应用电化学课件第三章化学电源共261页PPT资料说课讲解.ppt
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1、上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识应用电化学课件第三章化学电源共261页PPT资料上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识一.化学电源的发展化学电源是将物质化学反应产生的能量直接转换成电能的一种装置。1859年普朗克(Pantle)试制成功化成式铅酸电池1868年勒克朗谢(Lelanche)研制成功以NH4Cl为电解液的Zn-MnO2电池1888年加斯纳(Gassner)制出了Zn-MnO2干电池1895年琼格(Junger)发明Cd-Ni电池1900年爱迪生(Edison)创制了Fe-Ni蓄电池
2、11/10/20222上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识二十世纪四、五十年代以后电池发展更加迅速60年代:“双子星座”和“阿波罗”飞船应用培根H2-O2燃料电池70年代:中东战争能源危机燃料电池、钠硫电池、锂硫化铁电池得到广泛发展80年代:贮氢材料的突破氢镍电池90年代:嵌入化合物锂离子电池11/10/20223上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识二.化学电源的应用:航空航天飞行器:飞机、人造卫星、宇宙飞船等;机动车辆:启动、点火、照明、动力;大型发电站:调解电站;医院、邮电通讯部门:应急电源
3、;便携式电子产品:移动电话、摄像机、手提电脑等。11/10/20224上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识三.电池的发展规律电池的发展与新型电器的开发和应用密切相关。世纪年代后各种低压电器的普及,特别是半导体收音机的出现带动了干电池的发展。年代半导体的广泛应用,促进了纸板电池的发展。年代以后,、和计算机的出现,促进了电池的微型化。年代以后,随着移动电话的出现,-电池逐渐完善和商品化,并出现了高能量密度锂离子电池。11/10/20225上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识材料的开发利用大大促进了电
4、池的进步碱锰电池的改进得益于电解二氧化锰,而吸氢材料促进了-电池的兴起。锂离子电池的开发有赖于碳素的研究,而导电聚合物材料的研究很有可能大大改变固态电解质电池的面貌。11/10/20226上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识环保问题为电池的发展提出了新的要求一次电池的大量使用造成了资源的浪费,为了节约资源,世纪年代研究的重点是可重复使用的二次电池,原有的一次电池也向二次电池转向。为了保护环境及人体的健康,禁止在电池中使用有害元素,尽管-电池性能优异,而且技术不断成熟,却开发了取代它的-电池。汽车工业中大量使用的铅酸电池已经实现了密闭化和免维护。
5、11/10/20227上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识为了应对未来可预料的能源危机和减少汽车尾气污染,新型清洁电动汽车的研究成为全世界科学工作者注目的焦点,目前已取得很大的进展。例如国外已经开发出使用锌空气电池的微型汽车,一次充电可行驶里程已达;而使用燃料电池,据称驱动座小车最高时速可达以上,持续行驶超过。11/10/20228上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识随着各种便携性电子设备的广泛应用,电池的需求量正在飞速增长,同时电池的性能也不断地提高和完善。世纪年代,工业(计算机、移动电话、摄
6、像机和无线电动工具)的普及,日常生活对电池的需要已经到了须臾不可分离的地步。因此有人预测,高性能电池工业将是世纪最有前景的产业,因此电池的发展必须能赶上电器用具的发展。现在各种形状、各种规格、性能各异的电池在日常生活和生产的各个领域发挥着不可替代的作用。11/10/20229上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识四四.化学电源基本知识化学电源基本知识1.1化学电源的组成化学电源的组成 化学电源是一种能把化学能直接转化为电能的装置,化学电源是一种能把化学能直接转化为电能的装置,通常被称为电池。在实现化学能通常被称为电池。在实现化学能 转变为电能的过
7、程中,必转变为电能的过程中,必须具备以下条件:须具备以下条件:2.化学变化过程中电子的传递,必须经过外回路。化学变化过程中电子的传递,必须经过外回路。3.两极之间应具有离子导电性物质两极之间应具有离子导电性物质电解质。所以,电解质。所以,1.在化学反映的过程中,电子的得失,必须分别在两个在化学反映的过程中,电子的得失,必须分别在两个不同的区域进行,即失电子氧化在负极,得电子还不同的区域进行,即失电子氧化在负极,得电子还原在正极。原在正极。一个电池不可缺少的组成部分应有:正极,负极,电一个电池不可缺少的组成部分应有:正极,负极,电解质,隔膜,电池外壳及其它配件。解质,隔膜,电池外壳及其它配件。1
8、1/10/202210上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识 例如铅酸蓄电池:正极例如铅酸蓄电池:正极PbO2,负极,负极Pb,电解质,电解质,H2SO4,在工作时电极上发,在工作时电极上发 生如下反应:生如下反应:由上由上 可知,铅酸蓄电池工作时,两极间的导电离子是可知,铅酸蓄电池工作时,两极间的导电离子是H+和和SO42-,电子从,电子从Pb负极通过外回路流入负极通过外回路流入PbO2正极,只要在两个正极,只要在两个电极和电解质溶液界面上不断地进行氧化还原反应,则在外回电极和电解质溶液界面上不断地进行氧化还原反应,则在外回路中就不断地有电流流
9、过。另外,在电极上参加反应的物质通路中就不断地有电流流过。另外,在电极上参加反应的物质通常也叫活性物质。常也叫活性物质。负极:负极:正极:正极:总反应:总反应:11/10/202211上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识 对于实用的电池来说,除了正极,负极和电解质外,对于实用的电池来说,除了正极,负极和电解质外,还有隔膜,电池外壳及其它一些配件。例如接线柱,汇流还有隔膜,电池外壳及其它一些配件。例如接线柱,汇流排(见下图),电池各部分的作用为:排(见下图),电池各部分的作用为:1.正极和负极正极和负极 正极和负极的作用是参加电化学正极和负极的作
10、用是参加电化学反应和导电。负极通常都是由电位较反应和导电。负极通常都是由电位较负的金属承担。如:负的金属承担。如:Zn、Mn、Al、Cd、Fe。它们本身都是还原剂,。它们本身都是还原剂,在放电过程中被氧化,所以电池的负在放电过程中被氧化,所以电池的负极也就是阳极;正极通常是采用电位极也就是阳极;正极通常是采用电位较正的金属或其它氧化物,例如较正的金属或其它氧化物,例如MnO2、PbO2。它们都是氧化剂,在放电。它们都是氧化剂,在放电的过程中被还原,放电时电池的正极的过程中被还原,放电时电池的正极也是阴极。也是阴极。11/10/202212上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化
11、学电源基本知识化学电源基本知识2.电解质电解质 它有两个作用,一是参加电化学反应;二是保证电池它有两个作用,一是参加电化学反应;二是保证电池内部电极间的导电,这种导电与外回路不同,它是离子导内部电极间的导电,这种导电与外回路不同,它是离子导电。电。对有些电池而言,电解质只是参加电池反应的中间过对有些电池而言,电解质只是参加电池反应的中间过程,而其本身并不消耗(程,而其本身并不消耗(ZnO2电池中的电池中的HOH),但有些,但有些电池却要消耗电解质(铅酸蓄电池中的电池却要消耗电解质(铅酸蓄电池中的H2SO4)。在设计电。在设计电池时应注意到。池时应注意到。3.隔膜隔膜 隔膜的作用是防止正负极活性
12、物质的直接接触,否则隔膜的作用是防止正负极活性物质的直接接触,否则造成短路。隔膜的好坏对电池的质量影响很大,对隔膜通造成短路。隔膜的好坏对电池的质量影响很大,对隔膜通常有如下要求:常有如下要求:11/10/202213上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识(1)内阻小)内阻小(2)能阻挡脱落的活性物质透过)能阻挡脱落的活性物质透过(3)能耐电解质溶液的腐蚀,及电极氧化剂的氧化)能耐电解质溶液的腐蚀,及电极氧化剂的氧化(4)来源丰富,价格低廉)来源丰富,价格低廉4.电池外壳电池外壳电池外壳作为容器,应耐腐蚀,且具有一定的强度。电池外壳作为容器,应耐
13、腐蚀,且具有一定的强度。1.2 化学电源的分类:化学电源的分类:化学电源分类的方法很多,通常有如下几种:化学电源分类的方法很多,通常有如下几种:1.按电池的工作性质分类:按电池的工作性质分类:(1)原电池(一次电池):这种电池中的活性物质消)原电池(一次电池):这种电池中的活性物质消11/10/202214上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识耗后,即失去了工作能力,也就是说这种电池只能使用一耗后,即失去了工作能力,也就是说这种电池只能使用一次。例如:次。例如:ZnMnO2,MgAgCl等电池。等电池。(2)蓄电池(二次电池)蓄电池(二次电池)该
14、电池中的活性物质消耗后,可进行充电使其恢复,该电池中的活性物质消耗后,可进行充电使其恢复,电池得到再生,使电池能够反复使用。例如铅酸蓄电池,电池得到再生,使电池能够反复使用。例如铅酸蓄电池,OHNi电池,电池,AgZn电池等。电池等。2.按电解质的性质可将电池分为以下三类:按电解质的性质可将电池分为以下三类:(1)碱性电池(电解质为碱性,)碱性电池(电解质为碱性,NaOH,KOH)例:例:CdNi(2)酸性电池(电解质为酸性,)酸性电池(电解质为酸性,H2SO4)例:铅酸电池例:铅酸电池(3)中性电池(电解质为中性,)中性电池(电解质为中性,NH4Cl,HgCl2)例例:ZnMnO211/10
15、/202215上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识 随着科学技术的发展,目前又出现了有机电解质电池,随着科学技术的发展,目前又出现了有机电解质电池,固体电解质电池,胶体电解质电池等等。固体电解质电池,胶体电解质电池等等。由于化学电源的发展较快,上述的分类不能明确地反映由于化学电源的发展较快,上述的分类不能明确地反映化学电源的全貌,目前常用的分类方法是把化学电源分为四化学电源的全貌,目前常用的分类方法是把化学电源分为四类:类:(1)原电池)原电池(2)蓄电池)蓄电池(3)储备电池:该电池在存放期间不加电解质溶液,在使)储备电池:该电池在存放期间不
16、加电解质溶液,在使用时临时加入电解质活化。例如:用时临时加入电解质活化。例如:ZnO2电池电池(4)燃料电池:是一种能连续地把燃料的化学能变为电燃料电池:是一种能连续地把燃料的化学能变为电能的装置。即只要连续不断地将燃料(反应物)或电解质能的装置。即只要连续不断地将燃料(反应物)或电解质通如电池中,电池就能连续不断地反应而产生电能。例如:通如电池中,电池就能连续不断地反应而产生电能。例如:H2O2燃料电池。燃料电池。11/10/202216上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识 需要说明的是:以上的分类并不是绝对的,随着科需要说明的是:以上的分类
17、并不是绝对的,随着科学技术的发展,有些电池体系往往学技术的发展,有些电池体系往往 可以设计成多种不同可以设计成多种不同的电池。例如:在碱性溶液中,由锌和空气构成的电池的电池。例如:在碱性溶液中,由锌和空气构成的电池体系。它根据需要就可以做成:体系。它根据需要就可以做成:1.ZnO2(C)一次电池一次电池2.ZnO2(C)二次电池二次电池3.ZnO2(C)储备电池储备电池4.ZnO2(C)燃料电池燃料电池1.3 描述电池性能的主要参数及对参数的影响因素描述电池性能的主要参数及对参数的影响因素 对于一个实用化的电池,有多方面的性能参数要求。例如对于一个实用化的电池,有多方面的性能参数要求。例如电池
18、的电压、内阻、容量与比容量、能量与比能量、功率与比电池的电压、内阻、容量与比容量、能量与比能量、功率与比功率以及电池的贮存性能和循环寿命等功率以及电池的贮存性能和循环寿命等。11/10/202217上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识1.电池的电动势及开路电压电池的电动势及开路电压 电池在开路时,即没有电位通过的情况下,正负极的平电池在开路时,即没有电位通过的情况下,正负极的平衡电位之差,就是该电池的电动势。它的大小取决于电池的衡电位之差,就是该电池的电动势。它的大小取决于电池的本性及电解质的性质与活度,而与电池的几何结构等无关。本性及电解质的
19、性质与活度,而与电池的几何结构等无关。即:即:假设电池的正负极反应为:假设电池的正负极反应为:11/10/202218上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识则:则:由此可以明确地看出,若正极的电位越正,负极的电由此可以明确地看出,若正极的电位越正,负极的电位越负,电池的电动势也就越高。位越负,电池的电动势也就越高。从元素的标准电位序来看,在元素周期表左上边的元素从元素的标准电位序来看,在元素周期表左上边的元素(IA,IIA族)具有较负的电位,右上边的元素(族)具有较负的电位,右上边的元素(VIA,VIIA族)族)具有较正的电位。由这些元素组成的电
20、池可以得到较高的电具有较正的电位。由这些元素组成的电池可以得到较高的电动势。动势。11/10/202219上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识其中以其中以Li的电位为最负:的电位为最负:(在酸性介质中在酸性介质中)氟的电位为最正:氟的电位为最正:若做成锂氟电池若做成锂氟电池 ,其电动势可,其电动势可达达5.91V。这是化学电源中电动势最高的数值。这是化学电源中电动势最高的数值。应当注意的是,在选择电极活性物质时,不能只看应当注意的是,在选择电极活性物质时,不能只看平衡电位数值的高低,还要看(平衡电位数值的高低,还要看(1)它在介质中的稳定)它在
21、介质中的稳定性(性(2)材料来源()材料来源(3)电化当量等多方面的因素。例如)电化当量等多方面的因素。例如LiF2,若组成电池,它具有很高的电动势,但由于若组成电池,它具有很高的电动势,但由于Li只只适用与非水溶剂电解质,适用与非水溶剂电解质,F2是活性的气体,不易储存和是活性的气体,不易储存和11/10/202220上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识和控制,因而由单质和控制,因而由单质Li与与F2组成电池也是不切合实际的。组成电池也是不切合实际的。一般的化学电源都是采用水溶性电解质。在电位较负的一般的化学电源都是采用水溶性电解质。在电位较
22、负的金属中,以锌、铅、镉、铁最为常用。因在相应的电解质中金属中,以锌、铅、镉、铁最为常用。因在相应的电解质中具有较好的耐腐蚀性,在电位较正的活性物质中,常用的有具有较好的耐腐蚀性,在电位较正的活性物质中,常用的有二氧化锰、二氧化铅、氢化镍、氧化银等,它们在水溶液中二氧化锰、二氧化铅、氢化镍、氧化银等,它们在水溶液中都很稳定,溶解度小,材料来源广。都很稳定,溶解度小,材料来源广。在以上所讨论的电动势是指体系达到热力学平衡后的在以上所讨论的电动势是指体系达到热力学平衡后的电动势。但实际上有许多电极体系在水溶液中,即使开路电动势。但实际上有许多电极体系在水溶液中,即使开路时,也达不到热力学上的平衡状
23、态。例如:锌锰干电池:时,也达不到热力学上的平衡状态。例如:锌锰干电池:电极与溶液的界面上也可能发生其它的共轭反应。电极与溶液的界面上也可能发生其它的共轭反应。,即使在没有负荷的情况下,在,即使在没有负荷的情况下,在11/10/202221上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识在负极上可能存在的反应:在负极上可能存在的反应:在正极上可能存在的反应:在正极上可能存在的反应:(主要)(1)(2)由此可以看出由此可以看出1.2两式并不能反映电池的真实电动势大两式并不能反映电池的真实电动势大小,但在开路时,电极上小,但在开路时,电极上 建立的仍是稳定电位
24、。该电位的建立的仍是稳定电位。该电位的11/10/202222上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识数值往往是不同于平衡电位的,一般都是小于平衡电位。习数值往往是不同于平衡电位的,一般都是小于平衡电位。习惯上把开路时所测得的稳定电位的电压称为开路电压。惯上把开路时所测得的稳定电位的电压称为开路电压。2.电池的工作电压和放电曲线电池的工作电压和放电曲线(1)工作电压:当电池有电流通过时,这时正、负极)工作电压:当电池有电流通过时,这时正、负极 由于电流通过电池回路时使电极产生电极极化和欧姆由于电流通过电池回路时使电极产生电极极化和欧姆极化,这时的工
25、作电压总是低于电动势。即:极化,这时的工作电压总是低于电动势。即:两端的电位差,即为工作电压(放电电压)。两端的电位差,即为工作电压(放电电压)。,分别为电流通过正,负极时的工作电位。分别为电流通过正,负极时的工作电位。I为放电电流为放电电流 R为电池内阻。为电池内阻。影响工作电压的因素:影响工作电压的因素:11/10/202223上一内容下一内容回主目录化学电源化学电源第一章第一章 化学电源基本知识化学电源基本知识1.放电时间放电时间 一般放电时间长,电压低一般放电时间长,电压低2.放电流密度放电流密度 一般放电流密度大,电压低一般放电流密度大,电压低3.放电深度放电深度 一般放电深度低,电
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