电池研发领域作出的贡献。 1990年 锂离子电池 1、磷酸铁锂系锂离子电池： LixC6+ Li1-xFePO4 = C6+LiFePO4 总反应： 请写出的电极反应式 负极： 正极： 放电 LixC6 － xe- ＝ xLi+ + C6 Li1-xFePO4 + xe- + xLi+ ＝ LiFePO4 负极材料：嵌锂层状石墨(LixC6 ) 正极材料：Li1-xFePO4 电解质溶液：锂导电有机电解液 我们来分析两种原理相对简单、主流商用锂离子电池，第一种是磷酸铁锂系锂离子电池，安全性较高，成本较低，循环寿命长，在中低端电动车、储能电站中使用较多， 19  钴酸锂离子电池如图所示，放电时的总反应 Li1－x CoO2＋LixC6＝LiCoO2＋C6。 下列说法正确的是（ ） A.电池放电时，钴氧层为负极 B.电池放电时，电子通过隔膜向钴氧层移动 C.电池放电时，钴氧层反应为：LiCoO2＋xe－＝Li1－x CoO2＋xLi＋ D.电池放电时，外电路中流过0.02mol电子，有0.02molLi＋通过隔膜 D Li1－x CoO2＋xLi＋+xe－＝LiCoO2 （2）钴酸锂离子电池： 负极材料：嵌锂层状石墨(LixC6 ) 正极材料：钴酸锂(Li1-xCoO2) 电解质溶液：锂导电有机电解液 第二种是钴酸锂电池，请根据问题来理解一下电池的工作原理 20 1799—1899 1799年 伏打电堆 二次电池发展史 1836年 丹尼尔电池 （锌铜电池） 1859年 铅酸电池 1899年 镍镉电池 1900——1999 1975年 镍氢电池 1890年 铁镍电池 1972年 锂金属电池 1990年 锂离子电池 2020— 更安全的锂离子电池 钠离子电池 固态电池等 我国的电池产业蓬勃发展，锂离子电池产业几乎空白发展到全球领先，未来锂离子电池将更加安全，钠离子电池与锂离子电池形成互补，固态电池将得到广泛应用。 思考：全固态锂硫电池能量密度高、成本低，其工作原理如图所示，其中电极a常用掺有石墨烯的S8材料，电池反应为：16Li+xS8=8Li2Sx（2≤x≤8）。下列说法错误的是（ ） A．电池工作时，正极可发生反应：2Li2S6+2Li++2e-=3Li2S4 B．电池工作时，外电路中流过0.02 mol电子，负极材料减重0.14 g C．石墨烯的作用主要是提高电极a的导电性 D．电池放电时间越长，电池中Li2S2的量越多 D （相对原子质量Li 7） S8+2Li++2e-=Li2S8 硫化物固态电解质作为未来全固态电池主流技术路径逐渐成为共识。请仔细研究下面的思考题。 谢谢大家！ $